考虑热阻时发动机理论循环分析

2 0 0 0年第 2期 内燃机工程 考虑 热阻时发动机理论循环分析 盟(昆 明理工 大学)哪 2 de An a l y s i s wi t h He a t r e s i s t a n c e u nd e r c o n s i de r a t i o n zi Ku n W a ng Gu i y o n g (K u n m i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y)Ab s t r a c t On t h e b a s i s o f e n g i n e f i n i t e t i me t h e r mo d y n a mi c mo d e l o f mi x e d h e a ti n g u p c y c l e i n c o n s i d e r a t i o n o f o n l y t h e h e a t r e s i s t a n c e，t h e f u n c t i o n a l r e l a t i o n s b e t w e e n e n gin e o u t p u t，h e a t e f fi c i e n c y a n d c y c l e p a r a me t e r s e c，口，。h a v e b e e n e s t a b l i s h e d Ac c o r d i n g t o t h e s e r e l a t i o n s，c a l c u l a t i o n wo r k h a v e b e e n c a r r i e d o u t o n a d i e s e l e n gin e T h e c a l c u l a t e d r e s u l t s s h o w t h a t t h e f i n i t e t i me t h e r mody n a mi c s c a l l r e fl e c t e n gin e s r e a l c y c l e mo r e p r o f o u n d l y t h a n the t r a d i t i o n a l t h e rm ody n a mi c s 摘要根据发 动机仅考虐热阻时，其混合加热循环 的有限时间热力学模型，建立了发动机输 1 概 述 Ca l c u l a t i o n Th e r m o d y n a mi c S y s t e m Di e s e l En g i n e 主 要符号 说 明 P 发 动机输 出功 率 发动机 热效 率 发动机 进气 终点 温度 传热 系数 压 缩 比 。压力 升 高率；p。初 始膨 胀 比 等 熵指数 对 于活塞式 发 动机 的热力循 环，长期 以来 一直将 其 简化 为理论 循环进 行 分析 研究，认为循 环 是一个 可逆 的循 环过 程，由此 得 出循 环的热效 率 输 出功 与循 环 参数 之 间的关 系，进 而分 析他 们之 问 的相 互 影 响。这 种 传 统 的分 析方法，认 为过 程进行 得无 限缓 慢，过 程所 花费 的时 间 无限长，即发 动机 输出功 率 为零，这显然 与实 际不 符。加拿 大学者 C u r z o n首先 论述 了有 限 时间热力 学 概 念，提 出在 有 限时 间 内循 环 优化 的 阃 题。应 用 有 限时 间热力学 理论 对二 热源热 机 和 内燃 机 理论 循 环 进 行 了理论 分 析l 2 J，并导 出 了一 般 关 系式。作者 应 用 有 限时 间热力 学 理论，对发动 机理论 循 环进行 了分 析 并与传 统 的热力学 分析 进 行了 比较。