（动力工程及工程热物理专业论文）燃料特性对火花点火发动机运行性能的影响.pdf

e n g i n ep e r f o r m a n c e at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l i h u i j i e s u p e r v i s o r ：a p r o f f e n gh o n g q i n g t h e r m a le n e r g ye n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：丛垒日期：咖年r 月么日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：主丝 指导教师签名：；当i 笙盘 日期：功加年，月j 日 日期：却p 年厂月心日 动机的运行工况 模型、燃烧产物 化学平衡计算模型等) 。以热力学第一定律和湍流火焰传播速度模型为基础，应用可用 能分析方法来研究火花点火发动机燃烧过程的热机械可用能、化学可用能、燃烧可用能 损失以及传热可用能损失的变化规律。本研究分析各工况条件和边界条件等对工作过程 不可逆损失的影响规律，尤其是不同燃料组分对系统可用能、可用能效率和不可逆损失 的影响。研究考虑两种情况：汽油燃料的替代燃油组分；汽油燃料中掺氢。 利用建立的模型对发动机的燃烧特性进行变参数研究，确定火花点火发动机的主要 运行参数( 压缩比，掺氢比，空然比，点火定时和燃烧持续期) 对优化发动机运行实现 低不可逆性所起的作用。通过研究可以深入的认识降低发动机不可逆性和提高热效率的 潜力，以便在实际应用中充分发挥代用燃料的优点，使火花点火发动机获得更高的热效 率、较低的不可逆性和低排放，为提高发动机的运行性能提供参考。 关键字：火花点火发动机；替代燃油组分；燃烧；可用能；不可逆 i n s t a n t a n e o u sh e a tt r a n s f e rm o d e la n dt h ee q u i l i b r i u mc o m b u s t i o np r o d u c t i o nm o d e le t c b a s i n go nt h ef i r s t - l a wo ft h e r m o d y n a m i c sa n dt h et u r b u l e n tf l a m ef r o n ts p e e dm o d e l ，t h e v a r i a t i o n so ft h e r m o m e c h a n i c a la v a i l a b i l i t y , c h e m i c a la v a i l a b i l i t y , a v a i l a b i l i t yd e s t r u c t i o nd u e t oc o m b u s t i o na n da v a i l a b i l i t yd e s t r u c t i o nd u et oh e a tt r a n s f e rr a r es t u d i e dt h r o u g ht h em e t h o d o ft h ea v a i l a b i l i t ya n a l y s i s t h es t u d ya l s oa n a l y z e st h ee f f e c t so fw o r k i n gc o n d i t i o n sa n d b o u n d a r yc o n d i t i o n s0 1 1t h ea v a i l a b i l i t yd e s t r u c t i o nd u et oi r r e v e r s i b i l i t yd u r i n gc o m b u s t i o n p r o c e s s ，e s p e c i a l l yt h ed i f f e r e n tf u e lc o m p o s i t i o n s t h i sp a p e rm a i n l yc o n s i d e r st h et w ok i n d s o fs i t u a t i o n s ：s u r r o g a t ef u e lc o m p o s i t i o n sf o rg a s o l i n ea n dh y d r o g e nb l e n d i n g t h ed e v e l o p e dm o d e li sa p p l i e dt o s t u d yt h ee f f e c t so ft