汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與熱力學(xué)的關(guān)系 大物論文

1、姓名：常艷 班級(jí)：電氣201203 學(xué)號(hào)：20122127汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與熱力學(xué)的關(guān)系摘要:為進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力循環(huán)中的能量利用作出分 析，可用能分析可以從質(zhì)的方面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中的能量利用作出評(píng)價(jià)。該文 利用發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程有限時(shí)間熱力學(xué)模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中的可用能損失進(jìn) 行了全面的分析，所得結(jié)論與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過(guò)程基本一致。關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)循環(huán)有限時(shí)間熱力學(xué) 內(nèi)可逆過(guò)程不可逆過(guò)程熱力學(xué)性能優(yōu)化引言:傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)熱力學(xué)分析對(duì)以下問(wèn)題沒(méi)有回答，不可逆過(guò)程熱力 學(xué)偏重于局域微分方程研究，也不能回答這些全局性問(wèn)題，如:在時(shí)間周期T內(nèi)， 發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生給定的功所需要的能量為多

2、少?給定輸入能量，在時(shí)間S內(nèi)給定的內(nèi) 燃機(jī)產(chǎn)生的最大功是多少？在有限時(shí)間內(nèi)運(yùn)行給定的熱力過(guò)程的最有效方法（最 佳路徑）是什么?在有限時(shí)間內(nèi)運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)的性能界限如何確定？熱阻、內(nèi)不可 逆性、熱漏等不同損失項(xiàng)對(duì)實(shí)際熱力過(guò)程的影響有何特點(diǎn)？正文:有限時(shí)間熱力學(xué)的簡(jiǎn)介19世紀(jì)中葉，法國(guó)人卡諾（Carnot）經(jīng)過(guò)研究得出 卡諾定理1:在溫度不同的兩個(gè)恒溫?zé)嵩矗═L，TH）之間工作的任何熱機(jī)中以可逆熱 機(jī)的效率為最高，而且在上述熱源條件下工作的一切可逆熱機(jī)具有相同的效 率:GC=1-TL/TH，其中TL和TH分別代表低溫和高溫?zé)嵩?，此即為著名的卡諾效 率。由此開(kāi)創(chuàng)的經(jīng)典熱力學(xué)這一科學(xué)領(lǐng)域，隨著科學(xué)的不斷

3、發(fā)展，經(jīng)過(guò)科學(xué)家的 不斷探索和創(chuàng)新，在卡諾定理的基礎(chǔ)上相繼發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)第一、二定律。兩個(gè)定 理的建立和運(yùn)用推動(dòng)了熱力學(xué)數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，并使用數(shù)學(xué)及邏輯的方法建立了 基于基本定律的完整的經(jīng)典熱力學(xué)體系。它要求所有的實(shí)際過(guò)程都要與可逆過(guò)程 進(jìn)行比較加以研究，因?yàn)橄到y(tǒng)只有從一個(gè)狀態(tài)可逆的變化到另一狀態(tài)才能得到最 大功，而不可逆過(guò)程總是要伴隨著系統(tǒng)作功能力的損失。因此經(jīng)典熱力學(xué)最優(yōu)問(wèn) 題的解就是可逆熱力過(guò)程，即在過(guò)程中系統(tǒng)保持內(nèi)平衡，系統(tǒng)和環(huán)境的總熵不變， 在此約束條件下，系統(tǒng)的熱力過(guò)程必須進(jìn)行的無(wú)限緩慢，從而使系統(tǒng)的功率輸出 為零。但是由于系統(tǒng)和環(huán)境之間的實(shí)際交換過(guò)程是不可逆的，交換速率不是無(wú)限 小

4、，系統(tǒng)熱力過(guò)程進(jìn)行的時(shí)間是有限的，因此經(jīng)典熱力學(xué)由此導(dǎo)出的熱機(jī)性能界 限太高，與實(shí)際熱機(jī)性能偏離較大。鑒于此，對(duì)經(jīng)典熱力學(xué)進(jìn)行改進(jìn)，求出存在 系統(tǒng)與環(huán)境間有限速率熱交換的有限時(shí)間過(guò)程和有限尺寸裝置的熱力學(xué)性能界 限，就是有限時(shí)間熱力學(xué)最初所要研究的主要內(nèi)容。前蘇聯(lián)學(xué)者諾維科夫3、 法國(guó)學(xué)者查姆巴戴爾和加拿大學(xué)者寇松和愛(ài)爾邦5分別注意到了這一問(wèn)題。 他們?cè)趦?nèi)可逆的條件下，考慮了熱機(jī)傳熱過(guò)程中的有限速率，導(dǎo)出了工質(zhì)與高、 低溫?zé)嵩撮g存在熱阻損失時(shí)的卡諾熱機(jī)最大功率輸出時(shí)的效率界限 為:GCA=1-（TL/TH ）。此即為著名的CA效率，它提供了不同于卡諾效率的新的熱 機(jī)性能界限。這成為有限時(shí)間熱力