结果 表 明：有 限 第 1 作 者訾琨昆 明理 工 大 学昆 明 市环 城 东路 2 5 5号邮 缩：6 5 5 收软盘稿日期：2 O O O O I 一2 4 维普资讯 http:/ 2 内燃机工程 2 0 0 0 年 第 2期 时 问热力学 理论应用 于 发动 机理论循 环 分析 与传统 热力 学分析 相 比，更 接近 于实 际发动 机循环=2 考虑热阻时发动机理论循环 为分 析 简便，采用仅 考 虑热 阻时 的有 限时间热 力 学模 型，并认 为 工质 与热源 问 的传 热 服从牛 顿定 律。2 1 发动机输 出功率与热效率问的关系 应用 以上模 型，对于发 动机 混 台加热 循 环，可 简 化为：以工 质 的 当量 温 度 为 的 可逆 等 温 膨 胀过 程 和 工 质与 高温热 源 问的传 热过程 来 代替循 环 中的定 容 和定压 吸热过 程；以工 质的 当量温度 为 的 可逆等 温压 缩过 程 和工质 与低 温热 源问 的传热 过程 来代替 循环 中的定容 放热 过程。由此 可以 得到在 吸热 和放热 过程 中，从 高温热 源 吸收和传蛤 低 温 热源 的热量分 别为 g =h p f p(T n一 )g 2=t (T L)(1)(2)式 中h 、h 分别 为 吸热 和放 热 过程 中的传 热 系数，在 内燃 机 循 环分 析 中，常取 h。=h ，分 析 中用 h表示；、各为 吸热和 放热 过程 所经历 的时 问，若令 一个循 环 的时 问为 f，则 可认 为 f =m，=b t，其 中 d、6均 为 小 于 1的常数；T 日、T L 分别 为高低 温 热源温 度并 且有 TH 。TL 由式(1)、(2)及 热力 学 公式，根 据输 出功率表 达式 和 热效 率 日表 达式 Pq l-q 2 (3)=1 一 (4)q 2 可以导 出发动 机 理论循 环输 出功率 P 和热效 率 为 P=(1 一 )(5)7：1 lL(6)7 一 由式(5)、(6)消去 后，得到输 出功率 P与热 效率 之 间的 函数关 系式 P=()7 (7)以上式(5)、(6)、(7)即为 仅考 虑发 动机存 在 热 阻这 一不 可逆 因 素时，发 动 机 理论 循 环 的输 出功 率，热效 率 以及他们 之 间的 函数 关 系表达 式。由式(5)可导 出，当 d、6、h、T 日、T 为常 数 时，P有 极 大值=r“(一 )2 2 当量温度 T o p 与循环参数之间关系 应用式(5)、(6)、(7)式分析发动机理论循环中循环参数对输出功率和热效率的影响时，必须要 寻找循环 参数 E ，P。与输 出功 率、热效 率之 间 的 函数 关 系。利 用 热力 学 公 式，在 考 虑循 环 为 内可逆 的条件 下 可导 维普资讯 http:/ 2 0 0 0年第 2 期 内燃机工程 出以下关 系式：若 发动 机理论循 环 为混 合加热 循 环，则 有 (9)若 发动 机理论 循 环为狄赛 尔循 环，则有 t “(1 0)若发 动机 理论循 环 为奥托 循 环，则有 _ E )将 式(9)，或式(1 0)，或式(1 1)分 别代人式(5)，就 可得 到 表 示发 动机 不同理 论 循环 的辅 出功 率 P与发 动 机循环 参数 p。之间 的关 系式。3 实验 结果殛 两种热 力 学分 析的 比较 当某 柴 油机转速 为 3 0 0 0 r m i n，辅 出功 率 为 4 3 6 k W 时，对各 参 数进行 了测 试，根据 测 试结 果 进 行 了计 算 分析。3 1 有限时间热力学分析 应用导 出 的公 式对 测试结 果进 行计 算分 析，计 算 结 果 反 映 了发 动 机输 出功率 比 P P 、发 动 机 热效 率 与循 环参 数压缩 比 ，压 力 升高率 p、初始 膨胀 比 P。的关 系如图 1、2、3实线 所示。嘎 图 l 压 缩比 E 对输 出功率 P和热效 率 的影响 一一一一传 坑热 力 学 算 一有 限时间热 力学计算 图 2 压 力升高率 。对输出功率 P和热效 率 的影响 一一一一传统热力学计算 有限时间热力学什算 由压缩 比 e 对 输 出功率及 热效 率 的影 响 曲线 可看 出，当压缩 比变 化 到某 一 数值 时，柴 油 机输 出功率 有 最大值，但此时柴油机的热效率则较低。随着 e 的增大热效率上升，输出功率则下降。