h ed i f f e r e n te n g i n eo p e r a t i o n p a r a m e t e r s ( c o m p r e s s i o nr a t i o n , f u e lm i x t u r e so fh y d r o g e na n dg a s o l i n e ，a i r - f u e lr a t i o ， i g n i t i o nt i m i n ga n dc o m b u s t i o nd u r a t i o n ) o nt h ec o m b u g i o np e r f o r m a n c e b yt h i sw a y , t h e e f f e c to fo p e r a t i o np a r a m e t e r so na c h i e v i n gt h el o w i r r e v e r s i b i l i t yo fe n g i n ec a nb ec o n f i r m e d t h r o u g ht h er e s e a l c h ，t h ep o t e n t i a lo fr e d u c i n gt h ei r r e v e r s i b i l i t ya n di m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c y o fe n g i n ec a l lb ed e e p l yu n d e r s t o o d i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，g i v ef u l lu s et ot h ea d v a n t a g e s o fa l t e r n a t i v ef u e l s ，s ot h a ts p a r ke n g i n ea c h i e v e st h eh i g h e rt h e r m a l e f f i c i e n c y , l o w e r i r r e v e r s i b i l i t ya n dl o w e re m i s s i o n s a l lo ft h e s ec a np r o v i d er e f e r e n c e sf o ri m p r o v i n gt h e e n g i n ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：s p a r ki g n i t i o ne n g i n e ，s u r r o g a t ef u e l c o m p o s i t i o n s ，c o m b u s t i o n ， a v a i l a b i l i t y , i r r e v e r s i b i l i t y 1 1 1 1 5 6 6 1 3 2 新型发动机热力学研究9 1 - 3 3 研究存在的问题l o 1 4 研究目的和内容1 1 第2 章内燃机的代用燃料和稀薄燃烧技术1 2 2 1 选择代用燃料依据12 2 2 各种代用燃料的特点1 2 2 2 1 液体代用燃料。13 2 2 2 气体代用燃料13 2 3 汽油机稀薄燃烧技术1 4 2 3 1 汽油机稀薄燃烧的特点1 4 2 3 2 汽油机稀薄燃烧技术的分类l5 第3 章内燃机燃烧过程模拟研究18 3 1 燃烧模型的发展l8 3 2 准维双区燃烧模型2 0 3 2 1 模型的简化和假设2 0 3 2 2 模型基本方程21 3 2 3 燃烧放热模型2 3 3 2 4 几何模型计算子模型2 5 3 2 5 瞬时传热子模型2 7 3 3 工作介质物性参数计算2 8 3 3 1 已燃气体组分的计算2 8 3 3 2 气体组分热力学参数的计算3 2 第4 章热力学第二定律分析模型3 3 4 1 可用能平衡方程3 3 4 1 1 可用能项的定义3 3 4 1 2 化学可用能。3 3 4 1 3 可用能平衡方程3 5 4 2 可用能各项具体数学模型3 6 第5 章燃料特性对发动机性能的影响3 9 5 1 替代燃油组分对发动机性能的影响3 9 5 2 模拟结果及分析4 0 5 3 运行参数对可用能的影响4 4 5 4 掺氢对发动机性能的影响4 6 5 4 1 汽油机掺氢燃烧4 6 5 4 2 掺氢对发动机的影响分析4 7 第6 章n 仇排放的分析5 3 6 1n q 生成的分析5 3 6 1 1n q 的生成机理和计算模型5 3 6 1 2c h e m k i n 模拟计算5 4 6 2 模拟结果及分析5 6 结论5 9 参考文献6 0 附录a 6 4 附录b 。