（动力机械及工程专业论文）492甲醇裂解气发动机性能优化研究.pdf

4 9 2 甲醇裂解气发动机性能优化研究 摘要 随着汽车工业的飞速发展，世界性石油资源短缺和环境污染问题同益严重，必将对 汽车发动机的传统石油燃料提出挑战。甲醇裂解气由于具有排放污染低、资源丰富等特 点，从而成为一种极具发展潜力的发动机代用燃料。因此，以甲醇裂解气为代用燃料的 发动机的研究己成为关注热点。 本文结合山西省科技攻关项目“甲醇低温催化裂解气在汽车上的应用”，以4 9 2 汽 油发动机为研究对象，应用a v lb o o s t 软件建立了4 9 2 汽油发动机的仿真计算模型，并 通过对比模拟计算结果与试验结果，验证了模型的准确性。利用验证后的模型进行了4 9 2 甲醇裂解气发动机模拟计算，分析了相关参数对发动机性能的影响，确定了适合甲醇裂 解气发动机的压缩比、点火提前角、进气迟闭角、排气提荫i 角等参数。为了进一步改善 发动机的动力性，本文在集成了a v lb o o s t 的i s i g h t 软件环境下，对甲醇裂解气发动 机的配气相位进行了优化设计。 在发动机改进过程中，使用工作过程数值模拟、多学科设计优化技术和方法，能够 得到可信的优化结果，为样机的调试以及改进提供了理论指导，从而减少了试验的盲目 性，缩短了试验周期，降低了工作量。 关键词：甲醇裂解气，工作过程，循环模拟，优化设计 a s t u d yo np e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nf o r4 9 2d i s s o c i a t e dm e t h a n o l e n g i n e a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y ，w o r l d w i d es h o r t a g eo fo i l r e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nb e c o m ei n c r e a s i n g l ys e r i o u sp r o b l e m ，w h i c ht o c h a l l e n g et h et r a d i t i o n a lp e t r o l e u m - b a s e df u e l so fc a re n g i n e t h ed i s s o c i a t e dm e t h a n o l b e c o m e sa na l t e r n a t i v ef u e lf o ri t sl o we m i s s i o na n dr i c hr e s o u r c e t h e r e f o r e i ti sn e c e s s a r y f o rd i s s o c i a t e dm e t h a n o le n g i n et ob er e s e a r c h e d i nt h i sr e s e a r c h ，w eh a v ee s t a b l i s h e dt h eg a s o l i n ee n g i n es i m u l a t i o nc o m p u t a t i o nm o d e l b ya v lb o o s ts o f t w a r ea p p l i c a t i o n ，w h i c hi sf o rt h es c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o j e c ti n s h a n x ip r o v i n c eo f “l o w t e m p e r a t u r e c a t a l y t i cd i s s o c i a t e dm e t h a n o li nt h ea u t o m o t i v e a p p l i c a t i o n ”b yu s i n gt h i sm o d e lw ec a l lc o m p a r et h es i m u l a t e dr e s u l t sw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t st ov e r i f yt h er e l i a b i l i t yo ft h em o d e l b yu s i n gt h i sm o d e l ，w o r k i n gp r o c e s so f4 9 2 d i s s o c i a t e dm e t h a n o le n g i n ei ss t i m u l a t e da n dt h er e l a t e dp a r a m e t e r s ( c o m p r e