GDI发动机发展趋势电控燃油喷射与燃烧.docx

电控燃油喷射及燃烧课程设计（论文）GDl发动机历史和发展趋势(北美)HistoryandDevelopmentTrendOverviewofGDIEngine(NorthAiierica)动力机械及工程学生姓名任课老师完成日期ABSTRACT本文较为具体地介绍了火用的提出及其定义，并总结了火用分析方法在内燃机工作过程中的应用探讨现状。建立零维内燃机缸内火用模型，并归纳了各项火用值及其未知量的求解方法。对前人做出的关于发动机火用分析的试验结果进行了重新分析，总结了发动机工作过程中的火用改变规律进行了分析，并提出了优化现有发动机工作过程的方法。关键词：火用分析、内燃机工作过程、不行逆火用损失ABSTRACTII*1.1 火用的提出和定义31.2 火用的计算41.3 内燃机工作过程火用分析意义51.4 火用分析方法在内燃机探讨中的应用与发呈现状61.4.1 汽油机61.4.2 柴油机61.4.3 替代燃料发动机的探讨71.4.4 国内探讨状况71.5 本文的工作8其次发动机维物力学型2.1 基本假设2.2 基本微分方程92.2.1 能属守恒方程92.2.2 质量守恒方程IO2.2.3 志向气体状态方程IO2.2.4 火用平衡方程102.3 火用值项求解II工质瞬时火用值Il2.3.1 燃油火用值Il2.3.2 活塞做功火用值122.3.3 缸壁传热火用值122.4 模量中变量的求解122.4.1 燃料瞬时放热量122.4.2 缸壁瞬时传热量132.5 热力学其次定律热效率定义1315第三章计算结果3.1 探讨对象153.2 计算结果分析153.3 优化内燃机工作过程的方法1719第五章总第与展望5.1 总结195.2 展望1919第1章绪论1.1 火用的提出和定义热力学第肯定律指出，能量是守恒的，这体现了能量的“数量”属性。热力学其次定律指出，能量的转化是有方向性的，火用体现了能量的''品质"属性，即能量在转换过程中会出现“品质”的退化'贬值、火用削减。1956年南斯拉夫学者Rant首先提出“火用”这个术语，Rant把能量分为在肯定条件下可以转换的部分和不行转换的部分，分别命名“Exergy”和"Anergy,u'1机械能、电能等全部可转化为热能，理论上转换效率接近100%,这类可无限转换的能量称为火用，机械能全部为火用，但是反方向热能转换为机械能电能等，却不行能全部转换，转换实力受到热力学其次定律的制约。所以，从技术运用和经济价值的角度，前者的品质更高，更为珍贵。热能木身也有质量的差别。由高于（或低于）环境温度的物体供应的热量中，部分可转换为机械能。以其为高温热源，环境为低温热源，通过可逆机可作出的有用功（循环净功），这是技术上可以实现的可转化的最大量:。这类热源属于有限可转换能量。供热体温度愈高，热量质量也愈商。地球表面的大气、海水、河水是一个温度基木恒定（及环境温度相同）的大热库，有着巨大的热能（热力学能）。由于单一热源供应的热量是不能连续做功的，因而由他们供应的热量无法转变为机械功，他们是不行转换的能量，从动力的观点称其为废热或者火无。图IT电能图1-2热能（及环境有图1-3环境热能（及环境温差）无温差）热力系中的工质或物质流因其具有能量也具备做功实力。及环境处于热力不平衡的闭口系，当它及环境发生作用、可逆地改变到及环境平衡时，可作出的最大有用功，称为闭口系统工质的热力学能火用：及环境处于热力不平衡的流淌工质，通过检流热力系在只及环境发生作用的条件卜，可逆地改变到及环境平衡时，作出最大的有用功则为稳定流淌工质的熔火用。