第一章-内燃机热力学基础-2014

1、1主讲人：尧命发主讲人：尧命发第一章：内燃机热力学基础与热力循环第一章：内燃机热力学基础与热力循环20142014年年4 4月月天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室2本章内容本章内容3 3、热力学第一定律及应用热力学第一定律及应用1 1、热力学概述热力学概述2 2、热力学基本定律热力学基本定律4 4、混合气混合气5 5、化学热力学第一定律化学热力学第一定律6 6、内燃机热力循环内燃机热力循环热力学概述热力学概述 热力学，全称热动力学（热力学，全称热动力学（thermodynamicsthermodynamics）是研究热现）是研究热现象中物态转变和能量转换规律的

2、学科；它着重研究物质的象中物态转变和能量转换规律的学科；它着重研究物质的平衡状态以及与准平衡态的物理、化学过程。热力学定义平衡状态以及与准平衡态的物理、化学过程。热力学定义许多许多宏观宏观的变量（的变量（温度温度、内能内能、熵熵、压强压强等），描述各变等），描述各变量之间的关系。热力学描述数量非常多的微观粒子的平均量之间的关系。热力学描述数量非常多的微观粒子的平均行为，其定律可以用行为，其定律可以用统计力学统计力学推导而得。推导而得。 热力学是从热力学是从1818世纪世纪末期发展起来的理论，主要是研究末期发展起来的理论，主要是研究功功与与热量热量之间的能量转换；在此功定义为之间的能量转换；在此

3、功定义为力力与与位移位移的的内积内积；而热则定义为在热力系统边界中，由而热则定义为在热力系统边界中，由温度温度之差所造成的之差所造成的能能量量传递。两者都不是存在于热力系统内的性质，而是在热传递。两者都不是存在于热力系统内的性质，而是在热力过程中所产生的。力过程中所产生的。 经典卡诺热机经典卡诺热机: :3热力学概述热力学概述 热力学的研究一开始是为了提升热力学的研究一开始是为了提升蒸汽引擎蒸汽引擎的的效率效率，早期，早期尼尼古拉古拉 卡诺卡诺有许多的贡献，他认为若引擎效率提升，法国有许多的贡献，他认为若引擎效率提升，法国是有可能赢得是有可能赢得拿破仑战争拿破仑战争。英国科学家。英国科学家开尔

4、文开尔文在在18541854年年首次提出了热力学明确的定义首次提出了热力学明确的定义“ “热力学是一门描述热和物热力学是一门描述热和物体中各部份之间作用力的关系，以及描述热和电器之间关体中各部份之间作用力的关系，以及描述热和电器之间关系的学科系的学科” ”。4 一开始热力学研究关注在一开始热力学研究关注在热机热机中中工质工质的的热力学性质，后来延伸到热力学性质，后来延伸到化学过程化学过程中的中的能量转移。能量转移。化学热力学化学热力学中研究中研究熵熵对对化学化学反应反应的影响。的影响。 统计热力学也称为统计热力学也称为统计力统计力学学，利用根据微观粒子力学性质的，利用根据微观粒子力学性质的统计

5、统计学学预测来解释宏观的热力学性质。预测来解释宏观的热力学性质。 热力学最基础的概念是热力学最基础的概念是系统系统和和环境环境。一。一个热力学系统的环境是与之相互作用的个热力学系统的环境是与之相互作用的其他热力学系统。其他热力学系统。热力学系统分类热力学系统分类 孤立系统孤立系统：系统完全不与外界交换能量或质量。：系统完全不与外界交换能量或质量。 封闭系统封闭系统：系统只与外界交换能量而不交换质量：系统只与外界交换能量而不交换质量 若系统不允许外界交换热，只能有功的交换，称为绝若系统不允许外界交换热，只能有功的交换，称为绝热封闭系统或热封闭系统或热孤立系统热孤立系统 若系统不允许外界交换功，只

6、能有能的交换，称为若系统不允许外界交换功，只能有能的交换，称为AdynamicallyAdynamically封闭系统，也称作封闭系统，也称作力学孤立系统力学孤立系统 开放系统开放系统：系统与外界交换能量和质量。：系统与外界交换能量和质量。56本章内容本章内容3 3、热力学第一定律及应用热力学第一定律及应用1 1、热力学概述热力学概述2 2、热力学基本定律热力学基本定律4 4、混合气混合气5 5、化学热力学第一定律化学热力学第一定律6 6、内燃机热力循环内燃机热力循环热力学基本定律热力学基本定律 热力学第零定律热力学第零定律：在不受外界影响的情况：在不受外界影响的情况下，只要下，只要A A和和

