（动力机械及工程专业论文）基于vc语言的增压柴油机工作过程计算软件的开发.pdf

哈尔浜工程大学硕士毕业论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i il l iiuii i i i i i i i i i i i i i i i i 于两斐 柴油机工作过程数值计算是柴油机设计、改进、试验的基础，近年来出 现很多商业软件，给用户带来了很大的方便，同时由于没有源代码也给科学 研究带来了很多不便。为了柴油机性能模拟的深入研究，开发具有自主知识 产权的源程序是十分必要的。 本文采用v c + + 语言编制了柴油机工作过程和与增压器匹配计算的源程 序。程序可以对四冲程、二冲程；增压或非增压进行工作过程数值计算。在 进行柴油机工作过程数值计算时，提供了三种燃烧模型的半经验公式以供使 用，即单韦伯、双韦伯和三韦伯半经验公式；计算滞燃期时提供了多种计算 公式；进行增压计算时，除了可以计算常规增压外，还可以进行相继增压计 算。 在v c + + 开发环境下对程序进行模块化设计，同时对这些模块进行类的设 计，使其成为继承于基类对话框的类，其中基类是用于美化和基本参数输入 的类。通过对话框类的消息相应来完成对话框的初始化和数据的保存与交换 等功能。利用数据列表和图形显示两种方式对计算结果进行显示，同时可以 将计算结果导出到e x c e l 中进行进一步的处理。 为了验证程序的准确性，分别对中、高速机进行了缸内工作过程的性能 计算，并分别与实验数据、商用软件的计算结果进行了比较，计算结果与实 验数据基本一致。通过对比验证，证明了软件的准确性。 关键词：工作过程；数值计算；界面设计；面向对象 哈尔滨丁稃大学硕十毕业论文 a b s t r a c t n l en u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ew o r k i n gp r o c e s si s t h eb a s eo ft h ed e s i g n i n g ，i m p r o v i n ga n dt e s t i n gi t sp e r f o r m a n c e ，a n de v e rs i n c e t h e s ey e a r sm a n yc o m m e r c i a ls o f t w a r eh a v ea p p e a r e dw h i c ha r ec o n v e n i e n c e ，b u t i ti si n c o n v e n i e n tt h a tt h e r ei sn oc o d e sf o rs c i e n t i f i cr e s e a r c h i ti sn e c e s s a r yt o e x p l o i tt h ep r o g r a mp o s s e s s e ds e l f - d e t e r m i n a t i o nk n o w l e d g ep r o p e r t yr i g h tf o r f u r t h e rr e s e a r c h t i l i sp a p e rp r o g r a m m e dt h er e s o u r c ec o d eo fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e s w o r k i n gp r o c e s sa n ds u p e r c h a r g i n gm a t c h i n gn u m e r i c a lv a l u ec a l c u l a t i o nw i t h v c + + l a n g u a g e p r o g r a mc a nc a l c u l a t et h ew o r k i n gp r o c e s so ft h e d i e s e lf o u r s t r o k e sa n dt w os t r o k e s ，s u p e r c h a r g i n ga n dn o n s u p e r c h a r g i n g w h e nc a l c u l a t i n g t h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ed i e s e l ，t h es o f t w a r ep r o v i d e st h r e ec o m b u s t i o nm o d e l s w h i c ha r es i n g l ew i e b e ，t w ow i e b ea n dt h r e ew i e b es e m i - e x p e r i m e n t a lf o r m u l a a n d m a n y c a l c u l a t i o nf o r m u l a sf o rt h ed u r a t i o no fi g n i t i o n d e l a y w h e n c a l c u l a t i n gt h es u p e r c h a r g i n g ，e x c e p tc o n v e n t i o n a lt u r b o c