s s i o nr a t i o ， i g n i t i o na d v a n c ea n g l e ，i n t a k ec l o s i n ga n g l e ，e x h a u s tl a ga n g l e ) o ft h ee n g i n ep e r f o r m a n c ea r e d e t e r m i n a t e d t of u r t h e ri m p r o v et h ee n g i n ep o w e r ，t h ea r t i c l eo p t i m i z e st h ev a l v et i m i n go n d i s s o c i a t e dm e t h a n o le n g i n e ，w h i c hi su n d e rt h ea v lb o o s ti n t e g r a t e ds o f t w a r ee n v i r o n m e n t i s i g h t i nt h ep r o c e s so fi m p r o v i n gt h ee n g i n e ，i ti st h ea p p l i c a t i o no fo p e r a t i o np r o c e s s s i m u l a t i o na n dm u l t i d i s c i p l i n a r yd e s i g no p t i m i z m i o nt e c h n i q u e st h a tc a no b t a i nm u c hm o r e r e l i a b l eo p t i m i z e dr e s u l t sa sw e l la sp r o v i d eat h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rp r o t o t y p ed e b u g g i n g a n di m p r o v e m e n t b yu s i n gt h e s e ，w ec a na v o i dt h eb l i n d n e s so ft h et e s t ，s h o r t e nt h et e s t c y c l e ，t h u st h ew o r k l o a di sr e d u c e dr e l a t i v e l y k e y w o r d s ：d i s s o c i a t e dm e t h a n o l ，w o r k i n gp r o c e s s ，c y c l es i m u l a t i o n ，d e s i g no p t i m i z a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：盘查鱼日期：乡夕多 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名：堑塾堡 导师签名：逖丝 日期彬乡 日期蟛7 0 中北大学学位论文 1 1 选题的意义与背景 1 绪论 当前，能源紧缺、环境污染已经成为制约人类发展的主要问题。汽车燃料供应也改 变了以往汽油、柴油的垄断地位而向着多元化发展。氢气、醇类、天然气、液化石油气 等代用燃料的丌发研究在不断地深入，并且取得了可喜的成果。 甲醇密度与汽油相近，容易储存，便于运输。甲醇来源广泛，可以从天然气、煤、 木材、农林业废弃物等生物质和城市废物中制取。它的辛烷值高，稀燃范围十分宽泛， 允许发动机使用较高的压缩比，是一种高效燃料。甲醇分子中含氧5 0 ，燃烧速度快， 自身含氧助燃，燃烧充分，既能提高热效率，又可实现机内净化和降低c o 、h c 和n o x 等 常规气体排放。在石油日益短缺和油价不断攀升的形势下，甲醇作为石油替代燃料的优 势r 渐突出n 一。但是，燃用甲醇存在一些问题有待解决，主要有以下几个方面： ( 1 ) 动力性问题。甲醇的十六烷值和热值均较低，因而燃用甲醇时通常会出现功率 下降，冷起动困难，低负荷特性变差等问题。 ( 2 ) 腐蚀问题。甲醇的含碳量低，对金属有较强的腐蚀性，对塑料和橡胶有溶涨作 用，这些会给气门和气门座、火花塞电极、塑料橡胶件等带来不利影响。 ( 3 ) 非常规排放物问题。甲醇燃料发动机排气中含有未燃醇、甲醛和甲酸等非常规 排放物，特别是甲醛的排放量可达常规发动机的5 倍左右，这些物质对人类和环境构成 了威胁，很容易带来二次污染b 1 。 将甲醇利用发动机尾气裂解成气体作为发动机燃料具有设备腐蚀小、发动机热效率 高、排放性能好等优点，所以是一种理想的替代能源。然而并不是简单的在发动机上改 用甲醇裂解气就能得到好的性能和低的排放，必须在对甲醇裂解气的特性、燃烧特征进 行研究的同时，对发动机的燃气供给系统、结构参数进行优化，才能获得良好性能m 3 。 