第二节 热力系统的划分

i m u m R T (* 1 0 3 K J / m o l )
3 涡轮增压柴油机热力系统的划分 为了便于问题的讨论和建立热力模型，将整个涡轮增压 柴油机热力系统划分成若干个独立的、瞬时热力平衡的分支 油机热力系统划 若 个 立的 瞬时热力 衡的 支 热力系统。在这些分支热力系统之间，通过热量与质量的交 换相互联系在一起，并互为边界条件。在各分支热力系统之 内，假定各点每瞬时的工质压力、温度相等，成分都是均匀 的，即处于瞬时热力平衡状态。 为了简化计算 不考虑空气滤清器子系统和消声器子系 为了简化计算，不考虑空气滤清器子系统和消声器子系 统。 一般将增压柴油机热力系统划分成下列五个子系统： 气缸 进气管 排气管 废气涡轮增压器和空气中间冷却器 气缸、进气管、排气管、废气涡轮增压器和空气中间冷却器。
1 ) 气缸子系统 1.) 将气缸盖、气缸套、活塞顶诸壁面构成的空间划分为 气缸子系统。 新鲜充量经进气系统进入气缸子系统 废气由气缸子 新鲜充量经进气系统进入气缸子系统，废气由气缸子 系统流入排气管，子系统与外界进行质量交换。 气缸子系统在压缩、膨胀作功过程中与外界进行功量 交换 同时气缸子系统还与外界发生热量交换 交换。同时气缸子系统还与外界发生热量交换。 假定气缸中气体的压力、温度、成分是均匀的。对于 四冲程柴油机，可近似地认为在720℃A内都是处于瞬时热 力平衡状态； 该子系统的计算与计算边界条件将在第三节详细介绍。
) * (T 273) *10 2 1356.8]* 4.1868 *10 3 KJ / mol (燃气 )
在工作过程计算中，一般用质量单位kg，故而内能 公式需要除以摩尔质量： U U m (KJ / kg(燃气) ) mAm 其中，mAm为燃气的摩尔质量，可以根据瞬态过量 空气系数αm和各成分的摩尔质量来计算。 当 = ，表示全是空气， mAm =28.83g/mol 当 =1 ，表示全是燃气， mAm =29g/mol 燃气的焓：焓等于气体内能和流动功之和
4.) 废气涡轮增压器子系统 由压气机、废气涡轮共同组成一个子系统。 这个子系统是基于下列假设条件下确立的： 个 系统 基 条件 确立的 在这个子系统内每一工作循环中废气涡轮输出功正 流过废气涡轮的燃气流量等于流过压气机的空气流 压气机和废气涡轮转速相等，且在一个循环内转速 并且可认为在一个循环内转速是稳定的，即使是在 好等于压气机消耗功，即功率相等； 量和燃油流量之和，即流量平衡； 稳定不变。 脉冲系统内也是如此。 脉冲系统内也是如此
有时用空燃比AF或燃空比FA来表示可燃混合气的成分。 充入气缸内的实际空气质量与进入气缸内的燃料量的质量 比为空燃比，即：
充入气缸内的实际空气重量 燃料重量 L'0 L'0 A/F= 进入气缸内的燃料重量 燃料重量
FA=1/AF--------当量比
充入气缸内的实际空气重量 燃料重量 L'0 AF= L'0 进入气缸内的燃料重量 燃料重量
② 当进气管容积较小或由于某些特殊要求需要考 虑进气管内压力变化时，把进气管当作 个容器处理， 虑进气管内压力变化时，把进气管当作一个容器处理， 这个容器的容积为进气阀以前的进气管总容积。 进气过程视作进气对这一容器的充填与排空过程， 这 处理方法又称为 容积法 。 这一处理方法又称为“容积法”
3.) 排气管子系统 把从排气阀起至废气涡轮喷嘴环止的气缸盖排气道、 把从排气阀起至废气涡轮喷嘴环止的气缸盖排气道 排气歧管、排气总管及涡轮进气蜗壳划分成为排气管子系 统。 排气管子系统计算主要有两种方法： 一种是以零维模型计算的“容积法”， 把排气管当作具有一定容积的“容器”看待，而忽略 压力波在管内的传播，那么，可认为排气管内燃气只是一 个单纯的充 满 排 空过程，管内各点每瞬时处于热力平 个单纯的充-满-排-空过程，管内各点每瞬时处于热力平 衡状态，气体的各状态参数仅是时间的函数。 容积法在计算中 低速或排气管长度与转速乘积值不 容积法在计算中、低速或排气管长度与转速乘积值不 大的中高速柴油机的管内过程，以及仅求柴油机整机的综 合热力参数时是适用的 尤其是在多方案的对比计算时更 合热力参数时是适用的，尤其是在多方案的对比计算时更 为适用。
瞬时过量空气系数，主要用于表征缸内工质的成分， 用于工质过程数值模拟计算。 用于工质过程数值模拟计算