h a r g i n g ，i ts t i l lc a n c a l c u l a t es e q u e n t i a lt u r b o c h a r g i n gs y s t e m t h ep r o g r a mc o d ew a sm o d u l a r i z e du n d e rt h e v i s u a lc + + e x p l o i t a t i o n e n v i r o n m e n t t h e nt h e s em o d e l sw e r ed e s i g n e df o rt h ec l a s s ，w h i c hh e i rf r o mt h e b a s i sd i a l o gc l a s st h a ti su s e dt ob e a u t ya n di n p u tt h eb a s i cp a r a m e t e r s i no r d e r t oi n i t i a lt h ed i a l o g s ，t os a v et h o s ed a t u ma n dt oe x c h a n g ed a t u mb e t w e e nt h e s e d i f f e r e n tc l a s s e s ，t h em e s s a g er e s p o n s eo ft h ed i a l o gc l a s sw e r ep r o g r a m m e d ，n l er e s u l ti ss h o w e du s i n gt w om e a n s ，i n c l u d i n gd a t u ml i s t sa n dd a t u mf i g u r e s a t t h es a m et i m e ，t h ed a t u mc a r lb ee x p o r t e dt oe x c e lt ob eh a n d l e d i no r d e rt ov a l i d a t et h ec o d e sc o r r e c t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo fw o r k i n g p r o c e s si n s i d et h ec y l i n d e rw a sc a l c u l a t e dt om e d i u ma n dh i 曲s p e e dd i e s e l r e s p e c t i v e l y 乃e r e s u l t sw e r e c o m p a r e d w i t h e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n d c o m m e r c i a ls o f t w a r ea n dt h e yw e r eb a s i c a l l ys a m e a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o n 哈尔滨1 二程大学硕七毕业论文 b e t w e e nt h e s ed i f f e r e n tm e t h o d s ，t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h es o f t w a r ei sc o r r e c t a n df e a s i b l e k e yw o r d s ：w o r k i n gp r o c e s s ；n u m e r i c a lv a l u ec a l c u l a t i o n ；i n t e r f a c ed e s i g n ； o b j e c to r i e n t e d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：方名够驾 日期：硒罗年乡月寥日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 留在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：弓移落葛 日期： 坷年多月寥日 乡 玑v 可目 一 7 咖 币女7 i 岁 、 新7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 i i i i i i i i | - i i i i i i 一 ihii ii i 第1 章绪论 1 1 工作过程数值计算的发展 内燃机是实现热能转化为机械能而循环工作的发动机，自内燃机问世以 来，由于其热效率高、功率范围广和结构紧凑等优点，被广泛应用于国民经 济的各个部门。目前就中小功率发动机而言，内燃机的应用占绝对优势。在 大功率的范围内，一方面由于活塞平均速度受到限制，使比功率下降；另一 方面内燃机与涡轮机巧妙联合在一起，形成废气涡轮增压发动机，同时功率 大幅度提高，内燃机在大功率范围内同样也占有很大的优势。 在电子计算机用于内燃机研究以前，为了定性地对内燃机性能作出估算， 并进行有限的定量计算，不得不对内燃机进行工作过程的简化假定。