6 7 攻读硕士学位期间取得的学术成果6 9 致谢7 0 在交通 为人们 但随着 长，我 国的汽车工业在最近一段时间经历了前所未有的高速发展。中国市场研究网的统计数据 表明，1 9 9 5 年我国的汽车保有量仅为1 0 4 0 0 2 万辆，之后几乎每年都以较快的速度在增加， 至u 2 0 0 2 年，全国的汽车保有量就已经突破2 0 0 0 万辆大关，达至u 2 0 5 3 1 7 万辆，2 0 0 6 年则达 至u 3 8 6 0 万辆，据国务院发展研究中心公布的数据表明，至u 2 0 1 0 年中国的汽车保有量将达 到5 6 6 9 万辆【l 】( 图1 1 ) 。 - 、 铎 r 咖! 祀 账 年份 图1 - 1 中国汽车年保有量 f i g 1 - 1c a ro w n e r s h i pi nc h i n a 内燃机是汽车的心脏，汽车工业的飞速发展必定会对内燃机的发展提出更高的要 求。图1 2 给出1 9 9 0 年至2 0 0 3 年中国发动机的历年总产量，包括汽油机和柴油机的历年 总产量。从图中可以看出，9 0 年以后我国的发动机总产量逐年递增。进入新世纪以后， 在高速发展的汽车工业的带动下，我国的发动机产量更是呈现高速增长的趋势。权威机 构数据显示，2 0 0 3 年全国内燃机总产量达n 4 6 亿k w ，其中汽车内燃机产量达到2 8 亿 第l 章绪论 k w ，占内燃机 4 5 0 毒o o ；口汽油机_ 柴油机总产量 ，：，二 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 | 1 5 0 ；一| 一 l 飞习习雪寻冒 5 0 o l 多多o1 9 9 l1 9 9 21 9 9 31 9 9 - i _l 鳕j1 9 9 61 9 多1 9 9 s1 9 9 9二0 2 l2 0 9 2 2 9 0 3 r - - 3 汽油机毒2 65 1 5_ 毒9 9 0 3s 9 21 0 3 21 1 0 5l l _ 21 2 3 1 1 2 8 31 气卮1 - s 12 0 2 1 一1 _ 柴油机1 3 51 1 2 2 13 毒9毒6 ；z 6 毒5 l5 2 05 1 1 5 3 96 1 2 s _ l 91 0 。5 + 总产量 5 6 27 3 上9 -1 2 5 21 3 5 si 0 9 61 6 1 61 6 9 6l _ 毒s1 8 2 22 1 3 s 2 3 5 13 0 63 8 4 g 图l - 2 中国历年发动机产量( 万台) f i g 1 2c h i n a se n g i n ep r o d u c t i o no y e l t h ey e a r s ( m i l l i o nu n i t s ) 社会的进步和发展与内燃机工业的发展是密不可分的，内燃机带给我们便捷的生活 和丰富的物质文明，但同时也给我们带来了环境污染和石化能源短缺的问题。因此，内 燃机工业的发展也遇到了空前的挑战。 ( 1 ) 化石能源短缺 石油资源是目前世界上最重要的一次能源。世界石油剩余探明可采储量为1 4 1 3 亿 吨，按照2 0 0 1 年的产量水平还可以持续开采4 0 多年，虽然每年新探明的石油储量还在增 加，但其增长量毕竟有限，而且新探明的石油资源大都在沙漠、地球深部、海洋底部及 严寒地区，这使得石油的开采难度和费用越来越高，因此可以肯定，在未来人类社会将 会面对世界石油资源枯竭的窘境。另外，随着全球内燃机保有量的不断增加，作为汽油 燃料供应的石油也已经成为世界的第一能源。我国人口众多，而化石能源储量相对较少， 人均能源可采储量远低于世界平均水平。从1 9 9 3 年起我国就已经成为石油净进口国，图 1 3 是中国近几年的原油产量和进口量，从图中可以看出，虽然近几年国内的原油产量 有所增加，但增长幅度不大，而且随着石油需求量的迅速增加，原油进口量也急速上升。 1 9 9 9 年原油进口量仅为0 4 3 亿吨，但2 0 0 5 年就达到了1 3 5 亿吨，其中从2 0 0 3 年开始，由 于中国汽车产量的高速增长，石油进口量增长幅度也明显增大，当年就有超过4 0 的原 油需要依赖进口，而交通运输行业消耗石油资源7 0 ，汽车在交通运输行业中消耗占 7 0 ，换言之，汽车行业消耗了将近5 0 的石油资源。据专家预测，2 0 1 0 年左右原油进 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 口量将超过国内的原油产量，达到2 4 亿吨【1 1 。我国除了每年石油消耗率不断增加，较低 的能源利用率是我国面临的另一个重要课题。 $ 廿 油量( 亿吨) 图l - 3 中国历年原油产量和进口量 f i g 1 3c h i n a sc r u d eo i lp r o d u c t i o na n di m p o r t so v e rt h ey e a r s 寻求代用燃料和新型能源是缓解石化能源危机的有效办法，例如，甲醇、乙醇、氢 气、天然气、太阳能、电能等，其中压缩天然气( c n g ) 和醇类燃料是目前应用比较成功 的例子，但是专家预测，未来几十年内，化石能源，尤其是汽油、柴油仍然是车用发动 机的主要燃料来源。内燃机工业的迅速发展面临着化石能源短缺的挑战，因此，进一步 提高燃烧品质和内燃机的能量转化效率，降低单位功率的燃料消耗量对未来内燃机工业 的发展具有重要意义。 ( 2 ) 大气环境污染 汽车排放的尾气是造成大气环境污染的主要污染源之一。汽车排放污染物主要有未 燃的碳氢化合物h c 、一氧化碳c o 、氮氧化物n q 和碳烟微粒p m ( 颗粒) 等。它们会破坏 臭氧层、产生温室效应以及酸雨等现象；而且会对人体的呼吸系统造成危害，使呼吸系 统的免疫力下降，导致慢性气管炎、支气管炎及呼吸困难的病发率升高、肺功能下降等 一系列症状，严重的甚至会致癌。为了缓解大气污染的压力，世界各国都制定了排放法规 标准来限制内燃机的排放量。虽然各时期标准的限制要求不相同，但随着时间的推移， 排放的制定标准越来越严格，这对内燃机的进一步发展既是挑战也是动力。 3 第1 章绪论 提高发动机的热效率、降低油耗和污染物的排放受到越来越多的重视。寻求比较清 洁的发动机替代燃料也是实现高效率超低污染燃烧的重要措施之一。随着内燃机技术发 展，寻找和开发新型的替代燃料来代替传统的化石燃料是必然趋势，与此同时也迫切需 要加大对内燃机燃用替代燃料的运行性能的研究力度，加快推动新型内燃机的发展。 传统的内燃机研究主要是针对内燃机的设计和运行等开展的，对于这些一般的性能 计算研究，采用热力学第一定律完全满足要求，也取得了很大的进步，建立了许多发动 机循环的模拟模型，但是热力学第一定律认为能量总量是守恒的，它只是从一种形式变 为另一种形式，而没有考虑系统中含有能量的品质。这就意味着在给定的状态下，不会 对确定系统产生有用功的潜能提供任何帮助，因此单用热力学第一定律去指导节能，必 然会把注意力集中到如何减少由泄漏和排放所引起的系统能量的损失。为了完善发动机 运行理论和详细了解其整个热力学过程，就需要采用热力学第二定律对系统进行分析。 热力学第二定律不仅考虑能量的数量还考虑它的品质，可以通过分析系统能量可用性来 度量系统能量品质优劣，通过计算不可逆性变化率来判断实际过程与理想过程完善程度 的差距。采用热力学第二定律对发动机进行研究，研究的重点就会集中放在技术上能利 用来作功的那部分能量上，通过对各因素对火花点火发动机的燃烧规律、动力性、经济 性、有害气体排放和发动机运行过程的可用能损失和不可逆性的影响进行分析研究，更 加深入地了解在降低不可逆性和提高热效率方面的潜力，以便在实际应用中，通过采用 一定的技术手段以及调节相关的运行参数，来减少系统内部的各种不可逆损失，如传热、 燃烧和流动等造成的能量贬值，即内部可用能损失，同时仍要考虑系统向外界泄漏和排 放的外部可用能损失，使火花点火发动机上获得高的热效率、低不可逆性和低排放。 因此，本研究在热力学第一定律和热力学第二定律耦合的基础上，采用可用能分析 的方法来研究火花点火发动机燃烧过程中热机械可用能、化学可用能和不可逆性变化 率，这样可以更详细的理解内燃机的整个燃烧过程。在研究中考虑了替代燃油组分和新 型燃料的因素。通过对火花点火发动机掺烧代用燃料后的燃烧规律、动力性、经济性、 有害气体排放以及结合热力学第二定律对发动机运行过程的可用能损失和不可逆性进 行分析研究，能更加深入地认识代用燃料在降低不可逆性和提高热效率的潜力，以便在 实际应用中，充分发挥代用燃料的优点，使火花点火发动机上获得更高的热效率、低不 可逆性和低排放，为代用燃料的推广应用打好理论基础。其结果可为代用燃料的开发应 用提供参考。 对新型燃料的研究可以深入地认识代用燃料在降低不可逆性和提高热效率的潜力， 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 以便在实际应用中，充分发挥代用燃料的优点，使火花点火发动机在实际运行中获得更 高的热效率、低不可逆性和低排放，为代用燃料的推广应用打好理论基础，其研究结果 可为代用燃料的开发应用提供参考。发动机系统的性能试验研究往往代价昂贵，有些研 究甚至是不可能的，在这种条件下，建模和仿真必然成为一种不可或缺的研究方法和工 具，具有重要的学术意义和实用价值。 1 2 可用能概述 采用热力学第二定律分析的方法进行研究，就需要引入可用能的概念。在一个给定 的热力学状态下，可用能是系统与它周围环境的热力学参数，它是系统通过可逆过程与 环境达到热力平衡、机械平衡和化学平衡时所得到的最大有用功量。