2 工质的内能和气体常数 由于各种柴油（包括重油）的燃烧产物非常接近， 因此，燃气的性质都可用瞬时过量空气系数αm来描写， 即瞬时过量空气系数αm确定了， 确定了，一个单位燃气内各个气 个单位燃气内各个气 体工质的比重就确定了。 工质的内能，即为瞬时过量系数 质的内能 为瞬时过量系数αm和温度的函数 和 度的 数
1.2 . 瞬时过量空气系数 发动机气缸内工质并不是纯空气，其工质成分随着 发动机气 内 质并不 气 其 质成分随着 时间和地点的变化而变化。 在工作过程数值模拟时 需要准确计算出各个时刻 在工作过程数值模拟时，需要准确计算出各个时刻 下的工质的内能， 各个时刻下准确的工质成分，工 质质量。
mL 某时刻气缸内实际空气质量 m = 该时刻缸内所含燃烧产物相当的燃油量燃烧所需理论空气量 L0 * mf
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热力系统的划分
瞬时过量空气系数 工质的内能 涡轮增压柴油机热力系量空气系数的定义 充入气缸内的实际空气质量与进入气缸内的燃料完全 燃烧所需的理论空气量的比值称为过量空气系数，记作
=
充入气缸的实际空气重量 L ' 燃料完全燃烧所需理论空气量 L0
另一种是以一维模型计算的“特征线法” 另 种是以 维模型计算的 特征线法 ，则需要考虑 则需要考虑 压力波的影响。
对 排气管长度与转速的乘积值较大的柴油机 对于排气管长度与转速的乘积值较大的柴油机，必须考虑压 须考虑压 力波在管内的传播，因此，容积法的计算精度往往达不到要求。 这时气体压力和温度不仅是时间的函数，而且也是位置的函数， 可按一维不稳定流列出方程式，但其微分方程组不收敛，一般需 采用特征线法进行处理，不过计算程序比较复杂，计算时间长， 通常仅在容积法计算达不到预定要求时，才考虑采用特征线法。 目前国内外工作过程电算程序中仍普遍采用容积法。对于具 有长排气管的低速柴油机，当管内排气压力波波幅不大时，采用 小扰动法计算也是很适宜的。这种方法比较简便(相对于特征线法)、 适用(相对于容积法)，但也有局限性。
显然：可燃混合气按理论混合比混合， α =1。 若 α ＜1，则氧量不足，称之为浓混合气；
瞬时过量空气系数怎么算？ 若 α ＞1，则氧量过剩，称之为稀混合气。 则氧量过剩 称之为稀混合气
实际上，即使是在一台内燃机的一个工作循环中， 瞬时过量空气系数能表达什么物 瞬时过量空气系数能表达什么物理意义？ 意义 其α值也会随时间和气缸中空间位置的不同而变化。 过量空气系数公式所表达的α值是指一个工作循环中 值是指 个工作循环中 缸内α的算术平均值。
2.) 进气管子系统 把从中冷 把从中冷器出口起至进气阀止的进气总管、进气歧 起 进气阀止的进气总管 进气歧 管及气缸盖进气道划分成为进气管子系统。 对进气管子系统的计算视具体要求可按如下两种方 法处理： ① 若进气管总容积足够大，则近似认为进气管内 若进气管总容积足够大 则近似认为进气管内 压力等各参数不随空间坐标及曲轴转角而变化，将进气 管内压力、温度等参数作为一个不变的常数处理。
5 ) 空气中间冷却器子系统 5.) 增压柴油机大多数都设置有空气中间冷却器，在热 力系统划分时将中间冷却器划分为一个子系统。 中间冷却器从热力过程看实质上是一个节流、降温 的换热器件 主要是计算空气流 中间冷却器时的压力 的换热器件，主要是计算空气流经中间冷却器时的压力 损失和计算空气流过中间冷却器后的散热量。 中冷器 往往将其简化成一个节流与降温的元件来处 理。
Um f (m ,T )
具体计算公式为居斯特（Just）公式：
U m [ 0.0975 (4.896
0.93 m
0.0485
0.75 m
* (T 273) 3 *10 6 (7.768
3.36
0.8 m
) * (T 273) 2 *10 4
3 3646 4 3.3646.4
将内燃机视为一系列可控 容积，并通过管 进行能量和质 容积，并通过管口进行能量和质 量交换，一般增压内燃机分为下 列五个热力系统： 列五个热力系统 （1）气缸 （2）进气管 （3）排气管 （4）涡轮增压器 （5）中冷器
这种划分要求各子系统均有自己的边界和边界条件， 各自构成一个物理模型 且具有自己的物理特点 各自构成一个物理模型，且具有自己的物理特点； 系统与系统之间通过能量与质量的传递相互联系。 对任一子系统的描述，都可以把它从系统中分离出 来，而赋于其外部约束，其内部过程用相应的子模 型进行数学描述。 型进行数学描述 所有各子系统的数学描述，构成了整个工作过程的 所有各子系统的数学描述 构成了整个工作过程的 数学模型。