（载运工具运用工程专业论文）柴油机工作过程的（火用）分析研究.pdf

摘要 为了能够在能量分析的基础上，对柴油机的热力学性能进行深入的分析，和对柴油 机的热力性能得到改进提供良好的理论基础，本文在对t y l l 0 0 柴油发动机进行热平衡 实验的基础上p 对柴油机热平衡理论进行进一步的研究，并在数据采集的过程中j 合理 地布局实验台架，精心地选择流量计，尽力减少流量测量带来的误差。并对柴油机的能 量分配( 热平衡 渐测试，采集丰富的实验数据和示功图，对数据进行分析，处理和计 算，考虑了结构参数和运转因素对柴油机参数的影响，以及负荷对热平衡各热量分配的 影响，使热平衡实验的研究更具有意义。 本文应用数值计算对柴油机工作过程进行炯分析，编程计算并画出柴油机的各种 炯损在不同功率下随曲轴转角的变化曲线，分析曲线并说明其原因，得到柴油机的各种 炯损失。同时，在提出了一种不同于传统热力学分析方法唷限时间热力学分析的基 础上，进行柴油机有限时间热力学炯分析，分别建立了考虑热漏；考虑机械功率损失， 考虑排气损失的炯分析模型，其中，在热漏炯损的计算结果和实验编程计算结果的值相 差不大，且总的趋势非常相近，这充分体现了有限时间火用分析方法的优势。 最后，在炯经济分析模型中，以热力系数代替炯经济系数为目标函数，建立炯经 济纯熟力学分析模型，并以热平衡实验的采集数据和编程的输出结果来计算模型中各参 数，得出的结果可以衡量柴油机全面的热力学性能。 关键词：有限时间熟力学，柴油机工作过程，热平衡，火用分析法，热力系数 a b s t r a c t f o ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro fd i e s e ld e e p l ya n dp r o v i d i n go p t i m u mt h e r o r i a lb a s i so nt h e a n a l y s i so fe n e r g y , t h i sp a p e rd e e p l yd i s c u s s e dt h et h e o r yo f t h e m a lb a l a n c eo nt h eb i s i so fi t s e x p e r i m e n to nt y l 1 0 0d i e s e l b u i l d e d b o d yo fe x p e r i m e n tr i g h f l y , c h o o s e df l u e tm e a t u r e c a r e f u l l y , a n dr e d u c e d t h em e a t u r a lf e t a li nt h ep r o c e s so f o b t a i n i n gd a t a i nt h es a m e 唾臌，蝤s p a p e rt e s t i f i e dd e p a r t o ro fe n e r g yo f t h e r m a lb a l a n c ee x p e r i m e n t , a n a l y z e dp - v c u r v e ，d e a l e d w i t ha n dc o m p u t e de x p e r i m e n t a ld a t a b yt h i n k i n go ft h ef l u e n c eo fs t u c t u r a lc o e f f e c t i o n s _ a n d r u n n i n gf a c t o i g r o l l ：d i e s e lp a r a m e t e r s ，a n do f l o a do nd e p a r t so ft h e m a lb a l a n c e ，r e s e a 。辨一h , 。o f t h e l m a lb a l a n c ei su s e db e t t e r t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ew o r k i n gp r o c e s so fd i e s e le n g i n ew i t he x e r g i cc o m p u t a t i o no f n u m b e r , d r e wt h ec u r v eo fe x e r g i el o s sw i t he n g l ev e t o c i f yu n d e rd i f f e r e n tp o w e r s ，a n d e x p r e s s i t sc a u s ea f t e r g e t t i n g r e s u l to fa l lk i n d so fe x e r g i cl o s s m e a n w h i l e ，an e w t h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i