7、B B同时与同时与C C处于热平衡，即使处于热平衡，即使A A和和B B没有热接触，他们仍然处于热平衡状态没有热接触，他们仍然处于热平衡状态。这个定律说明，互相处于热平衡的物体。这个定律说明，互相处于热平衡的物体之间必然具有相等的温度。之间必然具有相等的温度。 热力学第一定律热力学第一定律：能量守恒定律能量守恒定律对非对非孤立孤立系统系统的扩展。此时能量可以以的扩展。此时能量可以以功功WW或或热量热量Q Q的形式传入或传出系统。热力学第一定律的形式传入或传出系统。热力学第一定律表达式为：表达式为：7热力学基本定律热力学基本定律 热力学第二定律热力学第二定律：孤立系统孤立系统熵熵( (失序失序)

8、 )不会减少不会减少简言之，热不能自发的从冷处转到热处，而简言之，热不能自发的从冷处转到热处，而不引起其他变化。任何高温的物体在不受热的情不引起其他变化。任何高温的物体在不受热的情况下，都会逐渐冷却。这条定律说明第二类况下，都会逐渐冷却。这条定律说明第二类永动永动机机不可能制造成功。热力学第二定律也可表示为不可能制造成功。热力学第二定律也可表示为熵增原理：熵增原理： 。 热力学第三定律热力学第三定律：所有完美结晶物质于：所有完美结晶物质于绝对温度绝对温度零度时（即摄氏零度时（即摄氏-273.15-273.15度），熵皆为零。度），熵皆为零。89本章内容本章内容3 3、热力学第一定律及应用热力学

9、第一定律及应用1 1、热力学概述热力学概述2 2、热力学基本定律热力学基本定律4 4、混合气混合气5 5、化学热力学第一定律化学热力学第一定律6 6、内燃机热力循环内燃机热力循环热力学第一定律热力学第一定律 描述包括热能的能量守恒，热能和其它形式的能描述包括热能的能量守恒，热能和其它形式的能量都有联系量都有联系 热能作为一种能量形式，可以和其它形式能量相热能作为一种能量形式，可以和其它形式能量相互转换，转换中能量的总量不变互转换，转换中能量的总量不变 热力学第一定律的实质就是能量转换及守恒定律热力学第一定律的实质就是能量转换及守恒定律 内燃机能量转移遵循热力学第一定律内燃机能量转移遵循热力学第

10、一定律10MWQEEEE)()()(系统能量变化（内能）系统热量变化对外做功质量交换引起的能量变化（焓）热力学第一定律一般表达式MWQEEEE)()()(即，系统能量的变化必定等于各个作用量的能流的代数和。闭口系统热力学第一定律在内燃机热力分析中， dUdWdQwdQdQ在内燃机的闭口循环分析中，内能仅是温度和成分的函数，即： ),(iTUU pdVdW 21iipppdUpdVdQdupdvdq在单位质量或每摩尔的系统中，如成分一定，则其比内能仅是温度的函数：)(Tuu 定容比热定义为： vvTuC对于定容过程， dTCdudqvdTdqCv)(TCCvv内能和比热都可用一个温度T的多项式函

11、数形式来表达，即：0554433221uTaTaTaTaTau44332210TbTbTbTbbCv闭口系统热力学第一定律-定容比热开口系统热力学第一定律lowoutflowcvootUpsHHWWQinf)(pdVdWpdtdVpdtdWppWcvcvmuU)()(tmutUcvcv)()(TpdTCh0220ChhoutoutoutooutChdtdmdtdHH)2(2热量热量 流动功流动功 体积功体积功 内能内能 流出焓流出焓 流入焓流入焓inininoinChdtdmdtdHH)2(2ininoutoutcvsChdtdmChdtdmtmudtdVpdtdWdtdQ)2()2()(22

12、outincvdtdmdtdmdtdm对于稳流的而且容积一定的开口系统，0, 0dtdVdtdmcvininoutoutsChdtdmChdtdmdtdWdtdQ)2()2(22进进 排气管流动排气管流动开口系统热力学第一定律静焓h与内能u有关，对于闭口系统dudwdq如果热量是在定压条件下加入的，则dhdTCdqppdVdw dupdVdhpVuhRTuhTRuhmol所以，静焓是温度的函数 )(Thh 0554433221uTRTaTaTaTaTahmolmolpRTbTbTbTbbC44332210molvpRCC开口系统热力学第一定律-定压比热 开口系统热力学第一定律在内燃机热力分析中