本文选题是基于山西省科技攻关项目“甲醇低温催化裂解气在汽车上的应用中循 环模拟部分的研究内容，根据国内汽车工业的发展现状，结合中北大学车辆与动力工程 系的技术条件和研发能力，以4 9 2 q 发动机为研究对象，对4 9 2 q 发动机循环模拟计算及 相关的实验测试进行深入的研究，对影响4 9 2 q 发动机性能指标的一些参数进行选取并 1 中北大学学位论文 优化，使4 9 2 q 发动机燃烧甲醇裂解气时工作性能达到最优。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 甲醇作为汽车燃料的发展现状 在国外，许多发达国家对甲醇燃料的研究开发工作于2 0 世纪7 0 年代前后相继展开， 美国、德国、同本、加拿大、瑞典以及巴西等圈的研究开发及应用推广工作较为深入。 1 9 7 6 年多国代表在瑞典召丌了第一届国际醇燃料会议，通过深入交流，大家普遍认为醇 类燃料比烃类燃料油在内燃机上的燃烧及排放更具优势，特别是对环境影响方面表现出 更佳的效果。到2 0 世纪8 0 年代术9 0 年代初，已基本完成了直接甲醇燃料汽车商业化 的各项准备。最早开始研发甲醇燃料的有美国、前西德和同本等国，主要是在各个大的 汽车制造厂商内进行甲醇燃料汽车的研究、开发试验及整车示范工作、在技术应用方面 取得了较大进展。 美国是在甲醇燃料研发过程中投资规模最大、行车范围最广的国家之一。1 9 7 8 年首 先在加州开始了甲醇燃料应用试验，当时主要是在汽油中掺入高比例的甲醇，8 5 甲醇 是试验的重点，同时还进行了最高达到1 0 0 甲醇燃料实际应用试验，8 5 甲醇燃料一般 情况下主要用于轻型汽车，1 0 0 甲醇燃料主要用于重型汽车，随后有几千辆汽车在加州 能源协会的资助下一直使用甲醇燃料。到2 0 世纪8 0 年代中期，美国福特公司丌发成功 并建成了m 8 5 及灵活燃料汽车( f f v ) 生产线，并投入了大批量生产，到1 9 9 5 年美国 的甲醇燃料汽车达到1 2 7 0 0 辆。至此甲醇燃料的应用在美国加州得到迅速推广，同时也 带动了加州地区甲醇燃料储运设施及加油站建设，加油站最多时超过了2 0 0 座。但是， 随着后来国际市场原油价格的不断下跌和2 0 世纪9 0 年代中后期甲醇价格的不断攀升， 再加上加州能源协会与当时的主要甲醇燃料零售商的协议到期和多数灵活燃料汽车的 相继退役，美国加州的甲醇燃料市场出现了较大的滑坡，到1 9 9 9 年由加州能源协会资 助下的加油站仅存3 5 个，目前估计不足2 0 个，在美国加州之外的甲醇燃料加油站大约 还保留有1 0 多个。 在欧洲，德国和瑞典是较早研发甲醇燃料汽车的国家，目前仍有几百辆甲醇燃料汽 车在运行。 2 中北大学学位论文 日本甲醇燃料的研究丌发始于2 0 世纪8 0 年代后期，进入9 0 年代初期已有3 0 0 多 辆甲醇燃料汽车投入运行，主要是将高比例的甲醇燃料用于轻型货车，而且大都是用柴 油机改制的小型载货车。2 0 世纪9 0 年代中后期只本同样受到国际市场原油价格的影响， 已于近年退出了甲醇的生产领域，国内甲醇需求全部依赖进口解决，所以对日本的甲醇 燃料市场构成一定的冲击，到目前为止日本仅有约1 0 0 多辆甲醇燃料汽车还在运营。 巴西也是较早丌发应用甲醇燃料的国家之一，并且也是甲醇燃料市场最大的地区。 早在1 9 7 5 年，巴西就进行了甲醇燃料的研发工作，虽然遇到了一些曲折，还有一些问 题有待解决，但在推广使用醇燃料汽车方面取得了巨大的成绩。尤其是到了2 0 世纪8 0 年代中期，醇燃料车达到了巅峰。在巴西全国已普遍用酒精或由6 0 的酒精、3 3 的甲醇 和7 的汽油酒精混合的液体燃料作为汽车用燃料。1 9 8 6 年前后，醇燃料汽车占到当时 巴西汽车市场的9 6 。但从2 0 世纪9 0 年代起，随着巴西石油化工的迅速发展以及酒精 价格的上涨，政府和消费者开始将这种既廉价又低污染的汽车淡忘，醇燃料汽车的市场 开始大量萎缩，其中甲醇燃料市场也受到了较大冲击。近些年来，随着环保的同渐突出， 巴西国内消费者又开始热衷于购买醇燃料汽车。2 0 0 1 年9 月当月就售出了1 3 9 4 辆，创 下了当年的月销售纪录啼6 7 8 】。 1 9 7 1 年美国学者p e f l e y 提出利用废气余热将甲醇催化裂解为氢气和一氧化碳，然 后与汽油混合作为发动机的燃料。此后美国和同本的其他学者又对甲醇裂解气发动机进 行了大量的研究工作。7 0 年代日本、美国开始研发甲醇裂解气发动机，取得了不少成果， 并已进行了道路试验1 饥1 1 1 2 ，1 3 14 1 。 我国在甲醇燃料方面的研究开发起步较早。最初于2 0 世纪7 0 年代初期就有少数大专 院校、科研部门和个别汽车企业开始了研究工作，并取得了一定进展。“六五 期间， 国家科委与交通部和山西省共同组织，在山西省进行m 1 5 - 2 5 甲醇燃料的研究实验，共 有4 8 0 辆货车参与了试验及示范工作。