因而，热力学中定义：在环境条件下，能量中可转化为有用功的最高份额称为该能量的火用。或者，热力系只及环境相互作用，从随意状态可逆地变换到及环境相平衡的状态时，作出的最大有用功称为该热力系的火用。在环境条件条件下不行能转化为有用功的那部分能量称为火无。热和能量E都由火用(As)和火无(An)两部分组成，即：E=As+An(1-1)火用参数的提出，为评价能量的“星”和“质”供应了一个统一尺度。由此而建立的热系统火用平衡分析法，结合r热力学第一、其次定律，比起由热力学第肯定律得出的能平衡方法更科学、更合理力1.2 火用的计算在温度为T。的环境温度条件下，系统(TT。)所供应的热量中可转化为有用功的最大值为火用，以AS表示。图1-4可逆热机系统图1-5诈可逆热机系统以环境为冷源，系统为热源，如图1-4所示，设想有一个可逆机在其之间工作，设热机从热源获得Q的热量，则系统能向外输出的星大火用为：(1-2)不行逆损失也称为可用能损失，实际过程都是不行逆的，由实际过程的不行逆性可以推断实际过程及志向过程的接近程度以及改进方向。不行逆性随时间或者曲轴转角的改变称为不行逆性改变率，它反映产生能量可用性损失的动力学缘由。当热机为非可逆系统时，由于存在不行逆火用损失项，系统向外界输出的火用将削减：s.real=AsS×T(1-3)系统的火无值为：Aa.real=(17)Q+SX(1-4)1.3 内燃机工作过程火用分析意义将热力学第肯定律和热力学其次定律进行耦合，采纳火用分析的方法来探讨内燃机燃烧过程中热机械火用、化学火用和不行逆性火用损失的改变率，有利全面理解发动机的热力学工作过程，为发动机性能优化供应参考。图b6内燃机结构示意图图1-7汽油机工作过程汽轮机和燃气轮机属于定常态连续流体机械，其工质的做功过程比较简洁,工质各项参数比较稳定，易于测得，故各项损失也简洁进行计算，火用分析也就较易进行，因此，这类热机的火用平衡分析发展较快。但内燃机是非定常态的非连续流热机，其一个工作循环在很短时间内完成，燃烧过程各参数改变较猛烈，燃烧期间散热量及膨胀过程散热量无法确定，或者说是不行分，并且在进气、压缩、燃烧、膨胀、排气过程中，工研自始至终及冷却介质进行热交换，特殊是在燃烧期间，热交换更为激烈，使得温差传热不行逆损失难以确定。另方面，由于存在后燃，燃烧过程要持续到膨胀期，使燃烧不行逆损失难以精确计算。因此，柴油机的火用平衡计算较为困难，目前还不多见，有的也只是针对志向的过程而进行的，尤其是未能计算出内燃机的工序及冷却介质之间由于温差传热而造成的火用损失，但是志向及实际之间终归是有差距的。1.4 火用分析方法在内燃机探讨中的应用及发呈现状以热力学其次定律为基础的火用分析方法很早就应用于内燃机中的性能探讨，早期的探讨多是采纳测量数据或简化热力学循环来计算火用改变规律后期探讨多结合完整的热力学模型开展，探讨有关参数对火用改变规律的影响。具体包括以下几个方面。.汽油机Caton采纳模拟方法探讨了燃烧过程对火用损失的影响，以绝热等容系统内的燃烧室工质作为探讨对象，求解了辛烷一空气混合气的火用，分析了温度、压力、空燃比、燃烧速率等对燃料火用改变的影响，阐述了该方法在内燃机中的应用。CalOn还采纳热力学循环模拟获得车用汽油机性能和火用随速度和负荷的改变规律，结果表明，由燃烧过程引起的火用损失（作为燃料火用的比例）为20.321.4%。高速高负荷条件最有利于保持燃料火用。此外，还将多区模型应用到实际汽车发动机的燃烧过程，求解了能量、火用改变及燃产的规律，并对比了多区模型和单区模型对火用损失的影响差别了。.