可用能是一个广延 参数，它不仅与系统的状态有关还与环境参数有关，一旦系统与环境达到平衡，相互间 就不会再做功，可用能即保持不变。可用能与能量不同，不是守恒的量，会因为不可逆 过程造成损失。环境被指定为寂态，通过温度压力和组分来定义环境状态【3 】。 在系统进行可用能分析时，习惯上把系统可用能分成两部分：热机械可用能和化学 可用能，热机械可用能项是从给定状态可逆变化到约束寂态所得到的，而化学可用能项 则是由约束寂态可逆变化到寂态时得到的。 热机械能量可用能由系统和环境之间热与力的相互作用决定，是系统与环境经过可 逆过程达到热力平衡和机械平衡时系统所获得的最大有用功。这时系统的质量不变，与 环境没有化学反应，温度和压力与环境条件相刚引。 化学可用能是系统从约束性寂态可逆到达真正寂态时所能得到的最大有用功。它主 要由两种方式得到，一部分是由约束性寂态系统与环境中同时存在但分压力不同的组 分，经过可逆扩散过程变化到真正寂态时所得到的最大有用功。c h a v a n n a v a rf 5 】和c a t o n 6 1 把这一项叫做扩散可用能：另一部分是约束性寂态系统中组分，环境中不存在，系统组 分经过可逆化学反应生成环境中的组成物质时所产生的功，这些化学反应主要是燃烧物 质的氧化，例如燃料、c o 和h 的氧化，它占化学反应能的大部分。当系统中的物质不 会以任何方式与环境中的物质进行反应产生功，就达到了化学平衡。与燃烧释放的可用 能相比，扩散可用能非常小，在研究中是可以忽略的1 5 j 。本研究只考虑与燃烧有关的燃 料的反应可用能。 5 第l 章绪论 1 3 研究现状及存在问题 1 - 3 1 国内外可用能分析研究现状 在发动机模拟研究中，应用热力学第二定律已经做了许多重要的工作，对火花点火 发动机和压燃式发动机都进行了研究，c a t o n l 7 】已经对这些研究进行了讨论研究和总结， 最开始内燃机的研究范围只限定在燃烧过程。在内燃机可用能研究方面c a t o n 和 r a k o p o u l o s 的研究工作最具有代表性，而国内在这方面的研究很少。 d u n b a r 和l i o r 主要研究确定内燃机在定压燃烧的条件下各过程对可用能损失的影 响【8 】。研究采用绝热燃烧室内的定压燃烧，把整个燃烧过程分为燃料混合过程、燃料氧 化过程和能量传递过程，然后再估计这些过程的可用能损失，确定其对可用能损失的影 响，研究还考虑了氢气和甲烷这两种燃料。虽然这个方法不是一个严格的燃烧模型，但 是它可以合理的估计各子过程对燃烧阶段可用能损失的影响。研究还考虑各种燃烧室的 设计对燃烧不可逆的影响。研究结果表明内部能量的传递是不可逆的主要原因。研究结 果表明通过预热和压缩膨胀的方法使反应物在反应前达到平衡时的温度和压力就可以 实现可逆燃烧。r i c h t e r 和k n o c h e 9 1 详细的讨论了燃烧可逆反应的问题，研究利用金属 氧化物，通过估计一系列中间反应来实现整体的燃烧，也与定压、定容和等温燃烧的可 用能损失进行了比较，至少从理论来讲，这种方法可以用来确定燃烧阶段哪个过程更有 效，研究结果表明定压绝热燃烧可用能损失最大，等温燃烧可用能损失最小。 d a w 等人【lo 】提出了通过定压燃烧来降低燃烧可用能损失的方法，主要是研究在燃烧 过程中预热反应物对降低不可逆性的作用，同时也考虑了过量空气对不可逆的影响。研 究结果表明预热可以使温度升高，燃料燃烧更快，燃烧不可逆降低，过量空气也可以使 燃烧更快更完全，燃烧不可逆降低。但是有一些不可逆是由燃料与空气的混合引起的， 是不能完全被消除的。 a l a s f o u r 对掺混3 0 丁醇的汽油机进行研究，完成了单缸内燃机的可用能的分析l l ， 这个研究主要是通过实验的方法来确定当量空燃比变化对发动机的运行性能的影响。一 旦确定了发动机的运行性能，也就得到影响发动机品质的各个方面：制动功、摩擦功、 与冷却剂的传热量、排放废气所损失的能量以及其他没有考虑到的能量损失。a l a s f o u r 又用试验得到的结果来计算相关的热力学第二定律所对应的各项的值。研究发现丁醇一 汽油发动机在当量空燃比为0 9 的情况下，4 9 4 的燃料可用能没有用来做功；研究还 发现在稀燃情况下，热效率和可用能效率都会增加。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 r a k o p o u l o s 和g i a k o u m i s 1 2 】用循环模拟的方法来确定在不同的速度、负荷和压缩比 情况下内燃机的运行情况，r a k o p o u l o s 和g i a k o u m i s 把内燃机的许多附属结构也都考虑 在内，包括压缩机、涡轮增压器和进排气系统。研究结果表明燃烧的不可逆性随着压缩 比的增加而降低，这主要是因为压缩比提高使得当量空燃比升高。