“七五 期间，由国家科委组织，中国科学院牵头 并由大专院校、汽车、环境、卫生等6 部门参加组成了攻关组，重点对4 9 2 汽油发动机进 行了扭矩、热效率和尾气排放等技术进行了较为系统的研究，并且有3 辆车参与了路试， 各项试验指标均取得了较满意的效果。 8 0 年代中期，华北工学院、山西省煤化所、云南省科委开展了甲醇裂解气作为发动 机燃料方面的研究。华北工学院自行研制的甲醇裂解催化剂，使得该方面的研究工作走 3 中北大学学位论文 在了前面，通过了省级鉴定，属国内领先水平。武汉水运工程学院的冯春晃、高孝洪以 4 9 2 汽油机为原型，对发动机作了少量改动，并且在该机中燃烧甲醇裂解气，实验结果 表明该发动机的热效率比原汽油机提高4 0 左右、最大扭矩和升功率达到原汽油机的水 平、c 0 和h c 远低于原汽油机h 3 。9 0 年代，武汉水运工程学院的方葛文进行了在汽油中 掺入甲醇裂解气的实验，结果表明发动机可在稀薄混合气下运行，其热效率比汽油高， 燃烧过程稳定性大大增强，循环变动明显降低n 引。2 0 0 5 年，中困科学院工程热物理研究 所的张国强研究设计了利用废热裂解甲醇，将裂解气引入涡轮做功后进入内燃机燃烧的 新型动力循环。利用发动机废热裂解甲醇，将甲醇裂解混合气引入涡轮膨胀冷却，输出 轴功达甲醇低热值5 - 9 ，不仅提高了循环效率，也可改善燃烧和排放n 引。 2 0 0 7 年中北大学崔俊杰老师以4 9 2 0 发动机为基准，以已制备甲醇裂解气为前提，设 计与所选机型相匹配的甲醇裂解气发动机混合器。重点分析了混合器喉口面积，入口角 度与真空度之l 日j 的关系；真空度，喉口直径与发动机最大功率之间的关系，从而确定混 合器的主要参数。根据甲醇裂解气发动机空气和燃气在混合器内的流动规律，建立了裂 解气流量与孔个数及直径的数学模型，提出了混合器的改进方案及发动机台架实验方 案。由于时间关系，崔俊杰老师未进行实验验证分析。因此，本文作者在崔俊杰老师研 究的基础上，首先对4 9 2 0 发动机燃用汽油时的工作过程进行仿真计算及实验验证，在保 证计算模型正确的前提下对4 9 2 0 发动机燃用甲醇裂解气时的工作过程进行模拟分析和 参数匹配，为后期4 9 2 q 发动机燃用甲醇裂解气台架试验提供理论依据。 1 2 2 发动机工作过程计算及多学科设计优化的发展状况 随着计算机应用于内燃机工作过程的模拟，内燃机的试验和理论研究由过去比较粗 糙的经验、半经验设计向预测和优化过渡。所谓内燃机工作过程模拟，就是从各系统的 物理模型出发，用微分方程对各系统的实际工作过程进行数学描述，然后编制计算程序， 用电子计算机数值求解微分方程，以求得各参数随时间( 或曲轴转角) 的变化规律，在 此基础上算出综合参数及整机性能。在模拟计算中，把气缸内、进排气系统及涡轮增压 器中的热力过程、气动过程、充量交换、废气涡轮增压器特性与内燃机的配合等等问题 都一起加以考虑，这样就可以反映出机构参数、燃烧规律、配气相位、进排气系统中的 流动阻力、中冷器特性、涡轮增压器特性等等与内燃机性能的关系n7 1 8 3 。在实际工程应 4 中北大学学位论文 用中，内燃机工作过程可以进行以下工作： ( 1 ) 解释燃烧现象：燃烧机理分析、放热率分析： ( 2 ) 预测发动机性能：动力性、经济性和排放性等； ( 3 ) 优化发动机参数：结构设计、进排气系统设计和燃烧系统设计等。 目前，发动机工作过程数值计算模拟主要朝两个方向发展：是发展和完善实用的 发动机循环的相关模型和计算方法，为发动机研制丌发提供可靠、便利的工作平台；二 是利用各种先进的测试珍断设备和合理的假没推理建立发动机的多维工作过程数学模 型，为人们j 下确认识发动机的燃烧机理进而更好地控制燃烧过程提供理论依据。 发动机循环模拟的发展可以追溯到早期用计算机模拟发动机的放热规律。到了2 0 世纪6 0 年代中期，计算机技术的发展为包括进排气在内的整个发动机循环模拟创造了 条件。随后，发动机的缸内燃烧模拟不断完善，进排气系统的数值求解方法也得到比较 大的发展。尤其到了2 0 世纪9 0 年代初，一批商用发动机循环模拟计算软件的开发，如 奥地利a v l 公司的b o o s t 、美国g a m m a 公司的g t p o w e r 、美国西南研究所的v i p r e 等， 标志着发动机循环模拟已达到了实用化的程度。 总之，内燃机工作过程的模拟计算是研究内燃机性能的有力工具，它将有效地指导 内燃机设计和试验工作向前发展，同时随着研究的深入，这种模拟计算方法定会同臻完 善1 9 2 0 2 1 ，2 2 ，2 3 1 。 所谓内燃机工作过程模拟优化，就是在内燃机热力循环模拟的基础上，再采用优化 方法，在一定的技术和物质条件下，按照某种技术和经济性准则，寻找那些使内燃机性 能达到最优的一组设计与运行参数。由于热力循环模拟优化是内燃机性能参数连续函数 的数学描述，搜索寻优变量的可行域，通过优化计算得到性能参数的最优值，所以内燃 机性能参数优化是建立在热力循环模拟的基础上，但将内燃机热力循环模拟向参数优化 推进了一步。 热力循环模拟的精确性是进行内燃机性能优化的先决条件。在进行性能参数优化 时，无论是目标函数值还是约束函数值都要通过内燃机热力循环计算才能得到。