假设内 燃机的正常工况是稳定的，工质的状态看成是一个循环的算术平均值等，在 设计中则根据经验和类比，在大量选取参数的基础上，对工作循环中的几个 特征点进行计算，从而做出数量上的估计。这种简单的过程计算最后得到比 较直观的，定性分析的数据，但十分粗略，不能全面反映内燃机燃烧放热过 程，进排气系统中的热力过程和气体动力过程，以及与废气增压器的配合性 能等，并且不能对变工况性能进行计算。随着内燃机研究的不断深入，传统 的计算方法已经不能满足内燃机研究的要求。 直到六十年代中期，由于电子计算机的应用，才有可能对内燃机的工作 过程接近实际地加以模拟，从而使一部分设计工作逐步脱离经验设计的阶段， 同时由于快速、大容量计算机和数据处理系统发展，加上实验技术和测量仪 器设备的改进，使内燃机在实验和理论研究上有了突飞猛进的发展，使内燃 机的设计从经验公式阶段向模拟、优化设计阶段过渡。 迄今，人们已经提出许多直喷式柴油机和汽油机的燃烧模型，且取得不 同程度的成功。预测发动机性能的计算模型分为零维模型、准维模型和多维 模型三种。零维模型是以热力学公式为基础，不涉及任何流动细节，主要用 于分析内燃机的能量转换。零维模型假设燃烧室内各物理参数在空间上均匀 分布，工质在瞬间内达到热力平衡，符合理想气体状态方程，在此条件下， 用经验或半经验公式以及一些热力学基本方程和初始条件来模拟发动机燃烧 哈尔滨工程大学硕士学位论文 过程，进行内燃机性能参数的计算。多维模型涉及流动的各个细节。它完全 从理论上描述燃烧过程，以便理论计算与实际工作过程更加接近，包含了几 乎所有已知的影响因素，所以比较复杂。准维模型是介于零维和多维模型之 间，是将所研究的系统划分为两个相对独立的子区，而在每个子区各自满足 零维假设，因此各个子区的参数变化仍然用常微分方程表达，可见准维模型 是对零维模型的一种修正。由于其他模型要求输入的参数对实验的要求高， 并且零维模型的实际应用范围广，模拟结果误差不大，所以本课题使用了零 维模型来模拟内燃机的工作过程。 当前内燃机工作过程模拟，不仅可以计算设计工况点，而且可以计算标 准工况和变工况点，估计环境变化对内燃机性能的影响：不仅可以计算内燃 机的稳态过程，而且可以计算瞬态过程，研究各结构参数和性能参数对瞬态 特性的影响，探求改善瞬态特性的技术措施：不仅在内燃机设计初期多方案 的比较，而且可以在内燃机调试阶段与测试阶段结合时，指明调整参数的方 向；而且可以进行工作过程的模拟优化，这些都是常规热力计算无法比拟的。 柴油机工作过程的数学模拟可以进行如下工作： 1 、在设计初期用来论证，比较发动机的循环方案，以确定发动机的最佳 设计参数或方案。 2 、预测发动机性能，进行多方案的比较，以获得最佳的设计方案。性能 预测的内容很多，例如预测发动机标定工况性能、变工况性能、增压发动机 的瞬间动态特性、特殊环境下发动机的性能等等。 3 、设计参数的优化：研究各种结构参数( 如压缩比、配气定时等) ，热 力参数( 如增压压力、中冷器出口温度、排气管背压等) 以及运转参数对发 动机性能的影响，并寻求最佳值。 4 、预测发动机的可靠性。在工作过程模拟计算的基础上，可以得到受热 零件的温度场、热应力和机械应力，由此预测发动机零件的寿命和可靠性。 5 、在发动机性能调试阶段，利用模拟计算可以揭示实验中没有测量或不 可能测量的参数的大小，指明调整方向，减少试验工作，缩短调试周期。 1 2vi $ 1 3 aic + + 的发展 c c + + 语言并非起源于m i c r o s o f t 公司，在w i n d o w s 3 0 出现之前，最好 2 哈尔溟工程大学硕士学位论文 的c c + + 编程工具是b o r l a n d 公司的t u r b oc c + + 系列。随着w i n d o w s 3 0 的 出现，m i c r o s o f t 公司首先采用了m f c 。正是由于m f c 的出现，让c + + 程序员 的工作效率更加高效，也使得今天的v i s u a lc + + 得以成为优秀的主流工具， 同时也随着w i n d o w s 平台的变化而变化。随着w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 操作系统功能 的增强，相对于前一版本，v i s u a lc + + 6 0 增加了支持i e 4 的控件和类，增 强了对o l e d b 的支持，完善了d h t m l 以及提供了独立的m s d n 帮助系统等，同 时，集成环境内部工具的性能也得到了相应提升。 c + + 语言是当今最流行的面向对象的程序设计语言，可视化与面向对象程 序设计是当今最流行的编程技术，v i s u a lc + + 就是m i c r o s o f t 公司开发的、 基于w i n d o w s 操作系统的c + + 语言程序的可视化编程工具。在w i n d o w s 操作 系统强有力的支持下，v i s u a lc + + 6 0 的执行速度和对操作系统的访问权限 之高，是其他许多编程工具无法比拟的。因此v i s u a lc + + 是众多程序员的首 选工具。 具有可视化功能的开发软件有：v i s u a lb a s i c ，v i s u a lc + + ，b o r l a n dc + + ， d e p h i 等。和其他开发工具相比较，v i s u a lc + + 具有以下优点： 1 、面向对象、可视化功能。它提供了面向对象的应用程序框架m f c ，大 大简化了编程工作，提高了模块的重复使用性。