文章还研究了压缩点 火发动机在稳态和瞬态情况下发动机的能量和可用能的利用情况，本研究给出了发动机 速度、喷油量、负荷和扭矩等对发动机运行性能的影响，在较高喷油量的情况下，瞬态 运行时只要轻微增加喷油量就可以降低不可逆性。本文采用了计算机分析的方法估算六 缸涡轮增压后冷柴油机的总可用能和可用率的平衡，研究中忽略了化学分解反应，研究 中包括了从压缩机经气缸到涡轮机的整个过程中的各个设备，还包括进气和排气的整个 过程，研究结果表明有2 1 4 的燃料可用能以废气的形式排出气缸，但是在经过涡轮机 后，废气中的可用能只剩下1 3 5 ，燃料的可用能损失了2 1 9 ，这与燃烧的不可逆性 有很大的关系。后来r a k o p o u l o s 和g i a k o u m i s l l 3 】又把可用能分析模型发展为多区模型。 r a k o p o u l o s 和g i a k o u m i s l l 4 j 采用热力学第二定律来分析内燃机的运行情况，研究的 主要目的是确定各个过程的可用能效率和不可逆性，在此研究中考虑了各种参数、替代 燃料和瞬时运行等因素的影响，研究分析主要是关注燃烧不可逆性。研究表明预混燃烧 分数和点火定时对燃烧不可逆的影响很小，燃烧不可逆率只是燃料反应速率的函数，燃 烧总不可逆性随着预燃室体积的增大而增加；增加压力和温度( 压缩比、燃空比和绝热 气缸壁等) 都可以降低燃烧不可逆性；轻质燃料( 甲烷、甲醇、富氧和c n g ) 与汽油 相比在化学反应时熵产小，可以提高可用能效率，但是加水和丁醇都会增加燃烧的不可 逆性。 r a k o p o u l o s i s , i s 】根据能量守恒和可用能平衡来研究瞬态运行时各运行参数对柴油机 的影响。研究表明，在瞬态下，喷入燃料的可用能百分数对气缸不可逆性有很大影响， 随着负荷的增加，这种影响降低。废气和传热损失对不可逆的影响也是很大的，回收这 两部分的能量可以明显的提高发动机的运行性能。气缸壁的温度对能量平衡和运行性能 的影响很小，但是对降低缸内的不可逆性有很大的影响；这表明，在具体的发动机类型 和运行工况下，热力学、动力学和设计参数在影响发动机的瞬态响应方面以及能量和可 用能性质上并不总是一致的，因此需要把热力学第一定律和热力学第二定律结合起来， 通过废热和废气回收降低气缸的不可逆性，改善发动机的运行性能。 a n d e r s o n l l 6 】等人采用准维模型对一个进气门晚关的自然吸气式米勒循环的汽油机 进行了研究，并与传统的汽油机进行比较。米勒循环的优点是可以通过进气门晚关来控 7 第1 章绪论 制负荷降到3 5 ，如果要使负荷再低就可以通过节流来实现，从热力学第一定律的观点 来分析，在低负荷情况下米勒循环可以提高指示热效率，最高可达到6 8 ，而从热力 学第二定律的观点来分析，传统的节流可以损失系统3 的可用能。 c a t o n 1 他1 1 结合热力学第二定律采用详细全面的热力学循环模拟对火花点火发动机 进行研究，这项研究的一个任务是研究发动机的负荷和速度对发动机运行性能、能量和 可用能的影响。研究中使用的是8 缸发动机，平均有效压力为6 6 5 k p a , 发动机的速度分 别是7 0 0 、1 4 0 0 和2 8 0 0 r p m 。在这些情况下，通过与气缸壁的传热，可用能损失 1 5 9 - 3 1 5 ，通过排气损失2 1 o 2 8 1 的可用能损失，由于燃烧造成的可用能损失为 2 0 3 2 1 4 ，另外研究还发现，进气充量和缸内残余气体的混合也会引起可用能的损 失。c a t o n 还运用热力学第二定律，建立燃烧的多区模型【l 8 j 来研究火花点火发动机在富 氧情况下的运行性能、能量和可用能，把燃烧区分为绝热区和边界层区，已燃区的损失 传热只在边界层发生，也考虑温度升高对n q 排放的影响。研究结果表明，因为多区模 型的燃烧温度高，所以熵产值比单区模型小。他还研究富氧燃烧的火花点火内燃机的运 行结果，在模型中，缸内传热采用的是w o s h n i 关系式，质量燃烧率采用的是w i e b e 函 数，在进气和排气过程一维两区模型，燃烧模型用得是三区模型，模型与热力学第二定 律相结合得到的结果更有代表性。他研究的重点就是从热力学第二定律的观点来研究负 荷，转速等运参数对富氧发动机的运行性能的影响。 c a t o n 采用热力学第二定律研究了内燃机在绝热定容条件下，不同温度、压力和当 量空燃比情况下燃烧过程中的可用能损失【2 2 1 。通过相关的能量、熵和可用能平衡的计算 就可以确定可用能损失。燃料在未燃时具有最高的可用能，有最大的做功潜力，在化学 能转化为热力学能的过程中就会损失一部分可用能。最终的温度越低可用能损失就越 大。研究表明燃烧阶段的可用能损失与燃烧过程的不可逆性有直接的关系，燃烧温度越 高，燃料的可用能损失越小，传热增加，由排气带走的可用能越多，最终的结果是可用 能损失降低。