柴油机RakoPOUIoS等探讨了高速、白然吸气、四冲程柴油机燃烧不行逆性和工质火用的计算方法，采纳的燃料包括甲烷、甲醇、十二烷等，并进行了对比,将燃烧过程熄产率计算作为燃料反应速率的函数，采纳化学平衡假设，计算验证了小分子燃料燃烧时燧产较小的理论，而含氧燃料的排气混合燃较低。Rakopoulos等还建立了瞬态负荷工况条件卜增压柴油机的能量平衡和火用平衡模型，综合了机械摩擦和燃油泵的数学模型，分别考虑了柴油机气缸、进排气管、增压器、中冷器的火用模型，分析了气缸壁温度分布对火用改变的影响，特殊考虑了低放热（绝热）的状况，探讨表明，温度分布对火用改变规律具有显著影响"Rakopoulos等还综述了热力学其次定律在内燃机中的应用，探讨内容包括发动机气缸和各子系统状态参数、化学火用、流淌和燃料火用等的定义和火用平衡方程等3.替代燃料发动机的探讨Gallo和MiIaneZ对乙醉发动机和汽油机进行了火用分析比较，探讨结果表明在相同的压缩比状况卜.，乙醇发动机的燃烧效率比汽油机的高，火用效率也高，这表明燃烧过程中乙醉的不行逆性比汽油要小"，AlaSfoUr对掺混30%丁沛的汽油机进行探讨，主要是通过试验的方法来确定随着燃空当最比改变所得到的发动机的运行性能，然后用试验得到的结果来计算相关的热力学其次定律所对应的各项的值.探讨发觉丁群一汽油发动机在平衡比为09的状况下，49.4%的燃料火用没有用来做功，另外探讨还发觉在稀燃状况下，热效率和火用效究还发觉在稀燃状况下，热效率和火用效率都增加H1.Zhang采纳单区和双区模型对燃用压缩自然气的火花点火发动机进行J'热力学循环模拟，具体计算压力、温度、指示功、热损失、漏气量以及燃烧火用损失、热火用传递、排气火用等，并对发动机运行参数如点火定时、燃烧持续时间、当量空燃比等进行了性能优化探讨，综合考虑热效率和火用效率后建议采纳稀燃过量空气系数为1.1,51oPraveen进行了等容、等压和等温燃烧条件下燃烧火用损失改变规律的探讨加。DaW等采纳精确限制的预热技术，实现等乐燃烧过程使氢接近平衡燃烧，从理论上可使燃烧过程的火用损失最小化。RakOpoul。SBo最近结合湍流燃烧模型采纳准维多区模型探讨了白然气/氢混合燃料在内燃机燃烧过程中的火用分析，指出采纳W燃料有望提高火用效率，尤其是后燃气体对降低燃烧不行逆具有重要的作用，并考察了氢含量对火用效率和不行逆性的影响。Rakop。UIoS还对沼气/氢气混合燃料在火花点火发动机工作过程中产生的燃烧不行逆性进行了探讨，考虑了已燃气体燃烧不行逆的空间分布。美国Stanford高校等进行的“全球气候及能源安排”(GIobalClimate&EnergyProject),提出借助于降低汽车发动机火用损失的策略，通过实现可控的燃烧过程，使燃烧放热规律和活塞运动更好匹配，从而使传热火用损失及平衡燧最小化来实现内燃机效率的大幅提高刈。.国内探讨状况国内也有较多的对于内燃机火用分析的探讨，如毕小平采纳零维单区模型对直喷式柴油机进行了能量可用性分析，定量计算了能量做功实力和火用损失,对汽油机燃烧过程进行了火用和不行逆性的定量分析，考察了空燃比、残余废气系数等对于火用和不行逆性改变率的影响规律23金红光等提出了“化学能及物理能综合梯级利用”的新原理，探讨了化学能梯级利用机理，也须要分析燃烧过程中火用的改变规律兰旭光将柴油机工作过程拆分为若干过程，对各个过程缸内工质的火用进行了较为具体的分析。1.5 本文的工作首先介绍火用的定义，论述火用分析方法在内燃机工作过程中的应用探讨现状，建立零维内燃机缸内火用模型来分析发动机工作过程中的火用改变规律,并指出火用分析方法的应用发展方向。最终对一种新型发动机一敏气循环发动机一做了简洁的介绍，基仿真