在优化 过程中，首先调用热力循环模拟计算的值，通过数学方法处理建立目标函数和约束函数， 然后才能用优化方法进行求解。只有内燃机热力循环模拟具有足够的精度，才有可能保 证优化计算的精度。在内燃机热力循环模拟中，由于模拟计算的快捷、模型的精细、能 5 中北大学学位论文 计及到实际过程中的诸多因素、采用现代数学方法以及应用计算机等，因此，为内燃机 热力循环模拟优化莫定了基础。 目前在内燃机研究中己较多地采用优化方法。但大多数是对内燃机的某个系统和某 个部件进行优化，对内燃机整机性能进行优化还为数不多。内燃机性能优化是一个系统 优化问题，内燃机性能涉及结构参数、气动参数、热力学参数等，可变因素很多，是一 个可变互耦系统，随机性很大，这种系统优化具有较大的难度，需要较高的处理技巧， 更完善的优化方法和较为复杂的数学方程组，解这类方程组需要更大容黾的高速计算 机，这种优化目前尚处在探索阶段。从内燃机性能研究中可以知道，分析整机性能与重 要特性参数问的定量关系是比较困难的，内燃机性能研究较之其他工程领域中的研究工 作在更大程度上依赖于经验与试验，其原因也就在这罩。 多学科设计优化方法是一种方法论，它通过充分探索和利用工程系统中相互作用的 协同机制，考虑各学科( 子系统) 之间的相互作用，从整个系统的角度优化设计复杂的 系统。其主要思想是利用合适的优化结构来组织和管理优化设计过程，通过分解、协调 等手段将复杂系统分解为现有的工程设计组织形式相一致的若干予系统，从而可以利用 工业界现有的各学科分析工具，在分布式计算机网络上集成各学科或子系统已有的丰富 知识与经验，对复杂系统进行综合设计。其主要目的是通过充分利用各个学科( 子系统) 之间的相互作用所产生的协同效应，获得系统的整体最优解，通过实现并行设计，来缩 短设计周期，从而使研制出的产品更具有竞争力。 美国政府已经将多学科设计优化及相关技术纳入了“美国国家关键技术发展规划 ， 美国航空航天局( n a s a ) 和美国航空航天学会( a i a a ) 分别成立了多学科设计优化技 术委员会，领导美国在这方面的研究。很多高校，如s t a n f o r d 大学、f l o r i d a 大学、n o t r e d a m e 大学、g e o r g i a 理工学院、v i r g i n i a 州立大学都有专门的机构从事多学科设计优化 的研究他4 2 引。 国内，北京航空航天大学的方杰对某型发动机喷管进行了多学科设计优化；中北大 学的丁技峰对某型柴油机的配气相位进行了多学科设计优化。 6 中北大学学位论文 1 3 本文的主要工作 本文结合发动机工作过程计算的基本理论，建立了4 9 2 q 发动机模拟计算模型。利 用所建立的模型，对发动机标定工况下的速度特性进行了模拟计算，并与实验数据进行 对比，验证了计算模型的正确性。在此基础上，分析了相关参数对甲醇裂解气发动机性 能的影响，初步确定该机的配气相位、点火提自 角、压缩比，并对这些参数进行优化计 算。 主要研究工作包括： ( 1 ) 通过收集4 9 2 q 型发动机的数据和资料，将实际的复杂的发动机分成若干个容 易处理的子系统，并运用a v lb o o s t 提供的模块建立相应的仿真计算模型； ( 2 ) 利用建立的模型对原汽油机进行仿真分析，并与试验数据对比，验证模型的 准确性和可靠度，同时结合甲醇裂解气燃料的理化特性，对甲醇裂解气发动机进行模拟 计算，包括：压缩比、点火提前角、配气相位等对发动机性能的影响及其优选确定； ( 3 ) 应用i s i g h t 软件对进气迟闭角和排气提前角进行了数值优化分析，对甲醇裂 解气发动机进行了参数优化和匹配。 1 中北大学学位论文 2 发动机缸内工作过程的数学物理模型 2 1 基本微分方程 内燃机气缸内的工作过程是很复杂的，它是包含物理、化学、流动、传热等的综合 过程。为了描述气缸内状态变化，视气缸为一个热力过程，系统内工质状态由压力p 、 温度t 、质量m 这三个基本参数确定，以能量守恒方程、质量守恒方程和状态方程对工 作过程进行描述。利用上述三个方程联合求解，解出气缸内压力p 、温度t 及质量m 三 个基本参数。考虑到汽油机工作过程的特点，这些微分方程分别表达为： ( 1 ) 能量守恒方程 塑2 ：盟+ 盟+ p 盟+ h 。盟+ h ，堕 ( 2 1 ) d pd ( pd e l d p s dpdp 通常情况下，缸内的比内能u 和质量m 同时发生变化，故有 掣：甜婴+ m ( 丝婴+ 要要) ( 2 2 )l 二= 甜+ i + 上) ( ) d9 d ( ；p 、o td 咿8 仅。d 9 。 并注意到磊o u = c ，则温度t 对曲轴转角缈的微分方程为： d f 面d t = 去 等+ 等+ p 等地叫，等地训等 3 ， 式中：p 缸内工质压力，p a ； v 气缸工作容积，l ； 绋燃料在气缸内燃烧放出的热量，l ( j ； 鳓通过气缸诸壁面传入或传出的热量，k j ； 聊，、流入、流出气缸的工质质量，k g ； 忽、吃进气门、排气门处工质的比焓，k j k g m o l 。 ( 2 ) 质量守恒方程 8 中北大学学位论文 按照质量守恒原理，通过系统边界交换的质量总和等于系统工质质量变化，如果忽 略漏泄，则通过系统边界交换的质量为：流入气缸的空气质量肌。、流出气缸的废气质量 。质量守恒方程表达式为： 筹：等+ 等 (24)d d d 矽缈缈 、厶士7 ( 3 ) 理想气体状态方程 py = 以rt ( 2 5 ) 能量守恒方程、质量守恒方程和气体状态方程，三个方程联合求解即可解得确定气 缸内状态的三个参数：压力、温度、质量。 2 2 气缸内各阶段热力过程分析 在气缸内，微分方程组的求解计算是分阶段进行的，阶段划分如图2 1 所示，通常 选择实际压缩始点，即进气门关闭时刻作为计算始点，循环至下一个循环的进气门关闭 时刻结束。各阶段的起止时刻由配气正时控制，配气正时角度值作为已知数据输入。 嫩掰骶耽嬲脉 饺l ： 搏气 进气 l l 。 j 1l。z- _ ， 止点e 止点 f 止点麓眨点 。卜止点 妒 游i 钰f 1 筻麓i 倪f 1 弹i 终钟】”l 捧羽i叼n 鏊掷南r 1 警 图2 1 气缸内：r 作过程计算各阶段划分示意图 对缸内的热力过程进行分析计算，主要是确定热力过程各阶段工质状态变化的规律 及能量转换的情况。在气缸内，微分方程的求解是分阶段进行的。通常选择实际压缩始 点，即进气门关闭时刻作为计算始点，一直逐步计算到下一个循环的进气门关闭时刻为 止。整个循环可以分为压缩、燃烧、膨胀、纯排气、进排气门叠开和纯进气等六个阶段。 各阶段的起止时刻由配气正时控制，配气j 下时角度值作为已知数据输入。在不同阶段中， 能量守恒方程式、质量守恒方程式可作相应的简化。下面分各个阶段进行分析。 9 中北大学学位论文 2 2 1 压缩阶段 压缩阶段是从进气门关闭至燃烧开始时刻止。此阶段进排气门均处于关闭状态，若 不计漏气损失，压缩阶段中气缸内工质质量保持不变，即 吾a m = 等= o(26)cp 口够d 、。”7 压缩阶段，既无气体流入、流出气缸，又无燃烧反应，因此工质成分不变，瞬时过 量空气系数等于定值，这样能量守恒方程式简化为： 嘉= 去c 等+ p 旁 陇7 ) 2 2 2 燃烧阶段 燃烧阶段从燃烧开始时刻至燃烧终点止。此阶段中进排气门皆关闭，故质量守恒方 程为： 一d m = 塑量：堕生= o一= 上= 二= i i d妒d9 d9 在燃烧阶段，能量守恒方程式简化为： 黑= 士( d m - - - ，- 旦a + 盟+ p _ dv)d 9 m c 。d9 d 9 r dp 2 2 3 膨胀阶段 膨胀阶段从燃烧终点至排气门开启时刻止、此阶段与压缩阶段类似， 闭，气缸内工质质量不变，即 尘生：o 盟= o d 够dc p 质量守恒方程式、能量守恒方程式都简化为与压缩阶段相同的形式。 1o ( 2 8 ) ( 2 ，9 ) 进、排气门关 ( 2 1 0 ) 中北大学学位论文 2 2 4 换气阶段 在这一时期，气缸内无燃烧反应，故d q n d 矽= o ，但通过系统边界有质量传递。根 据质量传递情况，将换气期分为纯排气、气门叠开、纯进气三个阶段。在纯排气阶段无 气体流入气缸，但有废气排出缸外，工质成分不变，即 一d m s ：o 盟：0 d 伊d 缈 ( 2 11 ) 器= 去睁p 面d v 地训等 汜 纯进气阶段中， 型竺!： o d 矽 ( 2 1 3 ) 器2 古 等+ p 筹m ，训百d r a 汜 从上述分析可知，考虑各阶段特点后得到的简化了的微分方程，分阶段进行求解， 这将使计算工作量明显减少啪3 。 2 3a v lb o o s t 软件计算发动机性能参数的公式 ( 1 ) 指示平均有效压力i p 。，：堕一 ( 2 1 5 ) “f2 翥 皑 式中：w i 一每循环的指示功，k w ； 卜气缸直径，i t l l r l ； s 冲程，m m 。 ( 2 ) 指示扭矩t i 丁，：三i( 2 1 6 ) 式中：循环参数，对二冲程来说取2 ，四冲程取4 ； 11 中北大学学位论文 i 指示平均有效压力，m p ； 卜气缸工作容积，l 。 ( 3 ) 指示比扭矩t i 。 九= 每 式中：卜指示扭矩，n m ； p 一气缸工作容积，l 。 ( 4 ) 指示功率p i p ：2 巴，y 。旦i 式中：n 转速，r m i n ： r 冲程数； i 气缸数； 二k i 指示平均有效压力，m p a ； 卜气缸工作容积，l 。 ( 5 ) 指示比功率p i 。 氏= 告 式中：p 指示功率，k w ； 卜气缸工作容积，l 。 ( 6 ) 排气冲程时的指示平均有效压力i c x 一丧譬删 式中：卜气缸t 作容积，l ； 卜气缸压力，m p a 。 1 2 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 中北大学学位论文 ( 7 ) 吸气冲程时的指示平均有效压力i i n 沪丧嚣川 式中：卜气缸工作容积，l ； p 一气缸压力，m p a 。 ( 8 ) 指示燃油消耗率b j 6 ：一b 1 0 3 尸 式中：b 燃油消耗量，k s h ； p 一有效功率，k w 。 ( 9 ) 指示效率 一3 6 0 0 p i r 2 耐 式中：h u 燃料的低热值， k j k g ； 召燃油消耗量，k g h ； 卜指示功率，k w 。 ( 1 0 ) 充气系数仉 一 1 6 ct sp 4 r l2 万。有云蔷 式中：痧残余废气系数； 占c 几何压缩比； 乏进气管内的气体温度，k ； 互环境温度，k ； 1 3 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 中北大学学位论文 只进气管内气体压力，k p a ； 尼环境压力，k p a 。 ( 11 ) 扫气系数嗔 九： 朋o + m f 式中：确留在气缸内新鲜空气充量的质量，k g ； 吁城余废气质量，埏。 ( 1 2 ) 摩擦平均有效压力 p m ：半皇 z 珂 式中：乞机械损失功率，k w ； n 转速，r m i r a f 冲程数； i 气缸数； 卜气缸工作容积，l 。 ( 1 3 ) 制动平均有效压力 p m e = p 帆一p m 式中：摩擦平均有效压力，m p a ； p m 广一指示平均有效压力，m p a 。 ( 1 4 ) 机械效率 7 7 。= k pm e 七pm m 式中：制动平均有效压力，m p a ； 1 4 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 中北大学学位论文 摩擦平均有效压力，m p a 。 ( 1 5 ) 制动比油耗龟 6 ，：生 口脚 ( 2 2 9 ) 式中：编机械效率； b 广指示燃油消耗率，k g ( k w h ) 。 ( 1 6 ) 气缸中壁面平均传热系数 氓，= 击。卜( 缈) 却( 2 3 0 ) 式中：( 功随曲轴转角变化的壁面传热系数， k j ( m 2 h 。k ) ； c d 循环周期，o ( c a ) 。 ( 1 7 ) 气缸中通过传热的有效平均气体温度丁” 7 ，。，= 击。l7 。( 伊) ，口。( 矿) d 伊 2 3 1 ) 式中：( 囝随曲轴转角变化的壁面传热系数， k j ( m 2 h k ) ； c d _ 循环周期，o ( c a ) ； 瓦气缸中壁面平均传热系数，k j ( m 2 h k ) ； 瓦瞬时气体温度，k 。 a v lb o o s t 软件利用上述公式计算出发动机的性能参数，通过调用a v lb o o s t 程序， 得到发动机性能指标，就可以对整台发动机的性能进行分析、比较。 2 4 本章小结 本章介绍了发动机缸内热力过程的基本方程，对气缸内各阶段热力过程进行了分 析，最后对a v lb o o s t 中的理论计算公式进行了简单的总结介绍。为后续软件的使用和 分析计算奠定了基本的理论基础。 15 中北大学学位论文 3 甲醇裂解气发动机原机模型的建立 3 1 汽油机工作过程模型的建立 建立计算模型的步骤大致如下： ( 1 ) 对所研究的4 9 2 q 型发动机进行分析和测量，收集数据和资料。 ( 2 ) 将实际的复杂的汽油机分解成若干个容易处理的子系统，并运用a v lb o o s t 软 件所提供的模块建立相应的物理模型。 ( 3 ) 根据工程热力学，传热学等方面的知识，将简化的物理模型进行定量的数学描 述，将收集的数据及资料输入到相应的模块中去，即建立数学模型。 ( 4 ) 利用己建立的初步模型，进行模拟计算，求出该模型所包含的全部物理参量， 并与实际的测量值进行对比，进一步修改模型以达到实用。 4 9 2 0 汽油机工作过程计算模型如图3 1 所示。 旦l 。 。l l 。 m p 4 r 1 2 4 r 2 3 m p 3 m p 2 舅c l l ，惫 m p 9 s b 2 2 7 1 2i r 5 7 1 4 1 5 p l 3 1 6 多 1 ：=苫工8j了8 j pm 中北大学学位论文 图中，s b l ，s b 2 为系统边界；p l l 为进气管；p l 2 ，p l 3 为排气管；c 1 ，c 2 ，c 3 ， c 4 为气缸；1 - 2 7 为管路；m p l m p l 5 为测试点；r 1 r 9 为限流阀；j 1 j 5 为三通阀；1 1 为喷嘴；c l l 为空气滤清器。 3 2 模型参数的设置 汽油机的物理模型建立好，需设定各模块的参数初始值。一般模型参数初值的确定 有四种：根据结构特征确定参数值；根据对汽油机原理的理解，依经验定参数 ! ：j j 值；根 据实验数据定参数初值；根据实验数据和汽油机原理来计算某些参数值，来验证模拟结 果是否合理。 3 2 1 边界条件设置 进排气系统管道术端的流动是由管中的压力波、临界压力及管道术端的有效流通面 积决定的。流动的方向由管道末端的压力决定，如果管道末端的压力超过临界压力，则 气体流出管道；如果管道末端的压力低于临界压力，则气体流入管道。管道末端的流动 状态由以下的节流时准维稳态方程计算得到瞳 。 节流时准维稳念方程： f2 扩胪岛1 面。 式中：m 比质量流率，k g s ； 流量系数； p 节流孔板下游的静压力，k p a ： 风，瓦一节流孔板上游的临界压力和温度，k p a ，k ； k 比热比。 