由曲线 变化可发现 当 为 l 42 0时，热 效率 与输 出功 率可 以兼顾。由压 力升高 率 对输 出功率 及热 效 率的影 响 曲线可 看 出 当 变化 到某 一数 值 时，对应 柴 油机 的输 出 功率 壤大，但输 出功率 随。的变化 与 随 的变 化 比较 要 平缓 一 些。热 效率 随。的 变化 是 单调 的升 高，变 化 幅度较 小，变化 范 围为 1 72 2对，输 出功率 及热效 率都 较 为理想。计算 表 明，柴油 机辅 出功率 随 p。的增 大 而减 小，热 效率 随 P。的增 大 而 增大，变 化 较 为平 缓 由变化 曲 维普资讯 http:/ 4 内燃机工程 2 o 0 0年第 2期 线看出 p。在 1 1 1 5之间变化时，热效率与输出功率可 以兼顾，是 比较理 想 的。以上分折 得 出的结 果与柴 油机统计 资料_ 3-基本 吻 台，从 而证 明 了应 用 有 限 时 间 热力 学 分 析 发 动 机 理 论 循 环 得 出的结论更 加 接 近于发 动机实 际循 环。3 2 传统热力学分析 由传统 热力 学 对发 动机 混 台加 热循 环 的分 析 表 明，发 动机热效 率为 一士(I2，而 输 出功率不 能用 解析 关系式 表达 出来。由压缩比 对热效率的影响曲线可 以看出，在压缩 比的变化 范 围内，与 有 限 时1 7 热 力 学分 析相 比，热 效 率变 化平 缓，但 一 直处于 较 高的位 置上。图 3 初始膨胀 比 对输 出功率 P和热 效率 可的影响 一一一一传坑热力学计算 唷 阻时间热力学计 算 压力升高率。与初始膨胀 比 p 对热效率的影响很傲弱，在 和 P 的整个变化范围内，热效率变化幅 度很 小。由以上对比可以看 出：对于发动机输出功率，传统的理论循 环热力分析不能用解析关系表示 出来，因此 循环 参数 、p 对 发 动机输 出功 率的影 响 不能 通 过 关 系式 反映 出来。而 有 限时 间 热 力 学对 理 论循环 的 分折 清 晰的表 明 了各循环参 数 对发 动机输 出功 率 的影响。对于发动机热效率，由计算结果可以看 出，传统的理论循环热力分析得 出的热效率值与实际发动机 的热 效率 值相 差较大，循 环参数 对热 效率 的影响 程度 也很 小，而 有 限时 间热力学 对理 论 循环的分 析得 出的发 动 机 热效率值与实际发动机热效率值很接近，反映出的循环参数对热效率的影响较为明显，如表所示。4 结 论 表发动机几 种热效率比较、墨 莞 发 面 机 宴 捌 热 敬 率 有限 时 间 热 力 学 传 统 热 力 学 发动机工况、计算热敢宰 计算热敢事 转建，3 0 0 0 r ra i n 0 4 2 O 4l O 6 8 旨出 功 率，4 3 6 k w 对 于发 动 机理论 循环应 用 有 限时间热 力学分 析 与传 统 的热 力 学分析 相 比，所 得 的结果 与实 际发 动 机更 接近，反映 的发 动机循 环 内在 规律与 统计 资料吻台 较 好。有 限 时 间热力 学分 析 反 映 了理论 循 环 传统 热 力学 分析 不能 反映 的发 动机 输 出功 率这一 重要指 标，揭 示 了输 出功率 与循 环参 数 P。之 间的 关 系。如 文献 5 所述，有限时间热力学理论正愈来愈广泛地应用到各种热力循环分析中，并取得 了令人瞩目的进展。幢 索 号 N G 2 0 0 0 1 9 参考文献 C u r z o n F L E ff i c i e n y o f a C a l n O t E n g i n e a t Ma x i mu m P o w e r C u t p u 1 A m J D h y s，1 9 7 5，4 3：2 22 4 严 子浚二热源机的输 出功率与热效率 问的关 系 内燃机学报，1 9 8 7(4)：3 4 4 1 周龙保 主编 内燃机学机械工业 出版社 I 9 9 9，6 訾琨汽车发动机热 力学 分析及优化 云南科技出版社 1 9 9 7 7 陈林根、孙丰瑞、陈文振能 量系统有限 时间热力学 的现状和 展望 力学进展，1 9 9 2(4)：4 7 9 4 8 6 维普资讯 http:/