工程热力学课程论文柴油机实际循环的传热分析姓名：______________________________________班级：______________________________________教学号：____________________________________任课老师：__________________________________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11RT 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。

热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。

它是波长在0.1～100微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中间介质的真空中直接传递。

太阳就是以辐射方式向地球传递巨大能量的。

每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的辐射热。

辐射和吸收所综合导致的热量转移称为辐射换热。

实际传热过程一般都不是单一的传热方式，如火焰对炉壁的传热，就是辐射、对流和传导的综合，而不同的传热方式则遵循不同的传热规律。

为了分析方便，人们在传热研究中把三种传热方式分解开来，然后再加以综合。

五：柴油发动机的传热分析：发动机的传热一般可以分成若干子系统, 第1 和第2子系统为进排气系统, 它在叉流处有弯管和非流线体（气门和气门导管）, 因此出现压力波不稳定流和接合面不稳定流；第3 子系统为燃烧室, 这是最重要的子系统, 燃气在燃烧室中进行周期性相互作用的三维流动, 使燃气压力急剧变化；第4子系统是不规则冷却系统中的冷却剂, 利用它进行强制对流换热；第 5 子系统是润滑剂, 它既冷却活塞, 又决定着缸套与活塞环间的磨损情况；第6子系统为发动机整体,它分隔开了其他5 个子系统, 在该系统内进行着三维非稳态传热。

另外还有一些重要系统, 如涡轮增压器、中冷器等装置。

内燃机整个传热过程指的是缸内燃气通过燃烧室壁把热量传给冷却介质的过程，可分为：缸内燃气放热，固体部件间传热（气缸盖、缸体、活塞组—气缸套），冷却介质（循环冷却水、润滑油）散热三部分。

传热过程直接影响内燃机的动力性、经济性、可靠性，是内燃机研究的一个重要领域。

内燃机整个传热过程是一个互相联系，互相影响的整体，应将缸内燃气、燃烧室整体部件和冷却介质作为一个整体，考虑各种物理场一流动、燃烧、传热、润滑、摩擦，及燃烧室各部件问～一气缸盖与气缸体、活塞组与气缸套的耦合作用，进行整体耦合模拟。

循环冷却水是整个机体最主要的散热源，其直接影响到柴油机的冷却效率、高温零件的热负荷、整机的热量分配和能量利用。

循环冷却水由机油冷却器流人各缸体水套，再流人缸头，返回油冷器完成整个水路循环。

内燃机润滑系统的主要功用是润滑、冷却、清洁、密封和防腐等多种功能，对内燃机的正常运转起着重要的作用，是内燃机可靠工作、延长使用寿命的重要保证。

润滑油的特性及其流动状况、油路的布置、油冷器的设计也是影响内燃机性能的主要方面。

润滑油的特性与缸内工作过程．油路的布置，固体部件的结构，冷却系统状态有关。

下面从循环的各个过程进行分析传热对于发动机性能的影响：下面以4冲程发动机为例讨论传热情况。

进气冲程开始后, 进气道壁和气门背上的热量传向进气, 热能随气体进入气缸。

由于接触的时间短且传热效果低, 因此对流动的影响不大, 但会降低发动机的容积效率, 这对绝热发动机尤为重要。

有冷却系统的发动机在全负荷时, 这种传热可使容积效率降低3%~4%。

压缩过程为一个多变的过程, 但不是绝热过程。

压缩过程中的传热影响柴油机的压燃。

传热产生的温差不能用单区柱体模型来确定, 因为一般水冷发动机在上止点时边界层气体包含了大部份柱体所包围的质量。

压缩传热对爆震的定量影响难以计算, 而温度对爆震的影响已很清楚了。

在压缩过程中, 废气的传热和不均匀气体的传热均会导致边界层气体和中芯气体的混合。

绝大部份传热发生在燃烧膨胀期,在燃烧过程中, 开式燃烧室的热流量迅速升高。

这在柴油机上是由对流换热和火焰幅射传热造成的由于柴油机上同时存在对流换热和辐射传热, 因此, 定量分析传热过程较为困难。

后燃期长、放热高正是传热对燃烧过程的主要影响。

燃烧过程中, 柴油机燃料能量的14%用于传热, 把这部份能量以及膨胀过程中剩余的热量节省下来并不能大幅度地增加输出功率, 因为发动机80%的传热量由排气带走了。

气缸里的热量有50% 传到活塞,30% 传到缸盖。

由于气门温度较高, 所以, 传到其上的热量比传到其他零件上的少, 传到暴露在燃气里的缸套上的热量也比较少，若减少传到活塞的热量, 则减少了通过活塞环的传热量, 这对润滑油有利。

对于普通冷却的发动机, 传入缸套中的热量有1/3是由摩擦引起的在膨胀期问, 燃气温度的降低导致传热率很快下降, 燃气密度的减少使对流换热系数也减少了。

在排气门处热流由气门流向气体。

排气过程中主要的热能损失是从排气道壁散失的, 一小部分（约10%）是从排气门背损失的。

用陶瓷或金属空气隙将排气道壁绝热, 可使冷却液负荷降低大约20%。

排气过程中气缸内传热量很少, 但可降低缸内残余废气温度,提高发动机的充气效率。

由以上传热损失的分析可知，传热损失对于发动机的性能产生了比较大的影响。