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论述汽车发动机与热力学的关系

摘要:为进一步提高发动机热效率，需要对发动机动力循环中的能量利用作出分析，

可用能分析可以从质的方面对发动机工作过程中的能量利用作出评价。该文利用发动

机工作过程有限时间热力学模型，对发动机工作过程中的可用能损失进行了全面的分

析，所得结论与发动机实际工作过程基本一致。

关键词:内燃机循环;有限时间热力学;内可逆过程;不可逆过程;Diesel和Otto循环;

热力学性能优化

引言:传统的内燃机理论循环热力学分析对以下问题没有回答，不可逆过程热力学偏

重于局域微分方程研究，也不能回答这些全局性问题，如:在时间周期S内，发动机产

生给定的功所需要的能量为多少?给定输入能量，在时间S内给定的内燃机产生的最大

功Wmax是多少?在有限时间内运行给定的热力过程的最有效方法(最佳路径)是什么?

在有限时间内运行的内燃机的性能界限如何确定?热阻、内不可逆性、热漏等不同损

失项对实际热力过程的影响有何特点?

正文:有限时间热力学的简介19世纪中叶，法国人卡诺（Carnot）经过研究得出卡诺

[1]

定理:在温度不同的两个恒温热源(TL，TH)之间工作的任何热机中以可逆热机的效

率为最高，而且在上述热源条件下工作的一切可逆热机具有相同的效率:GC=1-TL/TH，

其中TL和TH分别代表低温和高温热源，此即为著名的卡诺效率。由此开创的经典热力

学这一科学领域，随着科学的不断发展，经过科学家的不断探索和创新，在卡诺定理

的基础上相继发现了热力学第一、二定律。两个定理的建立和运用推动了热力学数学

理论的发展，并使用数学及逻辑的方法建立了基于基本定律的完整的经典热力学体系。

它要求所有的实际过程都要与可逆过程进行比较加以研究，因为系统只有从一个状态

可逆的变化到另一状态才能得到最大功，而不可逆过程总是要伴随着系统作功能力的

损失。因此经典热力学最优问题的解就是可逆热力过程，即在过程中系统保持内平衡，

系统和环境的总熵不变，在此约束条件下，系统的热力过程必须进行的无限缓慢，从

而使系统的功率输出为零。但是由于系统和环境之间的实际交换过程是不可逆的，交

换速率不是无限小，系统热力过程进行的时间是有限的，因此经典热力学由此导出的

热机性能界限太高，与实际热机性能偏离较大。鉴于此，对经典热力学进行改进，求

出存在系统与环境间有限速率热交换的有限时间过程和有限尺寸装置的热力学性能

[2]

界限，就是有限时间热力学最初所要研究的主要内容。前苏联学者诺维科夫

1

[3][4]

（Novikov）、法国学者查姆巴戴尔（Chambadal）和加拿大学者寇松（Curzon）

[5]

和爱尔邦（Ahlborn）分别注意到了这一问题。他们在内可逆的条件下，考虑了热

机传热过程中的有限速率，导出了工质与高、低温热源间存在热阻损失时的卡诺热机

0。5

最大功率输出时的效率界限为:GCA=1-(TL/TH)此即为著名的CA效率，它提供了不

同于卡诺效率的新的热机性能界限。这成为有限时间热力学研究的奠基性结果。自70

年代中期以来，以寻求热力过程的性能界限、达到热力学优化为目标的这类研究工作

[6]

均取得了巨大进展，并称之为有限时间热力学理论。

有限时间热力学与传统的不可逆热力学不同，是其进一步发展。传统的不可逆

过程热力学侧重于了解系统的状态参量随时空变化的规律，建立局域微分方程，因

而一些过程函数(如功、热量等)在特定过程中的变化净效应不易由这种不可逆热力

学得出结论;而有限时间热力学则着重于系统的整体描述，应用变分原理等数学工具，

可导出过程变化的最佳净效应。

内燃机理论循环的有限时间热力学分析的研究思路是对实际内燃机热力过程作一定

的假设，得到热力学和数学模型，给定一系列的约束条件下，找出给定路径下的目标

极值或所取目标为极值时的最优路径，并求出与时间有关的目标值，以及最佳的时间，

得到所分析过程的最佳性能指标。内燃机理论循环的有限时间热力学分析现阶段主要

以理论研究为主，在有限时间热力