工程热力学论文

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柴油机实际循环的传热分析

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目录

前言

一、柴油机实际循环的组成 (1)

二、实际循环的特点 (2)

三、实际循环理想化 (2)

四、传热的相关基础知识 (3)

五：柴油发动机的传热分析 (4)

六：参考文献 (7)

前言

在工程热力学中，我们将柴油机实际循环理想化为绝热压缩过程；定容加热过程；定压加热过程；绝热膨胀过程；定容放热过程。这样几个理想过程，而理想化的模型忽略了很大部分传热的能量损失问题，故在此讨论柴油机实际循环中的传热损失。

在研究传热损失之前，有必要了解一下了解了柴油机的各个实际循环过程。

一、柴油机实际循环的组成

柴油机有四冲程机与二冲程机二种，

一个工作循环都由进气、压缩、燃烧膨

胀、排气过程组成。如果一个工作循环

在活塞连续的四个行程中完成，称为四

冲程机；如果一个工作循环在活塞连续

的二个行程中完成，称为二冲程机。所

以本节的讨论对四、二冲程内燃机都适

用。下面以现代机械喷射四冲程柴油机

的p-V图为例,介绍其工作循环。

0-1为吸气过程:吸气过程中，由于

流动阻力，缸内气体压力略低于大气压

图9-1 四冲程柴油机示功图

力。

l-2为压缩过程:压缩早期，空气从气

缸壁吸热，q>0；压缩后期，空气向气缸壁放热，q<0。压缩过程的平均多变指数n=1.34～1.37。压缩终点空气温度约600℃～700℃，压力约3～5Mpa，超过柴油自燃点（335 ℃左右）。

2-3-4为燃烧过程：现代柴油机采用喷油泵和喷油器，将燃油在压缩冲程上止点前(2′点)喷进气缸，由于高压燃油(供油压力80～150MPa)经细小如针孔的喷孔挤出时受到强烈的摩擦、扰动以及气缸内压缩空气的阻力，被粉碎成雾状，细微的燃油被高温压缩空气加热而蒸发，与空气形成可燃混合气，当某处燃油达到自燃点燃烧，放出热量而引燃所有可燃混合气。燃油在上止点前喷入气缸到火苗出现的这段时间，称为“滞燃期”，滞燃期内积累的燃油量在活塞位于上止点附近的一瞬间燃烧放热，工质压力在一瞬间上升到6～8Mpa，使理想循环可以认为这部分热量是在定容下加入的；而火苗出现后喷入的燃油由于随喷随烧，此时活塞已向下止点方向运动，燃烧放热量使气缸在容积增大

时保持定压，理想循环可以认为这部分燃油放热量在定压下加入，燃烧终了时，工质温度可达1400℃～1800℃。由于兼有定容加热和定压加热过程，所以现代机械喷射柴油机的理想循环称为混合加热循环，燃烧过程为燃料的化学能转变为热能的过程。

4-5为膨胀过程：高温高压工质推动活塞下行，由于气缸容积增大，工质的压力、温度下降，过程实现热能转变成机械能，即工质推动活塞的功通过连杆传递转变成曲轴的转矩输出。膨胀过程进行到排气阀打开时为止，由于气缸容积的限制，膨胀终点工质的压力为0.2～0.5MPa ，高于大气压力，温度约600℃～700℃。膨胀过程的前期工质吸热，后期向缸壁放热，平均多变指数n=1.2～1.38。

5-6-0为排气过程:在活塞的下止点前排气阀开启，废气在压差作用下排出气缸，气体压力突然下降；随后活塞上行，将剩余废气推出。由于存在流动阻力，排气时缸内气体压力略高于大气压力，温度约300℃～500℃。

二、实际循环的特点

从图可知：

1． 柴油机不是封闭循环，循环中吸进新鲜空气，排出废气，工质处在开口系统中；但由于进、排气压力差不大，进、排气过程线靠得很近。

2． 循环中工质的组分和化学性质发生了变化。

3． 压缩和膨胀过程的多变指数都是变化的，但由于压缩、膨胀过程工质平均温度都很高，因此，这两个过程的总体效果是向气缸、活塞头部冷却介质放热。

4． 循环中排气带走了相当数量的燃烧放热量，这是动力循环向低温热源的放热过程，是实现动力循环不可缺少的条件。

5． 所有过程都不可逆。

三：实际循环理想化：

理想循环基于以下假设：

1．取消进、排气过程，使循环中工质处于封闭系统，进行封闭循环。压缩始点压力1p 、温度1T ，循环工质的质量1

1RT V p m s ；循环喷入的燃油量相对燃气量很小，可以忽略不计，工作容积s V 在压缩始点时

的燃气量等于m 。

2．忽略压缩与膨胀过程中工质向缸壁、活塞头部的热交换，将压缩与膨胀视为绝热过程。

3．循环中工质的化学性质不变，即认为循环中不发生燃料燃烧的化学反应，而用工质从外界的定容吸热和定压吸热过程替代燃油的燃

烧放热过程。

4．用定容放热过程代替排气

过程，认为定容放热后，工质恢

复到循环的初始状态。

5．所有热力过程均可逆，循

环为可逆循环，比热为定值。

由上面理想循环的假设知，理

想循环热效率要比实际循环高，

因此，它可以看作实际循环热效

率的极限，它为热机工作的改进

提供了依据。

如图9-2 混合加热理想循环的p-v图和T-s图经过简化，可以得到柴油机理

想循环如图9-2所示。

柴油机理想循环组成过程：

1-2绝热压缩过程；2-3定容加热过程；3-4定压加热过程；4-5绝

热膨胀过程；5-1定容放热过程。

因为兼有定容和定压加热过程，所以称之为混合加热循环，混合

加热循环是现代机械喷射柴油机的理想循环。

四：传热的相关基础知识：

由于理想化的模型忽略了很大部分传热的能量损失问题，故在此讨论

柴油机实际循环中的传热损失：了解了柴油机的各个循环后，我们对

柴油机的传热问题进一步探讨：

首先先给出传热的相关基础知识：

传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。

热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部

位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温

物体的过程，简称导热。热对流是指不同温度的流体各部分由相对运

动引起的热量交换。工程上广泛遇到的对流换热，是指流体与其接触

的固体壁面之间的换热过程，它是热传导和热对流综合作用的结果。

决定换热强度的主要因素是对流的运动情况。