CN113047965B - 一种往复式内燃机工作压缩比的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种往复式内燃机工作压缩比的确定方法，包括以下步骤：确定气体动力循环的工作温限；根据工作温限确定目标压缩比，并将目标压缩比作为往复式内燃机的工作压缩比；其中，目标压缩比为气体动力循环在循环比功最大时或在循环平均有效压力最大时所对应的压缩比。本发明提出的一种往复式内燃机工作压缩比的确定方法，解决了现有内燃机的工作压缩比需要依靠经验才能确定的问题。

Description

一种往复式内燃机工作压缩比的确定方法

技术领域

本发明涉及内燃机技术领域，尤其涉及一种往复式内燃机工作压缩比的确定方法。

背景技术

移动工具用途的往复式内燃机，如奥托内燃机(理论循环为奥托循环的往复式内燃机)，已有很长的历史。以奥托内燃机为例，其理想工作循环为奥托循环(Otto cycle)，属若干气体动力循环之一。对气体动力循环性能的热力学性能分析方面，理想的汽油机循环(Otto循环，或奥托循环)、柴油机狄塞尔循环(Diesel循环，或狄塞尔循环)、柴油机混合加热循环(Sabathe循环，沙巴得循环)以及燃气轮机装置循环(Brayton循环，或布雷敦循环)等的工作过程、循环性能指标(如热效率等)及循环性能分析方法，指出了热效率随相关参数的变化规律。但是，上述分析方法无法确定循环最佳工作状态；在应用时，按高效率指标设计气体动力循环装置也并不是合理的。现代奥托循环内燃机(汽油发动机)的压缩比一般为9-12，(柴油发动机的压缩比一般为17-22)，该数值的确定也是经验的，理论上不是允许循环工作温度条件下的最佳值，因而使用过程中的综合经济性(综合效率)未达到最佳值。理想奥托循环内燃机的理论效率完全决定于压缩比，压缩比越高，效率就越高，理论上可以逼近给定循环工作温限(循环最低和最高温度)下的热力学极限效率，即卡诺循环效率，而此时内燃机每个循环的净输出功将趋向于零。即，以效率为目标的奥托循环内燃机的评价指标是不合理的，是无法指导工程实际的。

总之，往复式内燃机如奥托循环内燃机的设计以效率为指标是不合理的，是无法设计出高效能的内燃机的。因为，通过技术进步使实际发动机工作靠近给定条件下的理论极限时，可以实现高效率，而此时内燃机输出功将非常小，为了实现给定的功率输出，内燃机将增大很多，导致自身重量增加很多，对于移动工具用途的内燃机而言相当于增加了很大的自身载荷，反而使内燃机实际使用效率显著降低。

发明内容

本发明提出一种往复式内燃机工作压缩比的确定方法，以解决现有内燃机的工作压缩比需要依靠经验才能确定的问题。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种往复式内燃机工作压缩比的确定方法，包括以下步骤：

S1：确定气体动力循环的工作温限；

S2：根据所述工作温限确定目标压缩比，并将所述目标压缩比作为往复式内燃机的工作压缩比；

其中，所述目标压缩比为所述气体动力循环在循环比功最大时或在循环平均有效压力最大时所对应的压缩比。

优选的是，当S2中的目标压缩比为在循环比功最大时所对应的压缩比时，S2具体包括：

根据所述工作温限利用求导循环比功的表达式计算得到目标压缩比，并将所述目标压缩比作为往复式内燃机的工作压缩比。

优选的是，当S2中的目标压缩比为在循环平均有效压力最大时所对应的压缩比时，S2具体包括：

根据所述工作温限利用求导循环平均有效压力的表达式得到压缩比的表达式；对所述压缩比的表达式求解得到目标压缩比，并将所述目标压缩比作为往复式内燃机的工作压缩比。

优选的是，所述气体动力循环为奥托循环，当S2中的目标压缩比为在循环比功最大时所对应的压缩比时，所述目标压缩比的计算公式为：

其中，所述

为循环温度比，T₁为压缩起点工质的温度，T₃为吸热后工质的最高温度，κ为工质的比热比。

优选的是，所述气体动力循环为奥托循环，当S2中的目标压缩比为在循环平均有效压力最大时所对应的压缩比时，所述目标压缩比的表达式为：

(τ+1)+(2κ-2)ε^κ-1(ε-1)＝(ε^κ-1+τε^1-κ)[(κ-1)(ε-1)+1]