s o fw o r k i n gp r o c e s so fd i e s e l e n g i n e w h i c hi sd i f f e r e n tw i m t r a d i t i o n a lo n e - f i n i t et i m et h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i sm o d e l ，i sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r i n t h e p r o c e s s o ff i n i t et i m e e x e r g i ce o m p u t e m t i o n ，e x e r g i cm o d l e sw i t ht h i n k i n go fh e a t l e a k ，m a c h e n i c l ef r a c t i o nl o s sa n dg a so u t p u tl o s sw e r eb u i l d e dr e s p e c t i v e l y , i nw h i c hr e s u l t c o m p a r e a t i o nb e t w e e nf i n i t et i m ee x e r g ya n dn u m b e r i cc o m p u t a t i o ni sn e a r l ye q u a la n dt h e i r e q u e n c y i st h es a m et h a tp r o v et h e a d v a n t a g e o ff i n i t et i m ee x e r g i cm e t h o d i nt h ee n d ，i nt h em o d l eo f e x e r g i ce c o n o m y , e x e r g i ce c o n o m yt h e r m o d y r n a m i c sa n a l y s i s m o d e li sb u i l d e da sa g o a lf u n c t i o nb yc h a n g i n ge x e r g i cc o e f f e c f i o nw i t hh e a tp a r a m e t e rt h e r e s u l tb yu s eo fo b t a i n a ld a t aa n do u t p u tc o m p u t er e s u l tf r o mc o m p u t e ri s o b t a i n e df r o m w h i c hw ec a nv a l u et h ed i e s e lc h a r a c t e r sq u a n t a t i v e l ya n d q u a l i t a t i v e l y k e y w o r d s ：f i n i t et i m e t h e r m o d y n a m i c s ，w o r k i n g p r o c e s so fd i e s e l e n g i n e ，t h e r m a lb a l a n c e ，a v a i l a b i l i t ya n 由s i s ，h e a t p a r a m e t e r 昆明理工大学学位论文原创性声明 j 0 0 8 9 5 1 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：寻甸4 - 荀 日 期：加争年3 月g 2g 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：耋盘论文作者签名：蛐 日 注：此页放在封面后，目录前。 昆明理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 内燃机的问世给人类文明带来了天翻地覆的变化，汽车、火车、轮船等陆路、 海路交通工具的大量出现成为内燃机发展的必然产物，这些交通工具的出现也带 来了相关辅助基础设施建设的发展。当今，柴油发动机被广泛的应用于交通运输 农业机械、工程机械和发电动力，而柴油发动机作为一种热能动力机械，它的运 转离不开“热”的传递，这种热的传递在很大程度上主宰着柴油发动机的经济性、 可靠性以及其他各项重要的技术经济指标。 随着汽车工业的发展，世界汽车保有量急剧上升，世界上大约拥有六亿多辆 汽车，其中大部分行驶在城市星面。可持续发展。合理地利用世界资源，保护环 境是目附各国研究的重要内容，节能做为一种合理利用资源、保护环境可持续发 展的技术手段，在这种形势下又赋予了新的时代内容。 