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1、内燃机工作过程 分析 工程热力学课程答辩,目 录1. 火用和火无的定义2. 零维缸内热力学模型3. 计算结果分析,1. 火用和火无的定义,什么是“火用”？ 什么是“火无”？,1. 火用和火无的定义,热力学第一定律指出，能量是守恒的，这体现了能量的“数量”属性热力学第二定律指出，能量的转化是有方向性的，这体现了能量的“品质”属性，即能量在转换过程中会出现“品质”的退化、贬值、可用能减少。“火用”和“火无”能够对能量的“品质”进行评价,图1-1 永动机模型,图1-2 热力学第二定律推导模型,1. 火用和火无的定义,1956年南斯拉夫学者Rant首先提出”火用”这个术语，Rant把能量分为在一定条件
2、下可以转换的部分和不可转换的部分，分别命名“Exergy”和“Anergy”。即“火用”是热力系统或能流与环境相互作用而达到完全平衡时系统向外界输出的最大功量。“火用”也常被称为能量可用性( availability ) ,或称可用能( available energy )。机械能、电能等，理论上可以百分之百转换为其它形式的能量，其能量100%为火用；而环境状态下的热力学能，如地球表面的空气和海水容纳着巨大的热能，这种能量无法转化为功，其只有“数量”而没有”品质”，能量100%为火无。,图1-3 电能,图1-4 热能（与环境有温差）,图1-5 环境热能（与环境无温差）,6,6,1. 火用和火无
3、的定义,卡诺热效率：,系统最大火用值：,实际系统火用值:,实际系统火无值:,Q,Aa,Q=As+Aa,1. 火用和火无的定义,内燃机属于典型的热机，其能量转换受到热力学第二定律的限制，本课程总结报告的主要内容为：对内燃机的工作过程进行热力学分析，从火用损的角度对内燃机实际过程与理想可逆过程接近程度及改进方向提供指导。,图1-6 内燃机结构示意图,图1-7 汽油机工作过程,2. 零维缸内热力学模型,不考虑气缸内各点的压力、温度与浓度场的差异,并认为在进气期间，流入气缸内的空气与气缸内的残余废气实现瞬时的完全混合,缸内的状态是均匀的亦即为单区过程;工质为理想气体,其比热容、内能仅与气体的温度和气体
4、的组成有关:气体流入与流出气缸为准稳态流动,不计流入或流出时的动能;不计及进气系统内压力和温度波动的影响:缸内工质在封闭过程中无泄漏。,图2-1 柴油机热力学系统（取气缸为控制容积）,2.1 模型的假定,2. 零维缸内热力学模型,2.2 基本微分方程,能量守恒方程,U系统的内能 W作用在活械功 Qi通过系统交换的热量 h比焓,可推导得温度对曲轴转角的微分方程为：,图2-1 柴油机热力学系统（取气缸为控制容积）,质量守恒方程,ms系统内质量mi流入气缸的空气质量me流出气缸的废气质量mf喷入气缸的燃油质量,理想气体方程,pV=mRT,i,图2-1 柴油机热力学系统（取气缸为控制容积）,2. 零维
5、缸内热力学模型,2.2 基本微分方程,图2-2 柴油机火用平衡示意图,火用平衡方程,Af燃油可用能Ai进气可用能Ae排气可用能Aw活塞功可用能Aq传热可用能As系统储存可用能Ad不可逆性损失可用能,2. 零维缸内热力学模型,2.2 基本微分方程,图2-2 柴油机火用平衡示意图,2.3 火用值求解,A I and e= H- H0- T0 ( S- S0 ),气缸内工质火用计算需采用闭口系公式：,As= U- U0- T0 ( S- S0 ) - p0 (V - V0 ),式中: 0为环境状态；T 为工质温度; p 为工质压力; S工质为熵; V 为工质容积。,对于开口系和闭口系工质火用的计算，
6、需采用不同的计算公式。空气流入气缸和废气流出气缸所携带的火用需采用开口系计算公式：,工质的火用,2. 零维缸内热力学模型,图2-2 柴油机火用平衡示意图,式中: HLV、HHV分别为燃油低热值和高热值; mf 为燃油质量; H、C、O、S 为燃油中的氢、碳、氧和硫的质量成份。,燃油的火用与燃油的热值和燃油成份有关，对液体燃料，常采用信泽寅男近似公式或Rant近似公式:,燃油的火用,2.3 火用值求解,2. 零维缸内热力学模型,图2-2 柴油机火用平衡示意图,求出各项可用能以后，应用火用平衡公式,求出不可逆损失dAd。在发动机的一个工作循环内进行积分，就可以得到缸内工作过程的Af、Ai、Ae、A