13、经常写成： ddMhddMhddWddQddUoutoutininddQddQw进进 排气门关闭缸内过程排气门关闭缸内过程开口系统热力学第一定律-缸内过程第一定律应用第一定律应用:提高热效率途径探讨提高热效率途径探讨ExhaustHeat TransferGas ExchangeBrake PowerFriction & AccessoriesFirst-law of thermodynamics:Method to improve thermal efficiency:-Decrease heat transfer & pump lose-Utilize exhaust en

14、ergy or decrease exhaust temperature-Improve combustion efficiency (esp. HCCI, LTC, PCCI etc.Thermal efficiency is restricted by:For instance: insulation results in increasing H Effect of Gamma on efficiencyGamma is a function of Charge composition TemperatureHow to improve Gamma High density (High

15、boost) Initial thermal-state Combustion processes (products) High CRIn the real-world, high CRs have some unwanted side effectsFrom: Southwest Research Institute “Developments in High Efficiency Engine Technologies”, DEER 2012H H2 2-O-O2 2-Ar ideal engine-Ar ideal engine00.10.20.30.40.50.60.70.80.91

16、135791113151719compression ratio, CRideal engine efficiency111CRefficiencyengine =1.67 =1.3 =1.4gasolineenginesdieselH2-O2-Arengines = cp/cv, specific heat ratioEfficiency CRDilute by air and/or EGRAir: improve Gamma and decrease temperatureEGR: decrease Gamma and decrease temperatureDilution limite

17、d by combustion efficiency P=150，EGR= 5 %P=200，EGR=28%P=250，EGR=48%AdiabaticAdiabaticconvection=0.2, radiation=1convection=0.2, radiation=1Reduce the heat transferImprove the level pressure & temperature in the cylinder & combustion efficiency. However, it requires careful management of both

18、 combustion and heat transfer processesCR=16 Pin=1.3bar without EGR =1 Indicated Efficiency: Gross(360)With the decrease of Heat transfer, efficiency improves while the energy lost in exhaust increased which is beneficial for the energy recovery. Compression ratio & heat transfer The best compre

19、ssion ratio is related to engine work condition, such as air/fuel ratio, dilution(boost), heat transfer Except mechanical restriction, it is meaningless to improve efficiency by ultra-high compression ratioBoost=1.3bar without EGR （=1 ）Boost=2bar without EGR （=0.67） Free piston result from StanfordH

20、eat release phaseCharacteristics of thermodynamic cycle is controlled by heat release phase:Small load mode: constant-volume combustionHigh load mode: constant-pressure combustion-Increase combustion rate-Increase combustion efficiency-High compression ratio/low expansion ratioConstant volumeConstan

21、t pressureMixing cycle-Restricted by high cylinder pressure-Decrease combustion rate-Low compression ratio / High expansion ratioVariable thermodynamic cycle-Controllable combustion process?Constant volumeMixing cycleConstant pressure limited-pressureCA50C90-CA10Heat release rateHeat release phaseHe

22、at release phase=0.57CA50=10CA90-CA10=26 Controlling heat release phase is restricted by the highest pressure For a real vehicle engine, it is very difficult that efficiency reach above 50% 26本章内容本章内容3 3、热力学第一定律及应用热力学第一定律及应用1 1、热力学概述热力学概述2 2、热力学基本定律热力学基本定律4 4、混合气混合气5 5、化学热力学第一定律化学热力学第一定律6 6、内燃机热力循环内

23、燃机热力循环混合气混合气 在内燃机工作过程计算中通常把混合气看成由理在内燃机工作过程计算中通常把混合气看成由理想气体组成的，并且服从以下条件：想气体组成的，并且服从以下条件： （1 1）混合气在总体上符合气体状态方程。）混合气在总体上符合气体状态方程。 （2 2）混合气的总压力等于各种气体成分的分压力）混合气的总压力等于各种气体成分的分压力之总和。此分压力是在同样温度条件下，各种气之总和。此分压力是在同样温度条件下，各种气体成分单独充满混合气全部分容积时所产生的压体成分单独充满混合气全部分容积时所产生的压力。力。混合气的内能、焓和熵，分别等于各气体成分在混合气的内能、焓和熵，分别等于各气体成分