当今，我们对柴油机工作过程的认识往往是基于传统的热力学分析，而传统 的热力学分析对以下问题并没有回答，而不可逆过程热力学偏重于局域微分方程 研究，也不能回答这些全局性问题，如；在时间周期f 内，发动机产生给定的功 所需要的能量为多少? 给定输入能量，在时间f 内给定的柴油发动机产生的最大 柴油机工作过程的火用分析研究 r 功m 。是多少? 在有限时间内运行给定的热力过程的最有效方法( 最佳路径) 是 什么? 在有限时间内运行的柴油发动机的性能界限如何确定? 热阻、内不可逆性、 热漏等不同损失项对实际热力过程的影响有何特点? 等等。 这些问题需要相关的理论来解决，当涉及有限的时间概念时，有限时间热力 学却可以解决，因为有限时间热力学是平衡态热力学在有限时间系统的延伸，以 热力学两大定律为基础，结合有限时间过程中系统所遵循的不可逆规律，应用变 分原理最优控制理论以及其他一些数学工具，研究系统在有限时间中能流和熵流 ( 或炯流) 的规律。因此，凡是涉及有限时间中的能流和熵流的问题，都是有限 时间热力学研究的内容。它包括三个方面：广义热力势的建立；最优路径的确定： 性能指标和性能界限。 而火用分析优化可以更合理地、准确地解决实际热阻、内不可逆性、热漏等不 同损失项对实际柴油发动机热力过程的影响，它的研究内容可分为三个层次： 第一个层次的优化为纯热力学优化；第二个层次是热力学与经济因素相结合，即 热经济学优化；第三个层次是热力学一经济学一生态学相结合的优化。之所以发展 成这样的多层次优化，主要是因为单纯热力学分析只能给出火用耗和火用损及其最 优判定，这是热力学分析固有的局限性，但工程决策的最终依据，还需知道投资、 费用以及所能得到的经济效益等，因此，必须进行技术经济相结合的分析。这种 分析是与工程所必须的总费用计算相联系的，并且最终归结到人工劳务和自然资 源的节省上。 对发动机工作过程不可逆损失与外部损失的炯分析就属于纯热力学优化，它 评价了燃烧过程中燃料转换为热量的有效量度，建立了相应的燃烧模型和数学模 2 昆明理工大学硕士学札论殳 型，完成臌率的计算程序，最终用数值分析得到了工作过程中影响燃率的各 种主要影响因素，过程如图l 所示。 系统热 计算各部 倒耋徽蓑 力过程 分火用值及 分析 必懒 图1 纯热力学优化过程 近年来，火用分析和热经济学结合的方法广泛应用于我国能源规划、热动力、 石油化工，冶金建材等行业，对生产过程中能量的转换、传递、使用和损失情况 进行分析，揭示出各部分能量的多少，能量损失的原因和部位，为改进过程，提 高能量利用率等方面找出方法，指明方向，过程如图2 。 i 竺垄量竺卜 热力系统给出热力参提出热力系统和 互对 和经济的数和经济因经济因素的改进 娴分析素的最佳组方案 图2热经济学优化过程 当炯方法和热经济学进一步发展时，也就是与生态学的结合，便形成热力学 。经济学生态学的优化，这样可使一个工业系统在其设计甚至在规划阶段就考虑 到生态环境的保护，而避免以往常见的“先污染后治理”的错误做法，过程如图 3 。 叵一 巨困_ 园一 给出热力参数、 。经济因素和生 态优化的最佳 图3熟力学一经济学一生态学优化过程 柴油机工作过程的火用分析研究 当有限时间热力学和火用分析理论相结合时，就形成有限时间火用分析理论，它 将火用分析、热经济学结合起来的综合性学科。研究从有限时间热力学角度对柴油 机工作过程的经济性和能源利用率做出有益的评价。为了进一步提高发动机热效 率，需要对发动机动力循环中的熊量利用做出分析，火用分析可以从“质”的方面 对发动机工作过程中的能量利用做出评价。建立柴油发动机工作过程有限时间热 力学模型，对发动机工作过程中的炯损失进行了全面的分析。 随着经济理论在各个领域的快速发展。矮菏形成一门新颖的学科领域一一热 经济学，它是一门将热力学分析与经济学分析有机结合形成的一门交叉科学，它 以热力学第二定律为基础，并弓l 入了系统工程、优化理论、决策理论等基本思想， 因而在解决复杂能量系统的分析、优化、综合等方面具有一定的优越性。由于热 经济学分析方法能够科学地揭示能量系统各个环节的不可逆损失，同时将各股炯 流价值化，因而对系统中发生的故障具有较高的灵敏度。鉴于此，国外有些学者 开始将热经济学方法运用于能量系统的故障诊断、并对系统中各单元所发生的故 障所造成的系统燃料消耗的增加进行了定量分析。但迄今为止，尚未形成完善的 热经济学故障诊断理论，特别是关于能量系统中各种单元故障诊断的热经济学判 据、无故障状态基准值的确定以及故障种类与性质的确定等方面的研究，尚不多 见。 以下为上述理论的具体介绍： 1 2 有限时间热力学理论概述 ! ! ! 垒笙重! 鲎垦厶塑n o t 发蹇了奠基性的论文“1 ，开创了一个新的科学领域 4 昆明理工大学硕士学位论文 一经典热力学，在c a r n o t 定理的基础上相继发现了热力学第一、二定律，两个 定理的建立和运用推动了热力学数学理论的发展，并使用数学及逻辑的方法建立 了基于基本定律的完整的经典热力学体系。对经典热力学进行改进，求出存在系统 与环境间有限速率热交换的有限时间过程和有限尺寸装置的热力学性能界限，就 是有限时问热力学最初所要研究的主要内容1 。前苏联学者n o v i k o v ( 1 9 5 7 ) 、 法国学者c h a m b a d a l ( 1 9 5 7 ) is 和加拿大学者c u r z o n 和a h l b o r n ( 1 9 7 5 ) 分别注 意到了这一问题。