其中，所述

为循环温度比，T₁为压缩起点工质的温度，T₃为吸热后工质的最高温度，κ为工质的比热比。

优选的是，所述目标压缩比的求解公式采用试算法求解。

优选的是，所述压缩起点工质的温度和吸热后工质的最高温度为奥托循环的工作温限。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：利用本发明的工作压缩比作为内燃机的设计指标相比于根据经验选取压缩比不仅更加经济合理，还能设计出高效能的内燃机；利用本发明得到工作压缩比可以使内燃机装置在相同功率输出时，装置可以小型化，提升热效率；也可以在相同体积(或重量)时，可以输出更大的功。

附图说明

图1为理想奥托循环的压容图；

图2为理想奥托循环的温熵图；

图3为相同T₁和T₃间不同压缩比的奥托循环的温熵图；

图4为本发明工作压缩比确定方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

一种往复式内燃机工作压缩比的确定方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤1：根据燃料特性、活塞缸体材料性能等工作条件选定气体动力循环的工作温限，气体动力循环包括但不限于Otto循环(奥托循环)、Atkinson循环(阿特金森循环)、Miller-Otto循环(米勒-奥托循环)、Dual或Sabathe循环(混合加热循环或沙巴德循环)、Diesel循环(狄塞尔循环)、Miller-Dual循环(米勒-混合加热循环或米勒-沙巴德循环)和Miller-Diesel循环(米勒-狄塞尔循环)。

S2：根据工作温限确定目标压缩比，并将目标压缩比作为往复式内燃机的工作压缩比；

其中，目标压缩比为气体动力循环在循环比功最大时或在循环平均有效压力最大时所对应的压缩比。

作为本发明一个优选的实施例，当S2中的目标压缩比为在循环比功最大时所对应的压缩比时，S2具体包括：

根据工作温限利用求导循环比功的表达式计算得到目标压缩比，并将目标压缩比作为往复式内燃机的工作压缩比。

作为本发明一个优选的实施例，当S2中的目标压缩比为在循环平均有效压力最大时所对应的压缩比时，S2具体包括：

根据工作温限利用求导循环平均有效压力的表达式得到压缩比的表达式；对压缩比的表达式求解得到目标压缩比，并将目标压缩比作为往复式内燃机的工作压缩比。

作为本发明一个优选的实施例，气体动力循环为奥托循环，当S2中的目标压缩比为在循环比功最大时所对应的压缩比时，往复式内燃机的工作压缩比的计算公式为：

其中，

为循环温度比，T₁为压缩起点工质的温度，T₃为吸热后工质的最高温度，κ为工质的比热比。

作为本发明一个优选的实施例，气体动力循环为奥托循环，当S2中的目标压缩比为在循环平均有效压力最大时所对应的压缩比时，压缩比的表达式为：

(τ+1)+(2κ-2)ε^κ-1(ε-1)＝(ε^κ-1+τε^1-κ)[(κ-1)(ε-1)+1]

其中，

为循环温度比，T₁为压缩起点工质的温度，T₃为吸热后工质的最高温度，κ为工质的比热比。

作为本发明一个优选的实施例，工作压缩的求解公式采用试算法求解。

作为本发明一个优选的实施例，压缩起点工质的温度和吸热后工质的最高温度为工作温限。

实施例1：奥托循环内燃机工作压缩比的确定方法，包括以下步骤：

1.1确定奥托循环的压缩起点工质的温度和吸热后工质的最高温度

理想奥托循环的热效率的表达式为：

其中κ为工质的比热比，

为循环压缩比，各温度为开尔文温度。

奥托循环中各状态点的温度表示为：

T₃＝T₁τ (3)

从式(1)可以看出：提高压缩比可以提高奥托循环的理论热效率。由图1、2可见，当1、3点温度(循环最低、最高工作温度)确定时，当压缩比足够高时，2点(即压缩终了)的温度将逼近于3点，4点(即膨胀终了)的温度将逼近于1点，而循环将逼近于卡诺循环，汽油机的效率也将逼近于卡诺循环的效率。由公式(2)、(3)、(4)可见，当状态1、3点温度(循环最低、最高工作温度)确定(即T₁和T₃已知)时，奥托循环的其余两个状态点(2点和4点)的温度中，仅有2点的温度是变化的(当2点的温度确定后，4点的温度也就确定了)，而2点温度依赖于1点的温度和压缩比。即，从1点开始，压缩比确定后，奥托循环也就确定了。