如果实际的压比低于临界状态的压比 1 7 ( 3 1 ) 中北大学学位论文 去= 卺，击 ( 3 2 ) 其中，觑为临界态时的压力，且不存在超声速流动。则质量流动独立于实际的压比，质 量流量为： 南节岛压仁k - l - ，吉厝 3 ) 对于进气系统的边界，空燃比a f 为无穷大，对于排气系统的边界，空燃比a f 根 据经验设定。进气管边界的流量系数主要由进气管术端到安装位置的距离和木端的喇叭 1 ：3 的特性决定的。 流量系数的选取可参照表3 1 ，在标定点之间的值由线性插值获得。 表3 1 流量系数 相对边距相对内径r d h l d n o 0o 0 20 0 60 1 20 2 0 o o0 8 1 50 8 5 50 9 1 00 9 5 0 0 9 8 5 0 0 2 50 7 7 00 8 4 00 9 1 00 9 5 00 9 8 5 0 0 7 50 7 5 00 8 3 00 9 1 00 9 5 00 9 8 5 0 20 7 3 00 8 2 50 9 1 00 9 5 00 9 8 5 o 5 0 7 1 0 0 8 2 0 0 9 1 00 9 5 00 9 8 5 相对内径r d h 为进气管过渡圆半径与进气管直径的比值。相对边距l d h 为管道未 端到安装位置的距离与进气管直径的比值。管道术端示意图如图3 2 所示。 在节流孔处没有几何阻力的情况下，排气管边界的流量系数推荐值为1 。进气边界 流量系数如图3 3 所示。 图3 2 管端几何形状 1 8 中北大学学位论文 f l o wc o e f f i c i e n t s p i p e1i n f l o w 囤p i p e1o u t f l o w 厂囤 图3 3 进气边界流量系数的设定 图3 3 中：f l o wc o e f n c i e n t s 流量系数； p i p e1i n n o 计一管道l 入口处流量系数； p i p e1o u t f l o w 一管道1 出口处流量系数。 3 2 2 流动阻力损失 在管道有压力损失的地方考虑阻力损失，几何损失主要在管道截面有几何阻力( 如 蝶阀、节流孔板等) 或在某处有分流时产生。 流量系数为在临界压力和相同的压比的情况下，实际的质量流量与无损失时的质量 流量的比值。对于渐扩管的流量系数a v lb o o s t 软件的推荐值为1 0 ，对于渐缩管( 如图 3 4 所示) 的流量系数主要由横截面的面积比( ) 2 和小管径的相对内径比r d 决定。 图3 4 渐缩管直径变化示意图 a v lb o o s t 软件对渐缩管的流量系数的推荐值如表3 2 所示。进气容积处流量系数 的设定如图3 5 所示。 表3 2 渐缩管的流餐系数 相对内径 面积比( d d ) 2 ( r d )0 00 40 70 91 o 0 oo 8 1 50 8 6 5 o 9 1 50 9 6 01 o 0 0 20 8 5 50 8 9 50 9 3 50 9 7 01 o 0 0 60 9 1 00 9 3 50 9 6 00 9 8 01 0 0 1 20 9 5 50 9 7 0 0 9 8 00 9 9 0 1 0 0 2 0 0 0 9 8 5 0 9 9 00 9 9 50 9 8 01 o 1 9 中北大学学位论文 f l o wc o e f f j c l e n t s p i p e 7n f l o w p i p e8i n f l o w p i p e9l n f l o w p i p e1 0 l n f l o w p i p e1 1 i n f l o w p9 8 凹 p9 8囝 l o s 囝 p 9 8 圈 p 9 0 囤 p i p e7o u t l o w 囤 p i p e8o u b l e w 凹 p i p e9o u t f l o w 囤 p i p e1 0 0 u t l o w 囤 p i p e l l o u t i o w 圈 i 蝈35 进气窬秘赴流城系数的殴定 | | 3 5 中：f l o wc o e 衔c i e n t s 流量系数： p i p en l n n 肼一管道n a n 处流量系数； p i p en o u m o 、v 一管道n 出1 3 处流量系数。 3 23 气缸工作容积 发动机工作过程计算中，发动机的主要结构参数如气缸直径d 、活塞行程s 、连秆 曲柄比、压缩容积v 。、压缩比等均作为已知数据输入的，根据这些数据即可算得瞬时气 缸工作容积随曲轴转角变化的规律。 瞬时气缸工作容积为： r = 孚净扯；) 一c o s ( 丽t r 9 ) 弓网 慨a ， 式中：曲轴转角p 从曲柄在上止点时取口= 0 葬起。 气缸工作容积越曲轴转角的变化率为： 式中 等=一。|rz d z s 卜甜；离 。：! 尘旦 y ( 3 5 ) ( 3 6 ) 中北大学学位沦文 圪= 孚s ( 3 7 ) 占压缩比； 珞气缸工作容积，l ； d 气缸直径，m m