他们在内可逆的条件下，考虑了热机传热过程中的有限速率，导 出了工质与高、低温热源问存在热阻损失时的卡诺热机最大功率输出时的效率界 限为： 忆。1 一( ) 0 5 一( 1 _ 1 ) 此即为著名的c a 效率，它提供了不同于卡诺效率的新的热机性能界限，这成 为有限时间热力学研究的奠基性结果。1 9 7 5 年以来，加拿大、美国、以色列、德 国、比利时和中国等国的学者对有限时问热力学理论这一新学科分支进行了大量 的研究，极大地丰富了热力学理论，并使其在各学科的交叉研究和应用方面显示 了强大的推动作用。9 0 年代初，美国t a y l o r f r a n c i s 出版社出版的六卷本热 力学进展较为全面的概括、分析了现代热力学各主要学科分支在8 0 年代末，9 0 年代初的发展水平及其未来趋势，显示了现代热力学各分支，包括有限时间热力 学”1 在内的勃勃生机。 从“有限时间热力学”这一名词的含义来看，它覆盖的领域是相当广泛的。 在有限时间内( 包括有限尺寸约束下) 发生的带有热现象的过程，运行的带有热 现象的装置和系统都是有限时间热力学所研究的对象，甚至包括动、植物的生命 过程，超导材料性能和全球及星际间气候的预测。近年来，在2 0 多个国家和组织 柴油机工作过程的火用分析研究 的研究基金资助下，一大批学者对这一新学科分支进行了大量的研究工作，研究 对象有热机、传热过程、换热器、传质过程、化学反应过程、热绝缘系统、热能 贮存系统及与时间相关过程的运行，通过简化模型提出了许多热力学优化思路 结合实际的复杂模型得到了一大批具有工程实际应用价值的结果，发现了一批新 现象和新规律。 在自然界，能量每时每刻都在以各种方式在不同的系统之间进行着传递和转 换，而现代热力学就是研究能量传递和转换规律的学科，它包括传统热力学和不 可逆过程热力学，而有限时间热力学就是不可逆过程热力学中一个重要分支。传 统热力学认为内燃机工作循环过程进行的非常缓慢，要经过无限长的时间 ( ，_ + m ) 。这样的过程在实际内燃机中根本不可能发生，有限时间热力学正是考 虑到了内燃机实际工作循环过程是在“有限时间”内完成的这一时间特征，对实 际内燃机热力过程做一定的假设，得到热力学和数学模型，给定一系列的约束条 件下，找出给定路径下的目标极值或所取目标为极值时的最优路径，并求出与时 间有关的目标值，以及最佳的时间，得到所分析过程的最佳性能指标。 而除了有限时间热力学研究范围的拓广导出更实际的性能界限，构作新的概 念外，今后的研究方向将是以有限时间热力学为基础，结合现代热力学的几个分 支，如不可逆热力学，第二定律分析、热经济学、数学热力学等进行交叉研究 以获得更完善、统的结果，而这些研究可望形成一个新的综合性学科分支一一 “有限时间综合经济分析”。1 。 6 昆明理丁大学坝 ：学位论文 1 3 火用分析理论 1 3 1理论概述 能源是发展生产力和提高人类生活水平的重要物质基础，能源的消耗水平在 一定程度上能够反映社会生产力的发展水平，而能源问题已是当今世界瞩目的重 要课题，能源的短缺促使人们节能意识迅速提高，但是。当节能工作开展到一定 程度的时候，人们不禁要问节能的潜力还有多大? 在以热力学第一定律为理论基 础的能量分析系统中，只考虑了整个系统的能量平衡，其分析结果不能真正反映 热力系统内各设备的热力完善性和系统的节能效果，而热力学第二定律认为系统 能量在转换过程中受到熵增的影响，能量的质量下降，为了实现不同能量间的科 学比较，国内外学者提出了火用的概念，火用的产生就是因为不同能量形式的不等 价性，即“能损”问题。这是热力学理论研究中的一个突破，火用和火用分析的理 论已成为全球性的热门研究课题。 炯这个术语是1 9 5 6 年南斯拉夫学者r a n t 首先提出来的，但有关火用概念的形 成过程，则要追溯到一百年以前，这罩不作介绍。r a n t 把能分成在一定环境条件 下可以转换的和不可转换的两部分，采用了希腊字母“e r g o ”( 意为功和力) 加上 前缀“e x ”( 意为从其中，外部) 来命名可以转换部分的能为“e x e r g y ”，而把不 可转换的部分叫“a n e r g y ”，r a n t 同时确定了炯值的计算原则，从而获得了科学 地、定量地表示能质的方法。即火用是当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。由以上定义可以看出，火用是一种能量，具 有能的量纲，但又与能的含义不完全相同。火用是能的“量”与“质”相统一的部 柴油机工作过程的火用分析研究 分，由此我们得到任何能量( 用e 表不) 均由火用( 即娴，用e 表不) 和妩( 用e 表示) 组成：e 。= e 十e 。火用分析法又称热力学第二定律分析法。它的理论根据 是热力学第一和第二两大定律。因为热力学第一定律是不能违背的，但不违背热 力学第一定律的热力过程并不一定都能实现这里有一个t 自然界的热现象具有 方向性和不可逆性”的问题。简单地说，客观世界的热过程有两种：自爱过程和 非自发过程。