1.2根据压缩起点工质的温度和吸热后工质的最高温度基于求导公式计算得到最佳工作压缩比

当奥托循环的工作温限(即循环最高T₃、最低温度T₁)确定时，存在一个循环比功最大的最佳压缩比ε_opt。如图3所示，在T₁和T₃间不同压缩比的三个循环的温熵(T-s)图。循环1→2'→3'→4'→1的压缩过程的压缩比很小，不难看出，这个循环不仅热效率低，而且循环比功(1kg工质完成一个循环所做的功，即过程线围成的面积)也很小；循环1→2"→3"→4"→1的压缩比很大，热效率高(极限是同温限间卡诺循环的效率)，但是循环比功很小(极限是所做净功，或循环比功为零)；循环1→2→3→4→1的压缩比居中，热效率居中，但是循环比功却比较大。即，随压缩比的变化，必然在T₁和T₃间存在最大循环比功，也存在一个最大循环平均有效压力。循环比功大，即为1kg工质所做的功大；平均有效压力大，即功率密度(或升功率)大。

1.2.1当选择在循环比功最大时所对应的压缩比为最佳工作压缩比时

奥托循环的循环比功的表达式为：

w_net＝q₁-q₂＝c_V(T₃-T₂)-c_V(T₄-T₁)＝c_V(T₃-T₂-T₄+T₁) (5)

循环比功的表达式中，仅有T₂是随压缩比而变化的，所以对循环比功的表达式求导，

公式(6)和(7)表明，随压缩比的变化(即T₂的变化)，循环比功确有极大值。由公式(6)可得

由公式(2)和(8)有循环比功最大时所对应的压缩比的表达式为：

此时有最大循环比功的表达式为：

1.2.2当选择在循环平均有效压力最大时所对应的压缩比为最佳压缩比时，

循环平均有效压力的表达式为：

公式(12)中，仅有T₂是随压缩比而变化的，所以

或

对公式(14)求导，并令

有

(τ+1)+(2κ-2)ε^κ-1(ε-1)＝(ε^κ-1+τε^1-κ)[(κ-1)(ε-1)+1] (15)

公式(15)是关于压缩比ε的隐函数，其解(用试算法求解)为

代入式(14)即得最大循环平均有效压力；代入公式(2)和(4)得状态点2和4的温度，再代入(5)得最大循环平均有效压力时所对应的循环比功。

因为升功率

即最大循环平均有效压力工况对应最大升功率工况。式中，P_L为发动机升功率，kW/L；m为气缸中的工质量，kg；V_h为发动机排量，m³；n为发动机转速，转/分；n'为发动机完成一个循环的转数(四冲程内燃机有n'＝2转/循环；两冲程内燃机有n'＝1转/循环)。

在实际应用时，根据发动机的用途，可在

和

中选择一个压缩比作为奥托循环发动机的设计指标。

以上仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的***领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种往复式内燃机工作压缩比的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定气体动力循环的工作温限；

S2：根据所述工作温限确定目标压缩比，并将所述目标压缩比作为往复式内燃机的工作压缩比；

其中，所述目标压缩比为所述气体动力循环在循环比功最大时或在循环平均有效压力最大时所对应的压缩比；

当S2中的目标压缩比为在循环比功最大时所对应的压缩比时，S2具体包括：

根据所述工作温限利用求导循环比功的表达式计算得到目标压缩比，并将所述目标压缩比作为往复式内燃机的工作压缩比；

所述气体动力循环为奥托循环，当S2中的目标压缩比为在循环比功最大时所对应的压缩比时，所述目标压缩比的计算公式为：

其中，所述

为循环温度比，T₁为压缩起点工质的温度，T₃为吸热后工质的最高温度，κ为工质的比热比；

当S2中的目标压缩比为在循环平均有效压力最大时所对应的压缩比时，S2具体包括：

根据所述工作温限利用求导循环平均有效压力的表达式得到压缩比的表达式；对所述压缩比的表达式求解得到目标压缩比，并将所述目标压缩比作为往复式内燃机的工作压缩比；

所述气体动力循环为奥托循环，当S2中的目标压缩比为在循环平均有效压力最大时所对应的压缩比时，所述目标压缩比的表达式为：

(τ+1)+(2κ-2)ε^κ-1(ε-1)＝(ε^κ-1+τε^1-k)[(κ-1)(ε-1)+1]

其中，所述

为循环温度比，T₁为压缩起点工质的温度，T₃为吸热后工质的最高温度，κ为工质的比热比；所述目标压缩比的求解公式采用试算法求解。

2.根据权利要求1所述的一种往复式内燃机工作压缩比的确定方法，其特征在于，所述压缩起点工质的温度和吸热后工质的最高温度为奥托循环的工作温限。

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