5、學(xué)研究的奠基性結(jié)果。自70年代中期以來(lái)， 以尋求熱力過(guò)程的性能界限、達(dá)到熱力學(xué)優(yōu)化為目標(biāo)的這類研究工作均取得了巨 大進(jìn)展，并稱之為有限時(shí)間熱力學(xué)理論6。有限時(shí)間熱力學(xué)與傳統(tǒng)的不可逆熱 力學(xué)不同，是其進(jìn)一步發(fā)展。傳統(tǒng)的不可逆過(guò)程熱力學(xué)側(cè)重于了解系統(tǒng)的狀態(tài) 參量隨時(shí)空變化的規(guī)律，建立局域微分方程，因而一些過(guò)程函數(shù)（如功、熱量等）在 特定過(guò)程中的變化凈效應(yīng)不易由這種不可逆熱力學(xué)得出結(jié)論;而有限時(shí)間熱力學(xué) 則著重于系統(tǒng)的整體描述，應(yīng)用變分原理等數(shù)學(xué)工具，可導(dǎo)出過(guò)程變化的最佳 凈效應(yīng)。內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的有限時(shí)間熱力學(xué)分析的研究思路是對(duì)實(shí)際內(nèi)燃機(jī)熱力過(guò) 程作一定的假設(shè)，得到熱力學(xué)和數(shù)學(xué)模型，給定一系列的約束

6、條件下，找出給定 路徑下的目標(biāo)極值或所取目標(biāo)為極值時(shí)的最優(yōu)路徑，并求出與時(shí)間有關(guān)的目標(biāo)值， 以及最佳的時(shí)間，得到所分析過(guò)程的最佳性能指標(biāo)。內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的有限時(shí)間 熱力學(xué)分析現(xiàn)階段主要以理論研究為主，在有限時(shí)間熱力學(xué)蓬勃發(fā)展的背景下雖 然也得到一定的發(fā)展，但發(fā)表的論文不過(guò)幾十篇，下面就此項(xiàng)研究主流加以分析。 熱源模型對(duì)內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的影響:內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程中溫度是始終變化的，將內(nèi) 燃機(jī)理論循環(huán)作為有限熱容（變溫）熱源研究是比較接近實(shí)際的，但限于模型的簡(jiǎn) 化，一般將其作為恒溫?zé)嵩醇右匝芯?，由于偏離實(shí)際過(guò)程，從而帶來(lái)較大誤差。 在有限熱容條件下，應(yīng)著重探索給定熱量下，內(nèi)燃機(jī)的性能和性能優(yōu)化以及在最

7、大輸出功率條件下的熱效率和在一定傳熱規(guī)律下的熱源溫度變化規(guī)律等。內(nèi)不可逆性對(duì)內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的影響:在內(nèi)燃機(jī)循環(huán)中，必須考慮內(nèi)不可逆 對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能的影響。目前的研究在內(nèi)可逆模型的基礎(chǔ)上引入內(nèi)不可逆因子7。 這種處理方式的優(yōu)點(diǎn)是模型統(tǒng)一、簡(jiǎn)單，但在內(nèi)不可逆因子的定量計(jì)算上還有一 定的困難，對(duì)不可逆因子的定量計(jì)算方法，從而可以定量分析內(nèi)不可逆性的影響， 其計(jì)算結(jié)果還有待實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程的有限時(shí)間熱力學(xué)研究:有限時(shí)間熱力學(xué)理論隨著人們研究 的深入，其研究對(duì)象逐漸從理論循環(huán)轉(zhuǎn)向?qū)嶋H過(guò)程的熱力循環(huán)，當(dāng)前建立更真實(shí) 地描述內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程中各種不可逆因素的熱力學(xué)模型，以及定量測(cè)試各種不可 逆因素對(duì)發(fā)