自发过程是不可逆的，它具有方向性，而且能量转换过程还是有限 度的。 分析火用损是炯分析中重要的环节，在分析过程中不仅是从损失分布的观点 来分析，而且要特别注意分析其产生的原因； ( 1 ) 技术的，指不可逆现象是因设备不完善而引起的： ( 2 ) 固有的，指不可逆现象是由系统结构与其外部联系等因素引起的。这 时，损失与其产生在系统的哪个部件里或过程崩哪个阶段上无关，而 是按照其产生的原因来分组分析。 火用分析理论已渐渐成为一种引入瞩目的理论，在现代复杂的能量系统中有许 多问题用传统的方法不能解决的，而应用炯经济分析却可以迎刃而解，如：浮动 价格结均下设备全寿期的经济分析优化；根据物理学准则给产品烟定价；系统的 内部寻优和诊断等问题- 当火用经济学从“工程一能源”思维过渡到更高的层次上 时，便形成“火用管理”，其内涵是将各种能源以及热能动力与工艺的各部门和企 业的问题分解后，以火用参数来考虑热力学第二定律，朝着这个方向走出的第一步 就是在许多国家已利用炯分析使国民经济各部门能量使用合理化。一些先进的国 家在审查、设计、规划、生产，模拟等工作中引入了火用分析，并利用它来评估自 8 一 昆明理工大学硕士学位论文 i 然资源，例如：美国地质委员会以含炯量来评价地热资源。但是烟方法在实践 中的应用是滞后于理论研究的，这有两方面原因： ( 1 ) 工程信息不灵，很少熟悉和使用炯概念，因而使用传统的能分析。 ( 2 ) 火用方法本身尚未成熟到这样的程度，使人无论在分析、评价和优化 能量转换过程时，都非用它不可。 而本文取柴油发动机气缸作为一个热力系统进行分析，系统的边界有活塞项、 气缸套壁面及气缸盖组成，画出柴油机炯流模型图，如图4 所示 图4 柴油机火圉流模型图 1 3 2 柴油机有限时问热力学火用分析 如果热力循环的任何一个过程中存在摩擦或有限温差传热，那么这个热力循 环就是不可逆的，并会导致熵的增大。不过由于存在摩擦或有限温差传热而导致 的熵增大i 它的特征是不一样的：由工质内部摩擦产生的不可逆性称为内不可逆 性，是由于流体的粘性引起的；而有限温差传热产生的不可逆性称为外不可逆性 它是由于传热物体之间存在温差的原因，在这样的热力循环过程中，系统的熵将 发生增大。本文首先对发动机工作过程建立了仅考虑热阻时的有限时问热力学模 9 柴油机工作过程的火用分析研究 型，即将发动机混合加热循环简化为：以工质的当前温度为乙的等温膨胀过程和 工质与高温热源间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r 的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。由于传热过程中存在着温差，就必然导致系统熵的增大，从而产生 灯獭失。温差越大，火用损失越大。发动机实际热力循环过程中。对外要不断地 输出功率，就需要一定的驱动力才能保证热力循环得以进行驱动力就是传热过 程中的温差。因此，发动机完成实际热力循环就必须要付出代价，即产生火用损失。 传统的火用分析仍以理想循环( 无驱动力) 作为分析基础，它不能对存在驱动力的 发动机实际热力循环过程做出分析。本文应用有限时间热力学分析和计算产生的 炯损失，克服了传统火用分析的局限性。 1 3 3 火用经济分析理论 从经济的角度分析，热力系统是一个商品生产的流程，不同部位的能量流的 使用价值是不同的。对于一个子系统，为了获得一定量的产品，不光需要输入一 定的燃料，还需要一定的设备损耗、维护、管理的投入，以资金流的形式进入子 系统成为其产品成本的一部分，为了进行统一分析，可以将火用流换算成货币流 只要乘以输入端火用的单价就可以了。 从热力学角度来讲追求的是能量使用的合理性( 即火甩效率) ，而从经济学的 角度则要求以最小的投资及运行费用来获得最大的利润，因此一个系统的优劣主 要看其火用损费用及非能量费用的高低。火用损费用取决于火用效率，若炯效率高 则火用损费就低。非能量费用主要包括设备的折旧费、维修费、管理费、人员工资 1 0 昆州到工人学硕士学位论文 等。炯损费代表了其火用效率，非能量费用代表了其经济量，二者共同代表了其 火用经济性。用火用经济系数来分析一个系统，能正确反映能量使用的合理性及经 济性，从而达到方案决策的目的。火用经济系数能准确地反映非能量费用占总费用 的百分数。其值低，说明其热力学性能差，应改用高效的设备；其值高，说明经 济性差，非能量费用投资大。即产品成本过高，应重新决策。炯经济系数法不仅 可找出热力学方面的强弱环节，同时还可找出非能量费用方面的薄弱环节，综合 两方面来评价，可达到热经济分析的目的，因此，在热经济评价时，这是一个很 好的方法。 火用经济系数从热力学第定律和第二定律分析出发，追求系统用能的完普性 一火羽效率最大，火用经济系数容用能系统热力学上的完善性与经济上的合理性 于一体，从动态价值的角度出发，用系统单位火用耗所创利润的挣现值与火用耗成 本之比，反应系统在设备有效寿命期内，成本、利润、投资与运行费用之间的辨 证关系，恰当地解决了节鹏省钱的矛盾。单一用能系统的热经济准则一一炯 经济系数，能客观、全面的对诸方案进行评估，它不涉及人的主观因素，火嗣经济 系数中的因素，都是方案本身的客观条件所决定的。