内燃机节能技术的热力学-研究

内燃机节能技术的热力学研究宁飞(华北电力大学科技学院河北保定071000)摘要:本文主要通过研究内燃机的热力学模型，找出了限制内燃机效率的主要因素主要有：温差传热、压力差、化学势不平衡以及摩擦，得出输出功率和热效率之间的关系。通过分析有效能损失的原因，我们提出了内燃机的改进方法，证明了增压技术，高压共轨技术、稀薄燃烧技术等现代节能技术在理论上的可行性，并对这些技术进行了相应的探讨。从节省燃料提高内燃机的效率出发，达到节能的目的。关键字:节能、热力学、有效能、高压共轨技术、稀薄燃烧技术ThermodynamicStudyonInternalCombustionEngineEnergy-savingTechnologyNingfei(NorthChinaElectricPowerUniversityofScienceandTechnologyHeBeiBaoDing071000)AbstractThepaperaimsatresearchingthemodelofinternalcombustionengine.wegetthemajoraspectsoflimitinginternalcombustionengine’sefficiency,includingheattransfertemperaturedifference,pressuredifference,theunbalancedchemicalpotentialandfriction，obtainingtherelationshipbetweenoutputpowerandthermalefficiency.Throughanglicizingthereasonofavailableenergylosing,weproposeinternalcombustionengine’simprovementmethod,provingthemodernenergy-savingtechnologies,suchassuperchargingtechnology,high-pressurecommonrailtechnologyandleancombustiontechnology,arefeasibleintheory,andmakecorrespondingdiscussionsaboutthosetechnologies.Fromtheaspectsofsavingthefuelandimprovinginternalcombustionengine’sefficiency,achievingthepurposeofenergy-saving.KeywordEnergy-saving,Thermodynamics,Availableenergy,High-pressurecommonrailtechnology,Leancombustiontechnology.背景介绍随着我国经济增长对能源的需求日益增大同不可再生能源短之间的矛盾日益突出，节能成为了我国必须面对的重大问题。内燃机作为动力工业的基础，承载着经能源转化为工业产值的使命，其重要的政治、经济、和军事地位不可小觑。在未来20年内，内燃机仍然是各种机械的主要动力，随着对石油的需求量越来越大，内燃机的节能成为我国急需解决的问题。近几年，我国通过技术引进和技术改造，内燃机技术已经有了长足的进步，走上了健康发展的道路。内燃机是当前应用最广泛的动力机械，尤其在汽车动力中占据主要地位[1]。然而，以现有的内燃机指标评估，燃油中60%左右的能量没有得到有效的利用，而以余热的形式排放到大气中，造成了巨大的经济损失和严重的环境污染。从目前的情况来看，内燃机仍然是21世纪最常用的动力。节能与环保的要求会进一步促进内燃机技术的进步。内燃机技术是涉及声、光、热、电、磁等多学科的综合技术。它的发展是以这些基础学科发展为基础的，它直接关系到国防、交通、能源、农业及许多国民经济部门甚至人们的日常生活。内燃机工业不强大起来，我们的整个国家工业就不可能强大。即便在人类已经迈入信息社会的今天，内燃机产业仍将以其重要的政治军事意义、极高的经济价值和汇集众多高新技术于一身的特征成为世界大国保持综合国力优势的主导和关键产业。因此，提高我国的内燃机技术水平，发展内燃机工业具有十分重要的政治、军事和经济上的作用。我们除了尽一切努力，缩小和世界先进水平的差距，迎头赶上之外，别无选择[2]。1．模型假设◆工质是理想气体；◆工质的比热容是常数；◆组成循环的热力过程是可逆的；◆循环由无限热源向工质加热的过程、等熵的压缩和膨胀过程及向冷源放热过程所组成。2．内燃机热力学模型热力学第二定律[4]给出了定量描述能量品位的物理量有:熵和有效能。其中有效能考虑了热力系统的外界条件，完善地处理了进、出系统的能量与环境状态的关系。因此，用有效能的概念分析研究热力过程中热能的有效利用，是比较完善的方法。所谓有效能，是指热力学系统从某一给定的初始状态达到与环境相平衡的状态时可能作出的最大功。2.2卡诺循环在稳定的流动系统中如图图1内燃机热力系统示意图工质从高温热源下获得热量1Q，向低温热源0T(环境温度，也可称为冷源)放出热量0Q，0Q作为将无序能转换为有序能的补偿条件成为废热散失于环境中。从而系统从高温热源吸收的热量1Q与废热0Q之差就是有效能uQ，它可对外做出最大功[3]。用数学式表述如式(1):10uQQQ(1)将有效能的概念推广到稳定流动系统(见图1所示)，则有效能的定义可描述为:1H，1S，1T，和2H，2S，2T分别为流进和流出系统的焓、熵和工质的绝对温度。从进口到出口所进行的热力过程认为是可逆过程，并设稳定流动系统在过程中所放出的热量Q是在温度为T的微小区间内进行的。