8、動(dòng)機(jī)性能的影響，是將有限時(shí)間熱力學(xué)進(jìn)一步與工程實(shí)際相結(jié)合的關(guān) 鍵。然而，熱機(jī)的最大理論效率是卡諾循環(huán)效率，即熱機(jī)按照卡諾循環(huán)進(jìn)行工 作，其理論效率為62.7%但是，其條件在現(xiàn)實(shí)生活中也是比較可靠的，因?yàn)樗?兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成，況且，卡諾循環(huán)中要將冷凝溫度減低到環(huán)境 溫度以下，這也是不經(jīng)濟(jì)的。將其做成汽油機(jī)或柴油機(jī)也存在很多問(wèn)題比如工質(zhì) 的不同。但是有一類發(fā)動(dòng)機(jī)也應(yīng)用了卡諾循環(huán)一一即斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。斯特林發(fā)動(dòng) 機(jī)是獨(dú)特的熱熱機(jī)，因?yàn)樗麄兝碚撋系男蕩缀醯扔诶碚撟畲笮?，稱為卡諾循 環(huán)效率。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是通過(guò)氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產(chǎn)生動(dòng)力的。而且斯特 林發(fā)動(dòng)機(jī)是外燃機(jī)。優(yōu)點(diǎn)為由于外燃

9、機(jī)避免了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的震爆做功問(wèn)題，從而 實(shí)現(xiàn)了高效率、低噪音、低污染和低運(yùn)行成本。外燃機(jī)可以燃燒各種可燃?xì)怏w， 如：天然氣、沼氣、石油氣、氫氣、煤氣等，也可燃燒柴油、液化石油氣等液體 燃料，還可以燃燒木材，以及利用太陽(yáng)能等。只要熱腔達(dá)到700C，設(shè)備即可做 功運(yùn)行，環(huán)境溫度越低，外燃機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是出力和效率不受海拔高度影響，非 常適合于高海拔地區(qū)使用。然而其缺點(diǎn)：制造成本較高，工質(zhì)密封技術(shù)較難，密 封件的可靠性和壽命還存在問(wèn)題，功率調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)較復(fù)雜，機(jī)器較為笨重。我 想這也是實(shí)際生活中難以利用卡諾循環(huán)來(lái)制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的原因。但是，如何就目前狀況進(jìn)一步提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，依然是一個(gè)很有討論

10、價(jià)值的。目前的主流汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)過(guò)程的行程應(yīng)該 是相等的，這是造成發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率低的原因之一，就是能量得不到充分利用。因 為，在發(fā)動(dòng)機(jī)做功過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，同時(shí)汽油燃燒也會(huì)產(chǎn)生新的氣體， 所以此過(guò)程的能量應(yīng)該是非常大的。但現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)做功距離只于壓縮距離相等， 造成的能量的浪費(fèi)：一是做功完成之后缸內(nèi)氣體壓力過(guò)大，仍有部分能量沒(méi)有利 用；二是缸內(nèi)壓力過(guò)大使排氣過(guò)程使用過(guò)多的能量；三是缸內(nèi)溫度過(guò)高，利于熱 量向外散發(fā)要。改善這一問(wèn)題便要縮短進(jìn)氣、壓縮的行程，延長(zhǎng)做功距離?？梢?延遲吸氣的開(kāi)始時(shí)間以減少吸氣行程，相比之下便增大了做功行程。結(jié)論:對(duì)內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的有限時(shí)間熱力學(xué)研究和以內(nèi)燃機(jī)實(shí)際熱力循環(huán)為研究 對(duì)象的有限時(shí)間熱力學(xué)理論的不斷發(fā)展，必將會(huì)不斷豐富有限時(shí)間熱力學(xué)理論， 也為內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程的熱力學(xué)分析開(kāi)辟一片新的天地。參考文獻(xiàn)：1訾琨。內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的有限時(shí)間熱力學(xué)分析C。中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)第六 屆年會(huì),1988.10。編號(hào):8810612陳林根，孫豐瑞。有限時(shí)間熱力學(xué)理論和應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀J。物理學(xué)進(jìn)展，1998.18(4):395- 422。3訾琨編著。車用發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)分析及優(yōu)化。云南科技出版社,1997、7。姚壽廣。內(nèi)燃機(jī)有限時(shí)間內(nèi)不可逆循環(huán)熱力學(xué)分析J。內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),1994.12(2):156163。5陳林根，林俊興,孫