在方案的评估过程中，火用经 济系数最大者为最优。 1 3 4 火用经济系数的评价特点 火用经济系数从熟力学第一定律和第二定律分析出发，不仅追求系统用能的完 善性一一火用效率最大，而且追求系统用能的合理性一一能级利用效率最高。对不 同的方案，当它们的炯效率相差不大时，：足用经济系数可以根据能级效率的高低 柴油机工作过程的火用分析研究 对方案进行择优，只有当方案的火用效率和能级利用率均好时，系统用能才能达到 最佳状态。 炯经济系数容用能系统热力学上的完善性与经济上的合理性于一体，从动态 价值的角度出发，用系统单位炯耗所创利润的净现值与火用耗成本之比，反应系 统在设备有效寿命期内，成本、利润、投资与运行费用之间的辨证关系，恰当地 解决了节：k 只 与省钱的矛盾。 用能系统的热经济准则一火用经济系数，能客观、全面的对诸方案进行评估， 它不涉及人的主观因素，因子中的各因素，都是方案本身的客观条件所决定的。 在方案的评估过程中，火甩经济系数最大者为最优。 1 4 本文所做工作 本文所做的具体工作主要包括以下几个方面： 1 实验台架的建立，包括以下测量系统的设计和安装： ( 1 ) 流量测量：冷却水流量，机油流量以及进气流量测量。 ( 2 ) 温度测量：冷却水进出口温度，机油进出口温度，排气温度和缸盖温 度测量。 ( 3 ) 柴油机工作过程实验研究：包括各典型工况的示功图测试，能量分配 ( 热平衡) 测试，以及热力学特定参数的测定。 2 建立并分析柴油机工作过程应用数值计算的火用分析模型。 3 建立并分析柴油机有限时间热力学炯分析。 4 以热力系数为目标函数建立模型，对柴油机进行烟经济的纯热力学分析。 其中，重点研究的内容为： 1 2 昆明理工大学硕士学位论文 1 、建立并分析柴油机有限时间热力学火用分析。 2 、编程计算柴油发动机工作过程中各部分火厢值或火用损，从而得出炯效率 的值，通过实验数据的采集、分析和计算得到能级系数的值，然后以热力 系数为目标函数进行炯经济的纯热力学分析。 1 3 昆明理工大学硕士学位论文 i i 第二章柴油机热平衡实验理论、台架及实验方案设计 本文在一台单缸直喷式柴油机上，通过用压电晶体传感器和各种自制温度传感器， 测量了发动机缸内压力及其传热损失情况。实验进行了包括在变转速、负荷等不同情 况下，实测缸内压力和各种温度参数及各种质量流量的工作。 2 1 热平衡理论简介 2 1 1 热平衡的表示方法 一般将柴油发动机燃料燃烧放出的热量分配分为5 个部分，即转化为有效功的热 量、冷却水带走的热量、排气带走的热量、润滑油带走的热量及其余的损失热量5 部 分。其数学表达式为： q ，= q + q 。+ q p + q + q e f ( 2 - 1 ) 式中：q ，一燃料燃烧放出的总热量 q 一转化为有效功的热量 姨一冷却水带走的热量 g 。一排气带走的热量 包。机油带走的热量 ( 0 一其余热量损失 若以各部分带走的热量百分比来表示热平衡方程式，则式( 2 1 ) 转化为： q ，= q 。+ g 。+ g ，+ q “+ q “21 0 0 7 6 ( 2 - 2 ) 这种分析方法对于了解燃料热量利用程度和热损失的大小及去向，从而研究如何 柴油机工作过程的火用分析研究 改善发动机工作过程具有重要意义。 2 1 2 热平衡实验的意义 柴油发动机的热平衡是指气缸中燃料放出的热量分配情况，根据热量的分配情况， 可以对柴油发动机的能量分配进行计算和分析，并用烟分析的方法使柴油发动机的性 能达到最优。 不同柴油发动机中热平衡各项带走的热量百分比如表2 1 所示。以下这些数据因 机型的不同而有一定差异。原则上。为了减少外界因素对发动机热平衡试验的影响， 在实验过程中，应该尽可能的把发动机外部用石棉包起来，使之与空气尽可能绝热。 表2 1 各种机型热平衡各项热量百分比 湖斧项 q 。( )q 。( )q “( )q “( ) 韶型 q 。( ) 非增压柴油机 2 9 - 4 21 8 - 3 02 5 4 53 52 - 5 增压柴油机3 5 4 5 l o 一2 22 5 - 4 04 - 72 5 i汽油机2 1 - 2 8 1 2 - 2 53 0 - 5 03 43 1 0 2 1 3 热平衡的研究方法 通常，热平衡是通过实验的方法测量出热平衡方程式中相关各项的参数，通过相 应的计算得出各部分的热量分配情况。热平衡实验一般是在发动机的标定工况下进行 在热平衡实验中需要测定的有关参数有：油耗、功率、冷却水进出口温度、机油进出 口温度、排气温度、冷却水流量，机油流量、进气流量和排气流量等。 在热平衡实验中，研究转速、负荷等对发动机热平衡的影响时，相应的要调整有关的 发动机运转参数，即转速、负荷等要达到实验要求。这就说明热平衡实验不仅仅局限 于在标定工况下开展实验工作。 1 6 昆明理工大学硕士学位论文 2 2 实验台架总体布局 实验台架的布局，既要有利于实验的顺利进行，又要减少实验的工作量，这对于 f 确、有效的采集实验数据是重要的，因此本实验选择方案如图2 1 所示： 竺二兰竺竺兰h 兰! 兰 厂# 磊百l 阿莉陋 籼? 兰型 鬯 r l f i l 竺竺竺苎到l 竺 t y o o 柴油机 l j 厂丽磊i 磊】 1 。