当量空燃比降低时不可逆性变化率较大，可用能损失变大。因此为了使可 用能损失最小，燃烧应该在较高的温度下进行。 c h a v a n n a v a r l 5 1 研究了不同的燃烧条件和燃料对燃烧过程可用能损失的影响。计算了 各种可用能( 热机械、反应和扩散可用能) 所占的百分数和重要性，另外在燃烧过程分 析中考虑了还原可用能部分。研究发现在燃烧过程中，反应物的温度对可用能有很大的 影响，温度从3 0 0 k 升到6 0 0 0 k ，可用能损失的从2 5 3 0 降到5 ，在低温条件下燃烧， 反应物的可用能几乎全部损失掉，而反应物的压力影响却很小；燃料的分子结构越复杂， 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 燃烧过程中可用能的损失就越大，研究还发现扩散可用能所占的比例很小可以忽略，热 机械可用能和燃料可用能是系统可用能的主要组成部分。 v a ng e r p e n 和s h a p i r o 最先在研究中重视了化学可用能团】。研究发现，随着压力和 温度的升高，化学可用能项的数值也会增大，这是因为c o 和h 2 等环境中不存在物质 浓度的增加引起的，因为它们含有一定的化学能量，可以通过反应释放出来。研究结果 表明在可用能分析中考虑化学可用能可以得到更准确的不可逆性数值。 毕小平【2 4 】以热力学第一定律数值模拟和w i e b e 单燃烧函数为基础，应用热力学第二 定律分析一台汽油机燃烧过程的热机械能量可用性、化学能量可用性和不可逆性变化 率。计算了在不同当量燃空比和残余废气系数时热机械能量可用性、化学能量可用性和 不可逆性变化率的变化情况，说明了汽油机在浓混合气运行时，燃烧过程能量可用性的 计算应该包括化学能量可用性的影响。 1 3 2 新型发动机热力学研究 a u f tf 等人1 2 5 j 用准一维模型来模拟四冲程的氢内燃机，讨论氢内燃机的压缩比、 平衡比和点火定时的影响并提供数据。主要是考虑发动机循环过程中燃料的热力学参数 的变化，用o l i k a r a 和b o r m a n 研究得出的修正方法来计算氢内燃机燃烧平衡时燃烧产物 的摩尔分数，并通过这些数据来预测形成的n q 的浓度。 m a h e ra r 建立了燃用替代燃料的单缸四冲程火花点火发动机的模拟模型，研究火 花点火发动机燃用各种燃料( 汽油、乙醇或氢) 时的性能状况、相对强度以及循环变动 1 2 6 。采用二区模型通过编程来计算发动机在各种燃料情况下燃烧持续期和相关的质量燃 烧率。通过模型可以确定已燃区和未燃区气体的压力、质量、体积和温度的一阶常微分 方程，已燃区向未燃区的传热量，流入和流出缝隙的质量流量，还有燃烧产物的组分。 结果表明这个模型可以很好的预测各种运行情况下发动的运行性能和排放特性。 h a r o u n 和m a h e r 等人【27 】采用准维模型研究掺氢在0 - 2 0 范围内对发动机的运行参 数和污染物排放的影响。研究结果表明当掺氢量为8 时，发动机的热效率提高最快。 当掺氢量由0 到1 0 时，缸内的最高压力和温度随着增加，c 0 2 和c o 也随着氢气含量 的增加而降低，c o 的年浓度降低了7 3 8 ，这主要是因为混合燃料中碳原子浓度的降 低和较高的氢分子扩散率，提高了燃料的混合过程，促进燃烧效率的提高，但是n o 的 浓度却比不掺氢的情况下增加了一倍，这个问题可以通过采取稀燃的方式来解决。 a m ri b r a h i m 和s a i f u lb a r i l 2 8 利用一个准维二区燃烧模型来确定天然气发动机的最 9 第1 章绪论 佳废气再循环率。研究中发动机的进气门在高压的情况下采用冷却废气再循环的方法进 行优化，为了获得最低的燃油消耗、高功率和低排放，压缩比和燃烧开始时间也要进行 优化。在研究中采用两区燃烧模型来模拟燃烧时缸内的情况，同时在动力学基础上采用 了z e l d o v i c h ( 泽尔多维奇机理) 机理来预测n o 的排放，通过两区模型和爆震模型的耦 合来预测发生自燃的可能性。 马凡华等人通过试验来研究富氢天然气发动机在稀燃情况下的热效率和排放特性 2 9 , 3 0 ，研究发现如果不优化点火定时，n q 的浓度会升高，向气缸壁的传热也会增加， 也就不能提高热效率。研究中充分利用氢气的高燃烧速度的特点，推迟点火定时到m b t ， 结果发现掺氢后n q 浓度无明显增加，而且随着掺氢含量升高，热效率升高，未燃h c 浓度下降。 何文明【31 1 研究了l p g 汽车燃烧模拟计算及排放生成规律分析，本研究在分析液化 石油气物理化学特性的基础上，建立了火花点火液化石油气发动机的准维双区燃烧模 型。该模型由热力学模型、火焰传播速度模型、几何模型和传热损失模型等组成，可以 很好的预测发动机燃烧过程中气缸的压力、温度等参数。