7、w、Aq、A 和Ad 值,活塞做功火用和传热火用分别用以下公式计算:,活塞做功和传热的火用,？,2.3 火用值求解,2. 零维缸内热力学模型,在以上方程中还有未知量,是否可以开始火用的计算？,2. 零维缸内热力学模型,图2-2 柴油机火用平衡示意图,2.4 模型中变量求解,A I and e= H- H0- T0 ( S- S0 ),气缸内工质火用计算需采用闭口系公式：,As= U- U0- T0 ( S- S0 ) - p0 (V - V0 ),式中: 0为环境状态；T 为工质温度; p 为工质压力; S工质为熵; V 为工质容积。,对于开口系和闭口系工质火用的计算，需采用不同的计算公式。空
8、气流入气缸和废气流出气缸所携带的火用需采用开口系计算公式：,工质的火用,未知,2. 零维缸内热力学模型,图2-2 柴油机火用平衡示意图,式中: HLV为燃油低热值; mF 为燃油质量; H、C、O、S 为燃油中的氢、碳、氧和硫的质量成份。,燃油的火用与燃油的低热值和燃油成份有关，对液体燃油，常采用信则(日)近似公式:,燃油的火用,未知,2.4 模型中变量求解,2. 零维缸内热力学模型,图2-2 柴油机火用平衡示意图,求出各项可用能以后，应用火用平衡公式,求出不可逆损失dAd。在发动机的一个工作循环内进行积分，就可以得到缸内工作过程的Af、Ai、Ae、Aw、Aq、A 和Ad 值,活塞做功火用和传
9、热火用分别用以下公式计算:,活塞做功和传热的火用,？,未知,2.4 模型中变量求解,2. 零维缸内热力学模型,式中: m 燃烧品质指数； 瞬时曲轴转角； B 燃烧起始角;E 燃烧终止角； z= E- B,各曲轴转角下的燃料瞬时燃烧量用单Wiebe函数计算：,燃料瞬时燃烧量,2.4 模型中变量求解,2. 零维缸内热力学模型,一角速度；hw一瞬时平均换热系数；Ai一换热面积；T一气缸内工质瞬时温度；Tw壁面的平均温度。,工质向气缸盖底面、活塞顶面和气缸套表面等燃烧室诸壁面的换热量Qw是能量守恒方程中的一部分。根据工质对燃烧室周壁面的瞬时平均换热系数hw:和壁面的平均温度Tw,可以计算出Qw。公式如
10、下:,缸壁瞬时传热量,2.4 模型中变量求解,2. 零维缸内热力学模型,式中：、 分别为零维缸内传热系数kcal/(m2h)和速度m/s； 为缸套直径m；为活塞的平均运动速度m/s；为倒拖工况的缸内压力kpa/cm2；、分别为进气门关闭时刻缸内气体的压力kpa/cm2 、体积m3和温度K；为气缸工作容积和的取值为：在换气过程，.18m/s，；在压缩过程，2.28m/s，；在燃烧和膨胀过程，2.28，3.24-3.,对于缸内瞬时传热系数的计算，有很多的经验公式，例如：Woschni公式、Hohenberg公式、bargende公式等，一般采用Woschni公式来计算工质与气缸周壁之间的瞬时传热系
11、数。,缸壁传热系数,2.4 模型中变量求解,2. 零维缸内热力学模型,Fabio Bozza 等对一台涡轮增压柴油机的工作过程进行了能量火用分析计算，得到了系统内各个曲轴转角下工质的火用值和瞬时火用：,Fig.3-1 Development of the integrated and instantaneous values of terms in energy and availability balance,3. 计算结果,能量分析法,火用分析法,3. 计算结果,表3-1 可用能平衡和能量平衡(基本工况),毕小平等人对一台直喷式12150L型柴油机的工作过程进行了能量火用分析计算，得到如下结果：,在燃烧过程中,由不可逆性所造成的可用能损失很大，这是由于在燃烧过程中，燃料的雾化及与空气的混合，燃料燃烧和燃料燃烧产生的热量由高温火焰向气缸温度较低的工质温差传热等不可逆因素造成的，因此要提高发动机的效率，减少可用能损失，就必须尽量减少燃烧过程可用能损失。,3. 计算结果,图3-2 缸内各项火用值变化率,表3-2 燃烧过程火用损失,1、提高燃料燃烧时刻的温度2、提高燃料燃烧过程的平均温度,3. 计算结果,降低缸内不可逆损失的主要方法,谢 谢！,4. 感想与疑惑,