一j 润滑油出口最度铡量l | 润滑油藏量捌量l f 润精油进口温度测量 2 3 实验设备和仪器 一实验设备 图2 1 实验台架总体布局框图 本实验采用的发动机是西安交通大学内燃机教研室的立式、水冷、四 冲程非增压式单缸直喷柴油机，其性能指标和参数如下表所示： 表2 2t y l l 0 0 柴油机的技术参数“” 发动机的型号 t y l l 0 0 型式立式，水冷，四冲程，直喷式 气缸数 1 气缸直径 l o o m m 活塞冲程1 1 5 r a m 燃烧宝形式 u 型 排量0 9 0 3 ( 1 ) 压缩比1 8 4 额定转速2 3 0 0 r m i n 1 2 小时功率1 l k w 供油提前角2 5 6 1 。c ab t d c 1 7 柴油机工作过程的火用分析研究 二实验仪器 实验中使用的仪器设备如下表所示： 表2 3 实验用仪器设备 名称型号制造厂备注 压力传感器5 0 1 1 型k i s t l e r 公司 辐射传感器自制 热电偶传感器镍铬一镍硅自制 四五组分尾气a v ld i g a s4 0 0 0厦门海腾发动机测试设 分析仪备有限公司 电力测功机 b w 6 3 长沙湘仪普联测器厂 2 5 0 n i i l 8 0 0 0 r m i n 电动机y 1 6 0 m 1 2长沙电机厂1 1 k w 烟度计a v ld i s m o k e厦门海腾发动机测试设 备有限公司 电位差计u j 3 7上海电工仪器厂 准确度级别： 0 1 级 变频器i h f - i i k ( k )s a n k e ne l e c t r i cc o 动态测试分析仪c s 2 0 0 0 0四川实时信号研究所 名称型号制造厂 备注 压力传感器5 0 1 1 型k i s t l e r 公司 热电偶传感器镍铬一镍硅自制 电力测功机 b w 6 3 长沙湘仪普联测器厂2 5 0 n m 8 0 0 0 r m i n 电动机y 1 6 0 m 1 - 2长沙电机厂1 1 k w 烟度计a v ld i s m o k e厦门海腾发动机测试设 备有限公司 电位差计u j 3 7上海电工仪器厂 准确度级别： 0 1 级 变频器i h f - i i k ( k )s a n k e ne l e c t r i cc o 动态钡8 试分析仪c s 2 0 0 0 0 四川实时信号研究所 昆明理工大学硕士学位论文 2 4 流量测量 一、流量测量原理 流量通常是指单位时间内通过某有效流通截面积的流体数量，称瞬时流量。它可 用质量单位表示，也可以用体积单位表示，分别成为质量流量( k g s ) 和体积流最 q 。( m y s ) 。质量流量与体积流量之间的换算关系为： q ，。2 用，( 2 - 3 ) 在实际运用中，有时还需要知道某一段时间间隔内通过某流通面积的流体总量， 即累计流量。累计流量除以相应的时间间隔，为该时间内的平均流量。 二流量计的类型 流量计的品种繁多，分类基准也有所不同，根据测量方法的特点，一般可将目前 所使用的流量计归纳为以下三大类型： 1 容积型流量计 容积型流量计测量流量的依据是：单位时间内被测流体充满( 或排出) 某一定容 积的次数，即 g ，= n v ( 2 - 4 ) 式中，v 为定容容器的容积，n 为单位时间内被测流体充满( 或排出) 定容容器的次数。 这种流量计的工作原理比较简单，特点是流动状态对测量结果影响较小，精度较高。 2 速度型流量计 速度型流量计以流体一元流动的连续方程为理论依据，即当流通截面积确定时， 流体的体积流量与截面上的平均流速成正比。因此，通过测量流通截面上的流体的速 度或流速有关的各种物理量，就可以计算出流量。这类流量计的优点是可用于高温、 高压流体测量，且精度较高。缺点是它以平均流速为测量依据，受流动条件影响很大， 使得难以精确测量。 3 质量型流量计 柴油机工作过程的火用分析研究 这类流量计以测量与流体质量有关的物理效应为基础，分为直接式、推导式、温 度压力补偿式三种。 三、流量计的选择 在热平衡实验中，流量测量主要包括：油耗测量，冷却水流量测量，机油流量测 量和进气流量测量四部分。考虑到测量精度、测量介质的粘度、温度、以及可压缩性 等因素，油耗测量采用普遍使用的天平称重法测量质量流量；冷却水流量采用测量精 度较高( 最小刻度为5 m 1 ) ，并且适用于较高温度测量的旋翼式热水表测量；由于机油 粘度较高，流量较小，污染较大，在实验中单独设计了一套测量方案，可达到与油耗 测量大致相同的精度；进气量测量采用差压流量计。 2 4 1 油耗测量 油耗测量在热平衡实验中很重要，它的精度直接影响到热平衡各部分热量的比例； 燃油消耗量的测量方法是用天平测量燃烧一定重量的燃油使用的时间，实验装置图如 图2 2 所示。 燃油消耗量的计算公式为： b ：垒( k g h ) ( 2 5 ) 式中： b 一有效燃油消耗量 g 。一燃油质量 t 一时间 油耗率b 。为： 6 9 = j 面b ( g k w h ) ( 2 6 ) 式中 只一有效功率( k w ) 昆明理工人学硕士学位论文 1 柴油油箱 2 一三通阀3 烧杯4 一天平5 一砝码 2 4 2 冷却水流量的测量 图2 2 油耗测量装置 发动机冷却水的流量的测量可分为体积法和重量法两种测量方法。