分析了压缩比、过量空气系数、 点火提前角等参数对发动机性能的影响。论文在建立的准维燃烧模型基础上建立了排放 生成模型，利用该模型对液化石油气发动机在变参数情况下n o 的排放生成情况进行模 拟计算。 1 3 3 研究存在的问题 ( 1 ) 大多数对代用燃料发动机运行性能的研究是结合热力学燃烧模型和污染物排 放模型来进行的，它们虽然能很好预测汽油机的性能和n o 的排放，但是这种研究方法 不能确定燃料氧化过程的热力完善程度，也就不能解决燃烧过程的不可逆性和低效率。 ( 2 ) 通常进行内燃机热力学第二定律分析只是计算出系统的总可用能，包括热机 械可用能( 或者称热力学可用能) 和不可逆性，对化学可用能和不可逆性变化率研究较 少。 ( 3 ) 现在国外有一些研究人员利用热力学第二定律对传统的汽油机和柴油机进行 了详细的可用能的分析，但是对于混合燃料的发动机进行可用能分析的较少，国内更少。 ( 4 ) 研究针对特定的发动机类型，掺烧特定的代用燃料，没有建立一个统一的程 序来计算不同燃料组分、不同的掺烧比例时系统的可用能情况以及可用能损失和排放特 性。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 5 ) 研究在计算燃烧产生的组分时，大多是基于完全燃烧的假设来考虑的，认为 燃烧生成物只有c 0 2 ，h 2 0 ，0 2 和n 2 。在计算质量燃烧率时基本上都是采用了经验公式 w i e b e 函数，忽略了火焰的传播过程以及燃烧室内已燃气和未燃区同时存在的现象。但 是，由于火花点火内燃机中燃烧的核心问题是湍流火焰在混合气中传播，燃烧室内的湍 流特性对此具有决定性的作用，因此应该用现象模型来计算燃烧率湍流火焰传播速度 模型更接近实际情况。 1 4 研究目的和内容 本研究的目的是建立全面评价火花点火发动机运行性能的热力学模型，包括热力学 可用能和不可逆性分析模型，分析有关参数的影响。实现发动机的低不可逆性工作过程。 本研究的内容主要包括： ( 1 ) 以火花点火发动机为研究对象，根据发动机的运行机理建立合理的发动机燃 烧模型及选取合适的相关子模型( 放热规律模型、瞬时传热模型、燃烧产物化学平衡计 算模型等) 。 ( 2 ) 根据建立的模型，以热力学第一定律和湍流火焰传播速度模型为基础，应用 热力学第二定律分析火花点火发动机燃烧过程的热机械可用能、化学可用能以及传热和 燃烧引起的不可逆损失，分析工况条件和边界条件等对工作过程不可逆损失的影响规 律。尤其是不同燃料( 汽油燃料的替代燃油组分和掺氢) 对系统可用能、可用能效率和 不可逆损失的影响。 ( 3 ) 利用模型对发动机的燃烧特性进行变参数研究，确定火花点火发动机的主要 运行参数( 压缩比、空然比、点火定时、燃烧持续期和掺氢比等) 对优化发动机运行实 现低不可逆性所起的作用。 ( 4 ) 建立排放生成模型，并对n q 排放的生成进行变参数预测。 第2 章内燃机的代用燃料和稀薄燃烧技术 第2 章内燃机的代用燃料和稀薄燃烧技术 常规车用燃料( 汽油、柴油) 主要来自石油，而化石燃料的短缺已成为世界各国面 临的一个主要问题，化石燃料的储藏量有限，预计到本世纪中叶，地球上的化石燃料将 被消耗完。进入新世纪，各国对汽车尾气排放提出了更高的限制要求，从而对汽油、柴 油质量也提出了越来越高的质量标准。在车用燃料环保、节能、高效的推动下，一些新 型汽车代用燃料应运而生，研发和应用新型汽车代用燃料已成为发展新世纪清洁汽车燃 烧的一大热点。现在正在使用或开拓具有发展前途的新型汽车代用燃料主要有：醇类( 甲 醇和乙醇) 、液化石油气( l p g ) 、醚类( 二甲醚) 、天然气以及氢气等。 2 1 选择代用燃料依据 作为内燃机的代用燃料，必须具备下列条件【3 2 1 ： ( 1 ) 必须具有一定的热值。理论混合气热值应较接近柴油或汽油的理论混合气热值 ( 它们分别为2 7 5 3 m j k g 和2 7 7 8 m j k g ) ，一般不低于2 6 0 m j k g 。 ( 2 ) 必须在发动机运转的一定时间内达到气化或雾化，以便能迅速与空气形成可燃 的气态混合气，及时参与燃烧。 ( 3 ) 必须在一定的温度和压力下以及一定的时间内燃烧基本完成，燃烧不可拖得过 长，即必须在活塞处于上止点附近及上止点以后约6 0 0 c a ( 曲轴转角) 的时间内基本放出 其全部热量。 ( 4 ) 燃烧后的排气污染程度必须在国家标准规定的限度以内。 ( 5 ) 与柴油或汽油相比，价格不能太高，这是其未来能够被普遍推广应用的基础。 2 2 各种代用燃料的特点 迄今为止，经过世界各国科学工作者的共同努力和长期的实验研究，已经找到了一 些可替代石油作为内燃机燃料的清洁代用燃料。现在已经发现的并有可能用于内燃机的 石油替代燃料可以分为液体与气体代用燃料两种，主要包括醇类