如果在温度为T和环境温度0T之间设置一卡诺循环热机，这样热量Q可视为稳流系统与环境之间卡诺机从高温热源T所获得的加热量，从克服了温差传热造成的过程的不可逆，而回收卡诺机对外所作的净功W。这样系统对外作出的最大功maxW为系统对外所作的轴功SW与卡诺机对外所作的净功0W之和。即:max0(2)式中0W:卡诺机对外所作的净功，WS:稳定流动系统对外所作的轴功。根据可逆过程熵的定义可知，该稳定流动系统熵的变化为:0QST(3)外界(环境)熵的变化为:0000QST(4)再根据过程为可逆的假定，可知系统与外界的总熵变化为零。即:0SS0(5)将式(3)和式(4)代入(5)得000QQTT000QQTTST(6)这样稳定流动系统的能量平衡关系为:12max0HHWQ(7)稳定流动系统所做出的最大功为:max1200()WHHQHTS(8)根据最大功的定义可知maxW与稳定流动系统有效能的减少量相等。即:21maxAAAWmaxAW将式(8)代入得0AHTS(9)式中:1A:流进系统的有效能，2A:流出系统的有效能，A:有效能的减少量。从式(9)可知，因H，S为状态参数，故有效能也是状态参数，当系统的状态一旦确定，则有效能即为确定的数值。结论有效能与质量、能量不同。这是因为一切实际过程均为不可逆过程，由于不可逆因素的影响，有效能在过程中必然要发生损失，而这种损失根本不可能转变为相当数量的功。因此，可以相对于熵增原理得出有效能哀减原理:有效能在热力过程中只会减少，不会增加，在极限情况下保持不变，有效能增加的过程是不可能发生的。热的有效能损失与热源、冷源及受、放热流体的温度有关。当热源和冷源的温度一定时，则有效能是受、放热流体温度的函数，而流体的温度又是其所处绝对压力的函数。所以当热源和冷源温度一定时，可以通过改变流体的温度或压力的方法来改变流体热利用线的温度水平，消除最小温差点，达到最佳小温差传热，增加热回收，减小有效能损失。2.3柴油机可用能非增压柴油机的可用能平衡计算包括:计算过程中可用能的损失、冷却可用能损失、排气可用能损失、空气动力学损失及机械损失等，在此基础上计算其可用能的效率[5]。2.3.1混合循环燃烧过程的可用能损失(1e)(1)取燃烧过程出中有效热量系数，燃烧过程由等容过程和等压过程组成，在整个过程中的可用能损失为：00'10[]()()yzzcyVmypmzyTTdqdqTTecTTcTT(10)因为//zczcTTpp(压力升高比)//zczcTTpp(初膨胀比)所以'0101111()()1()()(1)(1)nnnnyczyczTlklTlkleTTkTTTkT(11)(2)膨胀过程中的可用能损失膨胀过程中的平均温度为：22122212[()1]1()(1)nbnnnnkTnTlkl(12)221002''11222(1)[()(1)](1)[(1)]1nznnzFnFbTTlkleTenkeTn(13)延烧过程总的有效能为'''111eee(14)2．3．1膨胀过程的冷却损失等熵膨胀过程的冷却损失为000212200022(1)(1)(1)(1)''(1)[()]1(1)(1)bzFnzFgbVmbznzFTTeLcdTTTecTnkLcTTTlTnTTc(15)等压膨胀过程和等熵膨胀过程的的冷却损失不同，两个过程的换热强度相同但传热面积不同，，需要乘以系数1()进行换算。整个膨胀过程冷却的有效能损失为2211''''(1)ee(16)冷却有效能的损失为222'''eee排气损失为0030000(1)(1)(1)[()]bgpmzFgrpmrnFTLcdTTecTLcTTTlTc(17)空气动力学损失进气节流损失0'04'bangFpLTARLpec(18)排气损失为444'''eee(19)机械能损失为5632()ieeeFNNeNge(20)有效能效率为632eeFNBe(21)柴油机中的可用能损失见下表表1-1可用能损失损失项目燃烧排气传热空气动力机械摩擦总计可用能转换效率占燃烧可用能百分数%2.2514.413.54.74.859.940.12.4热力循环有限时间热力学分析采用可逆模型，将有限时间热力学分析方法应用于热力循环的研究，可找出性能指标极值间的关系及实现最佳指标的热力过程参数。对于混合加热循环，假设用工质的当量温度为cpT的可逆等温膨胀过程和工质与高温热源间的热传导过程来代替循环中的定容定压循环过程;以工质的当量温度cT的可逆等温压缩过程和工质与低温热源间的热传导过程来代替循环中的定容放热过程。因此，当工质为理想气体时，在上述过程中吸入的热量和放出的热量分别为12ln()ln()kcpVkcVqTcqTc(22)根据热传导定律，在吸热和放热过程中，从高温热源吸收的热量和释放给低温热源的热量分别为12()()HcpcLqatTTqatTT(23)发动机的循环输出功率可表示为12()(1)()()()1LHcpcpHLHqqPtbTaTTbabTaTTabTab(24)上式为混合加热循环应用有限时间热力学分析方法得到的发动机输出功率与热效率之间的函数关系式。3．高效内燃机节能技术3.1增压技术所谓内燃机增压就是增进进入内燃机气缸之前的空气压力，即增加进气密度。这样可以提高内燃机功率，因而也就提高了整机功率。增压技术在内燃机上的应用时内燃机发展进程中的一次突破性的技术进步[6]。提高内燃机有效功率的措施有：■增加气缸排气量，即增加气缸的工作容积或气缸的数目■增加转速，即提高活塞的平均速度。■增加平均有效压力采用增压的方法除了能够提升内燃机的工作效率以外，还能够使增压柴油机单位功率的重量和尺寸相应的减少；内燃机单位功率的造价降低，特别是大型柴油机尤为显著；