由于发动机冷 却水的流量比较大，对测量重量仪器的精度和量程要求都比较高，而传统的磅秤精度 往往比实验要求的要低，因此在实验中采用体积法测量冷却水的流量。实验中所用的 流量计是旋翼式热水表，适用温度范围为1 0 9 0 。c ，最小刻度为5 m l ，能够满足连续 动态测量的要求。 图2 3 为冷却水流量测量装置图，冷却水测量原理如下：发动机运转在所需测量 工况时，打开阀门3 ，关闭阀门4 ，测量一定时间内流经发动机冷却水体积自j 永，冷 却水的平均体积流量为： 瓦：鱼生( 寸s ) ( 2 - 7 ) z 根据式( 2 3 ) 可将体积流量转化为质量流量。 2 i 柴油机工作过程的火用分析研究 1 一冷却水箱2 流量计3 ，4 一球阀5 一发动机 2 4 3 机油流量的测量 图2 3 冷却水测量装置 发动机的润滑系统对发动机的可靠运行有着重要的作用，在发动机设计中润滑油 流量一般都是根据润滑系统的结构参数来大概估算的。由于润滑系统的特殊性，对润 滑油流量的测量比较困难，主要表现在以下几点： 1 润滑油流量小，粘度大，具有污染性，流量计难以选择； 2 润滑系统结构紧凑，难以布置流量计； 3 在测量过程中，对润滑系统的改造难以保证润滑系统可靠工作。 针对以上问题，在热平衡实验中，采取如图2 4 所示的测量方案。测量原理如下： 1 不测量的时候，机油从集滤器4 ，经过三通阀5 和机油泵2 进入主油道； 2 测量的时候，机油泵2 先将油底壳里的机油经过集滤器4 泵入烧杯6 ， 然后旋转三通阀5 ，关闭机油从集滤器4 的通道，使得机油从烧杯6 ，经 三通阀5 ，出机油泵1 泵入主油道，同时开始测量。 昆明理工大学硕士学位论文 2 4 4 进气流量的测量 进气量采用差压式流量计测量，测量装置如图2 5 所示。测量原理如下：当流体 流经管道中急剧收缩的局部截面时，将产生速度增加，压力降低的节流现象，流体的流 速越大，节流压差越大。差压式流量计由节流装置、差压信号管道和差压计三部分组 成。流体通过节流元件所产生的差压信号经差压管传入差压计，差压计根据具体的测 量要求把差压信号以不同的形式传递给显示仪表，从而实现被测流体差压或流量的显 不。 根据流动连续方程和伯努利方程，可推导出反映流量与节流压降关系的流量方程 为 q 。= 1 2 5 x 1 0 。2 刎2 芩万( k g h ) ( 2 8 ) 式中 一流体质量流量 口一流量系数 s 一流体膨胀校正系数 d 一节流元件开孔直径 p 一流体流经节流元件前后的压差 p 一流体密度 1 一主油道 2 一机油泵3 一油底壳4 一过滤器 5 一三通阀6 烧杯 7 一天平8 一砝码 图2 4 机油测量装置图 2 3 柴油机工作过程的火用分析研究 2 5 温度测量 在热平衡实验中，温度是测量的重要参数，因此，对温度测量有以下要求： 1 精度要高，缸盖温度和排气温度测量可以允许有几度的误差，而对冷却水和机油 温度测量误差应尽量控制在1 。c 之内。 2 测点的位置应该具有真实性和代表性，缸盖的温度测点应该布置在热负荷比较突 出的位置上，冷却水和机油温度的测量应该反映进出口的平均温度。 3 测温元件不能影响发动机的正常工作。 针对以上几点要求，在实验中采用n i c r n i s i 热电偶作为所有温度测量的测温元 件。n i c r n i s i 热电偶测量温度具有如下优点： 1 在较大的温度范围内，热电势稳定，随时间变动小 2 热电势大，且线性度好； 3 在实验的介质中不易腐蚀。 1 节流元件2 一差压信号导管3 一差压计4 一进气管 2 5 1 排气温度测量 图2 5 进气流量测量装置 昆明理工大学硕士学位论文 刻开始，气体从气缸中以近似于等温节流过程流出。因此，在排气前端具有接近气体 在气缸中膨胀末期的最高温度，随着气流的溢出，留在气缸中的气体进行膨胀，温度 也逐渐降低。故在自由排气阶段内气流的温度也是逐渐降低的。在自由排气之后气体 被活塞以几乎不变的温度推出。排气门关闭以后摔气管中的气体将由于气体的膨胀和 管壁的冷却作用而下降。气体的流量也是在排气之初最大，而在其后差不多的三分之 二的工作循环延续时间内，排气的较少部分以较低的温度流出或留在排气管中。因此， 废气的温度应取排气过程中总的排气量的平均温度： 式中 式中 。而f c e t ：g , d r f 。一每循环周期 f ：一排气的瞬时温度 g ，排气的瞬时流量 c ：排气比热容 废气按流量的平均温度不等于用热电偶在排气管中测得的温度t ：， - 盟坐 7 r 。a d r 口一气体向热电偶的散热系数 f ：一废气随时间变化的平均温度 可见，t 。在排气门关闭时就达到了极值。但对排气随时间变化的平均温度而言， 在以后的三分之二以上的循环时间内，还是要受到大大降低了的排气温度的影响，因 此，在单缸机上的排气温度随时间的平均值r ：必然小于其按流量的平均值，。，其差值 随发动机负荷的增加而上升，如图2 9 所示。因此，在实验中应该采用f 。来计算排气 带走的热量。本文的，是根据实验测得的f ：，通过图2 6 ，利用插值的方法获得的。 柴油机工作过程的火用分析研究 2 5