汽車發(fā)動機與熱力學的關系 大物論文

1、姓名：常艷 班級：電氣201203 學號：20122127汽車發(fā)動機與熱力學的關系摘要:為進一步提高發(fā)動機熱效率，需要對發(fā)動機動力循環(huán)中的能量利用作出分 析，可用能分析可以從質(zhì)的方面對發(fā)動機工作過程中的能量利用作出評價。該文 利用發(fā)動機工作過程有限時間熱力學模型，對發(fā)動機工作過程中的可用能損失進 行了全面的分析，所得結論與發(fā)動機實際工作過程基本一致。關鍵詞：內(nèi)燃機循環(huán)有限時間熱力學 內(nèi)可逆過程不可逆過程熱力學性能優(yōu)化引言:傳統(tǒng)的內(nèi)燃機理論循環(huán)熱力學分析對以下問題沒有回答，不可逆過程熱力 學偏重于局域微分方程研究，也不能回答這些全局性問題，如:在時間周期T內(nèi)， 發(fā)動機產(chǎn)生給定的功所需要的能量為多

2、少?給定輸入能量，在時間S內(nèi)給定的內(nèi) 燃機產(chǎn)生的最大功是多少？在有限時間內(nèi)運行給定的熱力過程的最有效方法（最 佳路徑）是什么?在有限時間內(nèi)運行的內(nèi)燃機的性能界限如何確定？熱阻、內(nèi)不可 逆性、熱漏等不同損失項對實際熱力過程的影響有何特點？正文:有限時間熱力學的簡介19世紀中葉，法國人卡諾（Carnot）經(jīng)過研究得出 卡諾定理1:在溫度不同的兩個恒溫熱源（TL，TH）之間工作的任何熱機中以可逆熱 機的效率為最高，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熱源，此即為著名的卡諾效 率。由此開創(chuàng)的經(jīng)典熱力學這一科學領域，隨著科學的不斷

3、發(fā)展，經(jīng)過科學家的 不斷探索和創(chuàng)新，在卡諾定理的基礎上相繼發(fā)現(xiàn)了熱力學第一、二定律。兩個定 理的建立和運用推動了熱力學數(shù)學理論的發(fā)展，并使用數(shù)學及邏輯的方法建立了 基于基本定律的完整的經(jīng)典熱力學體系。它要求所有的實際過程都要與可逆過程 進行比較加以研究，因為系統(tǒng)只有從一個狀態(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)典熱力學最優(yōu)問 題的解就是可逆熱力過程，即在過程中系統(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)的熱力過程必須進行的無限緩慢，從而使系統(tǒng)的功率輸出 為零。但是由于系統(tǒng)和環(huán)境之間的實際交換過程是不可逆的，交換速率不是無限 小

4、，系統(tǒng)熱力過程進行的時間是有限的，因此經(jīng)典熱力學由此導出的熱機性能界 限太高，與實際熱機性能偏離較大。鑒于此，對經(jīng)典熱力學進行改進，求出存在 系統(tǒng)與環(huán)境間有限速率熱交換的有限時間過程和有限尺寸裝置的熱力學性能界 限，就是有限時間熱力學最初所要研究的主要內(nèi)容。前蘇聯(lián)學者諾維科夫3、 法國學者查姆巴戴爾和加拿大學者寇松和愛爾邦5分別注意到了這一問題。 他們在內(nèi)可逆的條件下，考慮了熱機傳熱過程中的有限速率，導出了工質(zhì)與高、 低溫熱源間存在熱阻損失時的卡諾熱機最大功率輸出時的效率界限 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 機性能界限。這成為有限時間熱力

5、學研究的奠基性結果。自70年代中期以來， 以尋求熱力過程的性能界限、達到熱力學優(yōu)化為目標的這類研究工作均取得了巨 大進展，并稱之為有限時間熱力學理論6。有限時間熱力學與傳統(tǒng)的不可逆熱 力學不同，是其進一步發(fā)展。傳統(tǒng)的不可逆過程熱力學側重于了解系統(tǒng)的狀態(tài) 參量隨時空變化的規(guī)律，建立局域微分方程，因而一些過程函數(shù)（如功、熱量等）在 特定過程中的變化凈效應不易由這種不可逆熱力學得出結論;而有限時間熱力學 則著重于系統(tǒng)的整體描述，應用變分原理等數(shù)學工具，可導出過程變化的最佳 凈效應。內(nèi)燃機理論循環(huán)的有限時間熱力學分析的研究思路是對實際內(nèi)燃機熱力過 程作一定的假設，得到熱力學和數(shù)學模型，給定一系列的約束

