基于仿真軟件和熱力學分析的6v50柴油機有效能量利用研究

基于仿真軟件和熱力學分析的6v50柴油機有效能量利用研究

能量分析方法通常用于對柴油機的能量分析。也就是說，采用力學第一個規(guī)律。這是基于能量守固定規(guī)律，它揭示了熱力過程中能量之間的數(shù)量關(guān)系。為了進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,即分析熱過程進行的方向條件和限度。這就需要結(jié)合熱力學第一定律和第二定律進行有效能分析(?分析),該方法又稱為第二定律分析法。作者針對一種典型的高速增壓中冷柴油機進行了熱力學第一定律、第二定律的計算分析,提出了進一步提高柴油機能量利用率的方向。16物理模型測試為了便于分析,將柴油機模型簡化分解成子系統(tǒng),利用仿真軟件所提供的模塊建立相應的物理模型。圖1為6V150柴油機的物理模型圖。它由空氣濾清器(CL1)、中冷器(CO1)、進氣導管(PL2)、6個汽缸(C1-C6)、渦輪增壓器(TC1)和消聲器(PL1)組成。物理模型中各個模塊通過管道連接,并設置了8個測量點(為了得到熱力學計算所需參數(shù)值)。圖2為柴油機熱力學分析的簡化圖。它是由壓氣機、中冷器、汽缸、排氣系統(tǒng)和渦輪5個子系統(tǒng)組成的。2系統(tǒng)的平衡方程根據(jù)熱力學第一定律,對于任何系統(tǒng),各種能量之間的平衡關(guān)系一般表示為Ein-Eout=ΔE1,(1)即進入系統(tǒng)的能量與離開系統(tǒng)的能量的差值為系統(tǒng)儲存能量的變化。流動工質(zhì)遷移的能量E1=mh+v22+gzh+v22+gz,(2)式中mh為焓;其他兩項分別為動能和位能。假定柴油機的循環(huán)過程是開口穩(wěn)定流動過程,并假定氣體進入控制體的動能和位能可以忽略。則式(2)可簡化為mh。根據(jù)熱力學第二定律,選取系統(tǒng)與環(huán)境達到約束性平衡(即只有熱平衡和力平衡)的狀態(tài)作為計算系統(tǒng)?值的基準狀態(tài),取環(huán)境參數(shù)p0=0.1MPa,T0=293K。熱力系統(tǒng)滿足?平衡方程:∑Ein=∑(Eout+Est+Ed)。(3)因為柴油機工作循環(huán)過程被視為開口穩(wěn)流,所以在進行?平衡分析時,將涉及系統(tǒng)與外界傳遞的?、系統(tǒng)儲存的?的變化Est以及系統(tǒng)內(nèi)部的?損失Ed。柴油機?分析中?的計算方程如下。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)儲存的?按其熱力學能?計算,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、渦輪中的?損失來源于氣動損失。因為壓氣機的進氣參數(shù)為(p0,T0),故進氣的?值為0。所以壓氣機的?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。在計算中沒有考慮機械摩擦功.氣體流經(jīng)中冷器時壓力下降(pout→pin),同時向外界環(huán)境散熱,?損失為散熱損失和氣動損失,其中散熱損失由式(7)熱量?公式計算,氣動損失可直接按壓力?的減少計算,即Ed=mRT0lnpoutpinEd=mRΤ0lnpoutpin。(13)對氣缸子系統(tǒng)進行熱力分析時,將缸內(nèi)工質(zhì)的瞬時成分和熱力狀態(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氣,排氣處的邊界選擇在排氣管端口處。進氣過程的?損失包括進氣閥節(jié)流損失以及新鮮空氣與缸內(nèi)氣體的混合損失;排氣過程的?損失包括排氣閥節(jié)流損失。在整個循環(huán)內(nèi),汽缸系統(tǒng)循環(huán)過程的?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6V150柴油機在2000r/min穩(wěn)定工況下進行計算,得出柴油機工作過程的熱力學計算所需參數(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,對柴油機進行計算,計算結(jié)果如表3。3持續(xù)燃燒的能量表2中,能量平衡按熱力學第一定律分析(基準溫度為0K),進入柴油機的能量有進氣能量和燃料的能量。從整機來看,一部分被排氣帶出,一部分為柴油機所做的指示功,剩下的一部分通過散熱向外傳遞。按?分析,進入柴油機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,通過焓與有效能的對比,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6V150柴油機來說進一步組織好燃燒過程,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,可見進一步采取隔熱措施,對于提高能量利用率會有