24、在相同温度条件下单独充满混合气全部容积时的内相同温度条件下单独充满混合气全部容积时的内能、焓和熵之总和。能、焓和熵之总和。 假设三种气全A、B和C所组成的混合气，在温度T时的容积为V，则将摩你分数定义为： MMxMMxMMxccbbaa,式中总摩尔数为cbaMMMM第i种气体Pi的分压力定义为： pxpii对于气体A、B和C的组成的混合气则有cbapppppTMRxpTRMvmolimolii混合气混合气 混合气混合气29Vvvii100% pvpii100%ccbbaauxuxuxuiiuxuiihxh30本章内容本章内容3 3、热力学第一定律及应用热力学第一定律及应用1 1、热力学概述热力

25、学概述2 2、热力学基本定律热力学基本定律4 4、混合气混合气5 5、化学热力学第一定律化学热力学第一定律6 6、内燃机热力循环内燃机热力循环7 7、化学热力学第一定律化学热力学第一定律311.比内能和比焓的定义 比内能的定义为：)(0Teee而将比焓定义为： )(0Thhhe0, h0只与物质成分有关。当无化学反应时，无物质成分变化时， e0, h0保持不变。 当温度21TT )()()()(102012TeeTeeTeTee无化学反应时，内能的变化与绝对零度的比内能无关。显然， e0, h0是与化学反应有关的内能、焓，在一些教科书中称之为“化合焓” 或“形成焓”.化学热力学第一定律化学热力

26、学第一定律32TRehmol00heh(T)或e(T)的数值常由下式求得：)()(554433221TaTaTaTaTaRThmol51)(iiimolTaRTh51)()(iiimolTTaRTe化学热力学第一定律化学热力学第一定律332.混合气的绝对内能和绝对焓)(0TEEE)(0THHHiiiieMexMEH0000)()()(TeMTexMTEiiii)()()(ThMThxMTHiiii化学热力学第一定律化学热力学第一定律34当进行燃烧时，组分发生变化，xi发生变化, E0, E(T)将同时发生变化;如果总内能E没有发生变化，则一定引起温度变化。E0, E(T)的变化将相互抵消。内能

27、和焓可以绘成内能和焓曲线图。化学热力学第一定律化学热力学第一定律353.反应热对于反应：pRMMMR, Mp分别是反应物和产物的总摩尔数 dEdWdQ对于绝热定容燃烧过程，dQ和dW等于0，则有：0dE0RpEEPiipiippiippTexexMexME)()()(0RiiRiiRRiiRRTexexMexME)()()(0化学热力学第一定律化学热力学第一定律36设： RRRiiRReMexME000)()()()()(RRRRiiRRTeMTexMTEpppiippeMexME000)()()()()(ppppiippTeMTexMTE可得：)()(00RRRRRpppppTeMeMTeM

28、eM若设： RRppeMeME000（化合能的变化，是由于工质成分的变化而引起，与温度无关。又称为绝对零度时的反应热） 所以绝热定容燃烧过程： 0)()(ETeMTeMRRRppp化学热力学第一定律化学热力学第一定律37若已知反应物的成分、反应物的温度TR和产物的成分，则可以求出燃烧产物的温度TP。TP升高，意味着燃烧释放出了热量，即为反应热。 化学热力学第一定律化学热力学第一定律38反应热通过用“热值仪”测量，其原理是：反应在包有水套的容器中进行。反应的初始温度为TS，燃烧后由于产物和水套之产的热量传递而使燃烧产物的湿度回到TS。 这个过程中传给水套冷却水的热量QvsRpvsEEQdtdtd

29、mttCQpvs012)(化学反应的热力学第一定律为：)()()()(000sRRspPsRRsppRRppvsTeMTeMETeMTeMeMeMQ所以反应热是温度 TS的函数，Ts称为标准温度。 化学热力学第一定律化学热力学第一定律39以反应温度TR和反应物的反应热 Qvs表示的绝热定容燃烧的一般表达式： vssppsRRRRpppQTeMTeTeMTeM)()()()(对于有热损失和容积变化的一般燃烧情况，则第一定律为：dEdWdQ211221EEpdVdQ化学热力学第一定律化学热力学第一定律40几点结论：燃烧最大温度TP与初始反应物温度 TR,与产物内能曲线EP(T)+E0P的变化规律有

30、关，所以产物的离解（产物成分）、压缩终点温度（初始反应温度）对燃烧温度都有影响。 Qvs的数值与TR有关，故规定标定温度TS。不能实测，因此用Qvs代替。内燃机热力分析中计算燃烧温度的基本关系式 0wdQdQ0 pdVdW vssRspRRppwQTETETETEdWdQ)()()()(0)()(ETETERRpp若干补充条件： TMRpVmol)(VV 41本章内容本章内容3 3、热力学第一定律及应用热力学第一定律及应用1 1、热力学概述热力学概述2 2、热力学基本定律热力学基本定律4 4、混合气混合气5 5、化学热力学第一定律化学热力学第一定律6 6、内燃机热力循环内燃机热力循环卡诺循环卡