6、條件下，找出給定 路徑下的目標極值或所取目標為極值時的最優(yōu)路徑，并求出與時間有關的目標值， 以及最佳的時間，得到所分析過程的最佳性能指標。內(nèi)燃機理論循環(huán)的有限時間 熱力學分析現(xiàn)階段主要以理論研究為主，在有限時間熱力學蓬勃發(fā)展的背景下雖 然也得到一定的發(fā)展，但發(fā)表的論文不過幾十篇，下面就此項研究主流加以分析。 熱源模型對內(nèi)燃機理論循環(huán)的影響:內(nèi)燃機燃燒過程中溫度是始終變化的，將內(nèi) 燃機理論循環(huán)作為有限熱容（變溫）熱源研究是比較接近實際的，但限于模型的簡 化，一般將其作為恒溫熱源加以研究，由于偏離實際過程，從而帶來較大誤差。 在有限熱容條件下，應著重探索給定熱量下，內(nèi)燃機的性能和性能優(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)不可逆性對內(nèi)燃機理論循環(huán)的影響:在內(nèi)燃機循環(huán)中，必須考慮內(nèi)不可逆 對內(nèi)燃機性能的影響。目前的研究在內(nèi)可逆模型的基礎上引入內(nèi)不可逆因子7。 這種處理方式的優(yōu)點是模型統(tǒng)一、簡單，但在內(nèi)不可逆因子的定量計算上還有一 定的困難，對不可逆因子的定量計算方法，從而可以定量分析內(nèi)不可逆性的影響， 其計算結果還有待實驗的驗證。內(nèi)燃機工作過程的有限時間熱力學研究:有限時間熱力學理論隨著人們研究 的深入，其研究對象逐漸從理論循環(huán)轉向實際過程的熱力循環(huán)，當前建立更真實 地描述內(nèi)燃機工作過程中各種不可逆因素的熱力學模型，以及定量測試各種不可 逆因素對發(fā)

8、動機性能的影響，是將有限時間熱力學進一步與工程實際相結合的關 鍵。然而，熱機的最大理論效率是卡諾循環(huán)效率，即熱機按照卡諾循環(huán)進行工 作，其理論效率為62.7%但是，其條件在現(xiàn)實生活中也是比較可靠的，因為它由 兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成，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)濟的。將其做成汽油機或柴油機也存在很多問題比如工質(zhì) 的不同。但是有一類發(fā)動機也應用了卡諾循環(huán)一一即斯特林發(fā)動機。斯特林發(fā)動 機是獨特的熱熱機，因為他們理論上的效率幾乎等于理論最大效率，稱為卡諾循 環(huán)效率。斯特林發(fā)動機是通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產(chǎn)生動力的。而且斯特 林發(fā)動機是外燃機。優(yōu)點為由于外燃

9、機避免了傳統(tǒng)內(nèi)燃機的震爆做功問題，從而 實現(xiàn)了高效率、低噪音、低污染和低運行成本。外燃機可以燃燒各種可燃氣體， 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，以及利用太陽能等。只要熱腔達到700C，設備即可做 功運行，環(huán)境溫度越低，外燃機最大的優(yōu)點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：制造成本較高，工質(zhì)密封技術較難，密 封件的可靠性和壽命還存在問題，功率調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)較復雜，機器較為笨重。我 想這也是實際生活中難以利用卡諾循環(huán)來制造汽車發(fā)動機的原因。但是，如何就目前狀況進一步提高汽車發(fā)動機的效率，依然是一個很有討論

10、價值的。目前的主流汽油發(fā)動機的進氣、壓縮、做功、排氣四個過程的行程應該 是相等的，這是造成發(fā)動機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)動機做功過程中，會產(chǎn)生大量的熱量，同時汽油燃燒也會產(chǎn)生新的氣體， 所以此過程的能量應該是非常大的。但現(xiàn)在的發(fā)動機做功距離只于壓縮距離相等， 造成的能量的浪費：一是做功完成之后缸內(nèi)氣體壓力過大，仍有部分能量沒有利 用；二是缸內(nèi)壓力過大使排氣過程使用過多的能量；三是缸內(nèi)溫度過高，利于熱 量向外散發(fā)要。改善這一問題便要縮短進氣、壓縮的行程，延長做功距離?？梢?延遲吸氣的開始時間以減少吸氣行程，相比之下便增大了做功行程。結論:對內(nèi)燃機理論循環(huán)的有限時間熱力學研究和以內(nèi)燃機實際熱力循環(huán)為研究 對象的有限時間熱力學理論的不斷發(fā)展，必將會不斷豐富有限時間熱力學理論， 也為內(nèi)燃機工作過程的熱力學分析開辟一片新的天地。參考文獻：1訾琨。內(nèi)燃機理論循環(huán)的有限時間熱力學分析C。中國工程熱物理學會第六 屆年會,1988.10。編號:8810612陳林根，孫豐瑞。有限時間熱力學理論和應用的發(fā)展現(xiàn)狀J。物理學進展，1998.18(4):395- 422。3訾琨編著。車用發(fā)動機熱力學分析及優(yōu)化。云南科技出版社,1997、7。姚壽廣。內(nèi)燃機有限時間內(nèi)不可逆循環(huán)熱力學分析J。內(nèi)燃機學報,1994.12(2):156163。5陳林根，林俊興,孫