一种柴油机基于热力学循环的最高热效率预测方法

本发明涉及的是一种柴油机预测方法，具体地说是柴油机热效率预测方法。

背景技术：

柴油机是世界上运用最为广泛的动力机械之一，作为表征其动力性能与经济性能最为核心的指标，柴油机热效率意义重大。柴油机热效率是有效输出功与其总投入热量的比值，热效率越高代表柴油机本身的动力性能越好，油耗越低。

预测柴油机的最高热效率，能为柴油机具体的热效率优化手段，提供一个理论指导方向，以完全开发柴油机热效率优化潜力。根据现有的一些文献，目前对柴油机最高热效率的预测主要是通过零维或一维仿真软件进行的，使用该类仿真软件时需要较多的实验数据对模型进行标定与校核。该类方法在最高热效率预测精度上能满足要求，但是对于尚处于设计环节的柴油机，由于缺乏足够的实验数据，难以开展最高热效率的预测仿真。此外，由于仿真软件预测时使用了过多的柴油机具体参数，使得预测结果不具备普适性与可推广性，为热效率优化带来了不便。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供可以在不依赖于实验数据的情况下通过热力学循环分析得出柴油机最高热效率的一种柴油机基于热力学循环的最高热效率预测方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种柴油机基于热力学循环的最高热效率预测方法，其特征是：

热效率η与热力学循环中压缩始点温度t1、定容加热起点温度t2、定压加热起点温度t3、膨胀起点温度t4、膨胀终点温度t5的关系表示为：

循环各状态点温度与定容投入热力比xcv、压缩比ε、爆发压力比φ的函数关系推导具体包括：根据绝热压缩过程的特征方程，由初始温度t1、绝热指数k、压缩比ε写出定容加热起点温度t2的表达式:

t2＝t1ε^k-1

根据定容加热过程的特征方程，由压缩比ε、定容过程增压比λ定压加热起点温度t3的表达式：

t3＝λt1ε^k-1

根据定压加热过程的特征方程，由定压预胀比ρ写出膨胀起点t4的温度表达式：

t4＝ρλt1ε^k-1

根据定容放热过程的特征方程，写出膨胀终点t5的温度表达式：

t5＝t1λρ^k

根据定容加热过程与定压加热过程的能量守恒方程式，由总投入热量qtot与比热容cv等参数可以写出定容投入热量比xcv的表达式:

由此定容增压比λ、定压预胀比ρ和定容投入热量比xcv的函数关系可以表示为：

由式t2＝t1ε^k-1、t3＝λt1ε^k-1、t4＝ρλt1ε^k-1、t5＝t1λρ^k、联立，得到循环各状态点温度与定容投入热力比、压缩比、爆发压力比的函数关系。

本发明的优势在于：本发明基于柴油机的理想混合加热循环对最高热效率进行预测，无需任何实验数据对方法进行校核修正，使用简单便捷，解决了目前预测柴油机最高热效率方法中对实验数据依赖较大的问题。同时计算过程中使用了较少的实际机型数据，使得热效率预测结果具备普适性与可推广性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为柴油机混合加热循环示意图；

图3为某参数条件下的最高热效率预测结果。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-3，本发明根据压缩比、爆发压力比、压缩初始温度、压缩初始压力、定容增压比、定压预胀比、定容投入热量比、比热容比在内的参数对柴油机最高热效率进行预测。

通过对柴油机热力学循环热效率表达式的函数关系式推导，结合具体的压缩比与爆发压力比限制，预测出在限定条件下的柴油机最高热效率以及对应的定容投入热量比；其中所述柴油机热力学循环特指由绝热压缩过程、定容加热过程、定压加热过程、绝热膨胀过程、定容放热过程组成的理想混合加热循环。

热力学循环热效率表达式的函数关系推导具体包括：热效率与热力学循环各状态点温度的函数关系推导；热力学循环各状态点温度与压缩比、爆发压力比、定容投入热量比的函数关系推导；热效率与压缩比、爆发压力比、定容投入热量比的函数关系推导。

热效率与热力学循环各状态点的函数关系推导具体包括：根据混合加热循环的性质，写出循环热效率与各状态点温度之间的关系表达式。

力学循环各状态点温度与压缩比、爆发压力比、定容投入热量比的函数关系推导具体包括：根据绝热压缩过程、定容加热过程、定压加热过程、绝热膨胀过程的特征方程，将各状态点的温度表示为压缩比、爆发压力比、定容投入热量比的函数。

热效率与压缩比、爆发压力比、定容投入热量比的函数关系推导具体包括：联立热效率与循环各状态点温度的函数关系和各状态点温度与压缩比、爆发压力比、定容投入热量比的函数关系，推导出热效率与压缩比、爆发压力比、定容投入热量比的函数关系。

热效率η与热力学循环中压缩始点温度t1、定容加热起点温度t2、定压加热起点温度t3、膨胀起点温度t4、膨胀终点温度t5的关系表示为：

具体的，循环各状态点温度与定容投入热力比xcv、压缩比ε、爆发压力比φ的函数关系推导具体包括：根据绝热压缩过程的特征方程，由初始温度t1、绝热指数k、压缩比ε写出定容加热起点温度t2的表达式:

t2＝t1ε^k-1(2)

根据定容加热过程的特征方程，由压缩比ε、定容过程增压比λ等参数写出定压加热起点温度t3的表达式：

t3＝λt1ε^k-1(3)

根据定压加热过程的特征方程，由定压预胀比ρ等参数写出膨胀起点t4的温度表达式：

t4＝ρλt1ε^k-1(4)

根据定容放热过程的特征方程，写出膨胀终点t5的温度表达式：

t5＝t1λρ^k(5)

根据定容加热过程与定压加热过程的能量守恒方程式，由总投入热量qtot与比热容cv等参数可以写出定容投入热量比xcv的表达式:

由此定容增压比λ、定压预胀比ρ和定容投入热量比xcv的函数关系可以表示为：

由式(2)(3)(4)(5)和式(8)(9)联立，可以得到循环各状态点温度与定容投入热力比、压缩比、爆发压力比的函数关系。

热效率与压缩比、爆发压力比、定容投入热量比的函数关系推导具体包括：联立热效率与循环各状态点温度的函数关系和各状态点温度与压缩比、爆发压力比、定容投入热量比的函数关系，推导出热效率与压缩比、爆发压力比、定容投入热量比的函数关系。本实施例中将给出热效率随定容过程投入热量比、压缩比、爆发压力比的变化曲线，如图3所示，而柴油机的最大热效率可根据所选择的压缩比、爆发压力比、定容投入热量比不同在曲线中读出。