基于仿真軟件和熱力學(xué)分析的6v50柴油機(jī)有效能量利用研究

基于仿真軟件和熱力學(xué)分析的6v50柴油機(jī)有效能量利用研究

能量分析方法通常用于對(duì)柴油機(jī)的能量分析。也就是說(shuō)，采用力學(xué)第一個(gè)規(guī)律。這是基于能量守固定規(guī)律，它揭示了熱力過(guò)程中能量之間的數(shù)量關(guān)系。為了進(jìn)一步探討能量的有效利用途徑,僅分析能量關(guān)系是不夠的,還需要分析能量的“質(zhì)量”,如能量轉(zhuǎn)換中需要的條件,熱能中有多少轉(zhuǎn)換為功,即分析熱過(guò)程進(jìn)行的方向條件和限度。這就需要結(jié)合熱力學(xué)第一定律和第二定律進(jìn)行有效能分析(?分析),該方法又稱(chēng)為第二定律分析法。作者針對(duì)一種典型的高速增壓中冷柴油機(jī)進(jìn)行了熱力學(xué)第一定律、第二定律的計(jì)算分析,提出了進(jìn)一步提高柴油機(jī)能量利用率的方向。16物理模型測(cè)試為了便于分析,將柴油機(jī)模型簡(jiǎn)化分解成子系統(tǒng),利用仿真軟件所提供的模塊建立相應(yīng)的物理模型。圖1為6V150柴油機(jī)的物理模型圖。它由空氣濾清器(CL1)、中冷器(CO1)、進(jìn)氣導(dǎo)管(PL2)、6個(gè)汽缸(C1-C6)、渦輪增壓器(TC1)和消聲器(PL1)組成。物理模型中各個(gè)模塊通過(guò)管道連接,并設(shè)置了8個(gè)測(cè)量點(diǎn)(為了得到熱力學(xué)計(jì)算所需參數(shù)值)。圖2為柴油機(jī)熱力學(xué)分析的簡(jiǎn)化圖。它是由壓氣機(jī)、中冷器、汽缸、排氣系統(tǒng)和渦輪5個(gè)子系統(tǒng)組成的。2系統(tǒng)的平衡方程根據(jù)熱力學(xué)第一定律,對(duì)于任何系統(tǒng),各種能量之間的平衡關(guān)系一般表示為Ein-Eout=ΔE1,(1)即進(jìn)入系統(tǒng)的能量與離開(kāi)系統(tǒng)的能量的差值為系統(tǒng)儲(chǔ)存能量的變化。流動(dòng)工質(zhì)遷移的能量E1=mh+v22+gzh+v22+gz,(2)式中mh為焓;其他兩項(xiàng)分別為動(dòng)能和位能。假定柴油機(jī)的循環(huán)過(guò)程是開(kāi)口穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程,并假定氣體進(jìn)入控制體的動(dòng)能和位能可以忽略。則式(2)可簡(jiǎn)化為mh。根據(jù)熱力學(xué)第二定律,選取系統(tǒng)與環(huán)境達(dá)到約束性平衡(即只有熱平衡和力平衡)的狀態(tài)作為計(jì)算系統(tǒng)?值的基準(zhǔn)狀態(tài),取環(huán)境參數(shù)p0=0.1MPa,T0=293K。熱力系統(tǒng)滿(mǎn)足?平衡方程:∑Ein=∑(Eout+Est+Ed)。(3)因?yàn)椴裼蜋C(jī)工作循環(huán)過(guò)程被視為開(kāi)口穩(wěn)流,所以在進(jìn)行?平衡分析時(shí),將涉及系統(tǒng)與外界傳遞的?、系統(tǒng)儲(chǔ)存的?的變化Est以及系統(tǒng)內(nèi)部的?損失Ed。柴油機(jī)?分析中?的計(jì)算方程如下。工質(zhì)的焓?dE=dm[(h-h0)-T0(s-s0)],(4)軸功的?dEW=dW,(5)容積變化功的?dEW=(p-p0)dV,(6)熱量?dEQ=dQ1?T0T1-Τ0Τ,(7)均勻系統(tǒng)儲(chǔ)存的?按其熱力學(xué)能?計(jì)算,即Eu=meu=m[(u-u0)+p0(V-V0)-T0(s-s0)],(8)燃料的?dEf=dmf(wfeLf),(9)式中mf為燃料質(zhì)量;eLf為燃料的低熱值(質(zhì)量能);wf為燃料的化學(xué)成分CnHm的系數(shù),wf=1.04224+0.011925mn?0.042nwf=1.04224+0.011925mn-0.042n,(10)直噴式柴油機(jī)取wf=1.0338。