31、诺循环等温膨胀：系统从环境中吸收热量； 绝热膨胀：系统对环境作功； 等温压缩：系统向环境中放出热量； 绝热压缩：系统恢复原来状态，系统对环境作负功。卡诺循环的效率c1-c/h卡诺定理阐明了热机效率的限制，指出了提高热机效率的方向（提高T1，降低T3，减少散热、漏气、摩擦等不可逆损耗，使循环尽量接近卡诺循环）。OttoOtto循环循环理想理想OttoOtto循环热效率循环热效率 K值，与发动机泄漏、传热和工质成分有关 EGR，K值减少，热效率降低68101214161820220.400.450.500.550.600.650.700.75thk=1.4k=1.35作业： 一台汽油机压缩比为8,

32、压缩始点温度为280K,压力为85kPa,燃烧最高压力为6500kPa，计算最高燃烧温度，燃烧释放的热量以及排气温度（Cv假设为常数，29.3J/mol.k或1kJ/kg.k)DieselDiesel循环循环Wherethisthermalefficiencyisthecut-offratio(ratiobetweentheendandstartvolumeforthecombustionphase)risthecompressionratioisratioofspecificheats(Cp/Cv)早期的点燃式发动机循环早期的点燃式发动机循环T-S图压缩冲程的影响理想柴油机热力循环理想柴油机

33、热力循环49绝热压缩绝热压缩定定容容加加热热定压膨胀定压膨胀绝热膨胀绝热膨胀定定容容放放热热理论示功图理论示功图理想柴油机热力循环理想柴油机热力循环50112112kkTvTv3322TpTp4433TvTv1332121kTTTTTT( (定容定容) )升压比升压比压缩比压缩比( (定压定压) )预胀比预胀比理想柴油机热力循环理想柴油机热力循环5113243vpq c T Tc T T012wqq混合加热循环的计算混合加热循环的计算251vqc T T吸热量吸热量放热量放热量循环净功循环净功理想柴油机热力循环理想柴油机热力循环5202111twqqq 51132431vtvpcTTcTTcT

34、T551132433324121311111tTTTTTTk TTTTTTkTTTT 51332412131111tTTTTTTkTTTT 循环热效率继续膨胀混合加热循环继续膨胀混合加热循环实际发动机循环实际发动机循环进气进气压缩压缩膨胀膨胀排气排气排气排气进气进气压缩压缩膨胀膨胀 实际循环损失包括：工质影响/缸壁传热/换气损失/燃烧损失/泄漏损失/其它损失进气冲程进气冲程进气门开启进气门开启大气压力线大气压力线PVra上止点下止点排气门关闭排气门关闭活塞进气终了压力、温度：柴油机0.8-0.95bar310-340K汽油机0.75-0.9bar370-400K压缩冲程压缩冲程PVra大气压力

35、线大气压力线c上止点下止点排气门关闭排气门关闭进气门关闭进气门关闭活塞理论上压缩过程是绝热的，实际上是多变的，多变指数为n1n1 :开始： n1n1 K，吸热； n1n1 =K，绝热；后期： n1n1 K，放热做功冲程做功冲程Pra大气压力线大气压力线cZb上止点下止点排气门关闭排气门关闭进气门关闭进气门关闭理论上做功膨胀过程是绝热的，实际上是多变的，多变指数为n1:开始：n1K，吸热活塞排气冲程排气冲程PVr大气压力线大气压力线cZb上止点下止点排气门开启排气门开启进气门关闭进气门关闭由自由排气和强制排气组成，排气温度可作为检测发动机状况的手段活塞压缩过程多变指数压缩过程多变指数PvK=const做以下假设：1）工质和气缸壁没有热交换2）工质不存在泄露3）工质的比热不随温度而变化绝热指数K为定值开始：n1，n1，工质从缸壁吸热；然后： n1， =n1，工质达到缸壁温度绝热最后：n1，n1，工质向缸壁传热压缩过程参数值估算压缩过程参数值估算在实际近似计算中，为简便起见，常用一个假定不变的平均多变指数n1来代替n。代替的条件是：用下面两式计算出的Pc和Tc值应和实际压缩过程的Pc和Tc值相同。 Pc=Pan1 Tc=Ta