式(4)～式(10)中E,h,s,W,m,p,u,V,T,Q分別為工質(zhì)在某一狀態(tài)時(shí)的有效能(?)、比焓、比熵、所做的功、質(zhì)量、壓力、比熱能、體積、溫度和所放出的熱量。根據(jù)式(3)～式(9),可得出各子系統(tǒng)的?平衡方程。壓氣機(jī)、渦輪中的?損失來(lái)源于氣動(dòng)損失。因?yàn)閴簹鈾C(jī)的進(jìn)氣參數(shù)為(p0,T0),故進(jìn)氣的?值為0。所以壓氣機(jī)的?平衡方程為Ed,c=|Wc|-Ec,out,(11)渦輪的?平衡方程為Ed,T=ET,in-ET,out-WT,(12)式中Ed為?損失。在計(jì)算中沒(méi)有考慮機(jī)械摩擦功.氣體流經(jīng)中冷器時(shí)壓力下降(pout→pin),同時(shí)向外界環(huán)境散熱,?損失為散熱損失和氣動(dòng)損失,其中散熱損失由式(7)熱量?公式計(jì)算,氣動(dòng)損失可直接按壓力?的減少計(jì)算,即Ed=mRT0lnpoutpinEd=mRΤ0lnpoutpin。(13)對(duì)氣缸子系統(tǒng)進(jìn)行熱力分析時(shí),將缸內(nèi)工質(zhì)的瞬時(shí)成分和熱力狀態(tài)看作是均勻的。系統(tǒng)邊界如圖3所示,選擇空冷器出口處為控制體的進(jìn)氣,排氣處的邊界選擇在排氣管端口處。進(jìn)氣過(guò)程的?損失包括進(jìn)氣閥節(jié)流損失以及新鮮空氣與缸內(nèi)氣體的混合損失;排氣過(guò)程的?損失包括排氣閥節(jié)流損失。在整個(gè)循環(huán)內(nèi),汽缸系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程的?平衡方程為Ed=Ef+Ein-Eout-EW-EQ,(14)排氣子系統(tǒng)的?損失是由于管道摩擦引起的,因此?損失為Ed=EPor-ETur。(15)根據(jù)式(1)～式(14),輸入條件的環(huán)境參數(shù)為p0=0.1MPa,T0=293K。對(duì)6V150柴油機(jī)在2000r/min穩(wěn)定工況下進(jìn)行計(jì)算,得出柴油機(jī)工作過(guò)程的熱力學(xué)計(jì)算所需參數(shù)值,結(jié)果列于表1,表2。得到所需參數(shù)數(shù)據(jù)后,根據(jù)上面介紹的第一定律和第二定律分析方法,對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表3。3持續(xù)燃燒的能量表2中,能量平衡按熱力學(xué)第一定律分析(基準(zhǔn)溫度為0K),進(jìn)入柴油機(jī)的能量有進(jìn)氣能量和燃料的能量。從整機(jī)來(lái)看,一部分被排氣帶出,一部分為柴油機(jī)所做的指示功,剩下的一部分通過(guò)散熱向外傳遞。按?分析,進(jìn)入柴油機(jī)的有效能只有燃料的?。除排氣和散熱帶走一部分?(21.8%,14.0%),一部分轉(zhuǎn)化為有用功(43.1%),其余是因系統(tǒng)內(nèi)部不可逆的因素,蛻化為不可用能量。?分析能夠反映出能量分析未能反映的系統(tǒng)內(nèi)部的不可逆損失,能明確提出提高能量利用率的途徑。從上述數(shù)值表中,通過(guò)焓與有效能的對(duì)比,可以看出汽缸內(nèi)部?損失16.3%,在各環(huán)節(jié)中占較大比例。這表明,對(duì)6V150柴油機(jī)來(lái)說(shuō)進(jìn)一步組織好燃燒過(guò)程,減小內(nèi)部?損失是提高能量利用率的一條重要途徑;在汽缸中散熱焓占23.9%、?占12%,散熱能量中可利用的能量占其焓的50%左右,可見(jiàn)進(jìn)一步采取隔熱措施,對(duì)于提高能量利用率會(huì)有