并且还提供了基于c a s e 技术 的可视化自动生成和维护工具等，可以简单、直观地设计程序的用户界面， 可以方便的编写和管理各种类，维护程序源代码，从而提高了开发效率。 2 、提供了工业标准的m f c 类库，并且得到了很多开发商和软件开发工具 的支持。同时很多开发商都采用v i s u a lc + + 进行软件开发，有了m f c 类库使 学习和使用v i s u a lc + + 更加简单。 3 、v i s u a lc 抖封装了w i n d o w s 的a p i 函数等函数，帮助理解函数的组织 方法，隐去了创建、维护窗口的许多复杂的例行工作，简化了编程。 基于这些优点，本软件选用v i s u a lc + + 作为开发工具。 1 3 本文研究的目的和主要内容 目前，发动机工作过程模拟主要朝两个方向发展：一是发展和完善实用 的发动机工作过程模拟的相关模型和计算方法，为发动机的研制开发提供可 靠、便利的工作平台；二是利用各种先进的测试诊断设备和合理的假设推理 哈尔滨_ 程大学硕士学位论文 -iii - l i _ - - m _ l i liiiut i i i 建立发动机的多维工作过程数学模型n ，。目前，一批商用软件的开发给发动机 的前期开发和性能预测提供了方便的条件，例如：奥地利a v l 公司的b o o s t 、 英国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。并且发动机工作 过程模拟在发达国家己普遍用于发动机的设计和开发，并收到了可观的收益。 我国开展发动机工作过程模拟研究的时间并不晚，而且也取得了一些研 究成果，但是这些研究工作仅局限于高等院校内，还不能很好地服务于发动 机的设计和开发。为了满足国内市场对柴油机的更高要求，特别是为了适应 国际市场的激烈竞争，提高国内柴油机产品在国际市场上的占有率，柴油机 制造企业迫切需要改进现有产品和开发设计新产品。更为重要的是提高自主 知识产权的范围，科研院校需要积累和开发自己的软件和系统。 本文主要的研究内容是： l 、根据9 个子程序的数学模型进行程序的模块化编制，并进行调试。 2 、根据柴油机工作过程的主程序数学模型进行程序的编制和调试，并根 据已有成熟数据对程序进行逐行调试。 3 、根据增压柴油机压气机、涡轮性能计算的数学模型进行子程序的编 制，并对这两个子程序进行调试和编译。 4 、对柴油机工作过程和增压系统的匹配计算进行程序的编制和调试，并 利用数据进行整个程序的编译。 5 、利用v i s u a lc + + 面向对象编程方法对程序进行参数的类化，增加参 数的模块化功能。 6 、根据模块化的参数，进行数据输入界面的设计和不同界面类之间的数 据传递和数据类型转换，使其更符合v i s u a lc + + 内在的数据类型。 同时实现输出数据的显示，如数据列表和数据曲线。 7 、为了使软件更加漂亮和使用的方便，对已设计的界面进行美化。 8 、利用所设计的软件对中高速机进行相应的数值计算；验证程序的正确 性。 本文通过编制柴油机工作过程数值模拟的程序，并在v i s u a lc + + 的集成 开发环境提供的快速编程的框架下，通过添加程序代码来使柴油机工作过程 数值模拟可视化，从而完成软件的开发，并利用积累的实验数据验证程序的 正确性。 4 哈尔滨工释大学硕十学位论文 第2 章增压柴油机工作过程数值计算的数学模 型 2 1 基本微分方程 内燃机缸内的工作过程是很复杂的，它是包含物理、化学、流动、传热、 传质等的综合过程。为了描述气缸内工质状态变化，系统的边界由活塞顶、 气缸盖及气缸套诸壁面组成。系统内工质状态由压力、温度、质量这三个基 本参数所确定，利用能量守恒方程，质量守恒方程和理想气体状态方程联合 求解，求解出这三个参数n 们”。 为了简化问题，作如下基本假设： 1 、气缸内的工质状态均匀，即同一瞬间气缸内各点的压力、温度和浓度 等处处相等，并假定进气期间，通过系统边界进入气缸的空气与气缸内的参 与气体实现瞬间的完全混合。 2 、工质为理想气体，其比热容、内能、焓等参数仅与气体温度和气体成 分有关。 3 、气体流入或流出气缸的流动过程为准稳定流动过程。 4 、工质进出口处的流动动能忽略不计。 缸内过程的基本方程： 能量方程 质量方程 堕：一d u ( 2 1 ) 一= 一 、厶一l ， d r p d 够 d m = d r a g 一：= 一 d d 9 口矽 ( 2 - 2 ) 状态方程p y = m r t ( 2 3 ) 由于券= 。带入以上公式中可以得到温度随时间的变化规律： 塑：上f 堡一甜塑一m 旦盟1 ( 2 _ 4 ) 一= 一i 一一甜一一，咒一一i 厶一 d 9m c r d 9 d 9 8 a md o ) 哈尔滨工程大学硕七学位论文 i - - i ii m 一一- 一一i 苗一- - i - - - _ 一i i i i i i i i i 苗 2 2 气缸的工作容积 气缸工作容积的变化规律： y = 等净扯扣1 s c 知一万1 一肛5 ， 式中：妒曲轴转角( 。c a ) ，从曲柄在上止点时算起j 气缸容积随曲轴转角的变化率： d v 万2 d 2 s 一= = 一 d c p 8 x 1 8 0 其中：占压缩比；v ，气缸的工作容积。 2 3 燃油燃烧的放热规律 ( 2 - 6 ) 按照燃料燃烧的放热律的定义： 等g 乜仇等 ( 2 _ 7 ) 气缸内燃料燃烧百分数x 是表示某一曲轴转角时，累计已燃烧掉的燃料 i m 口与循环喷油量g ，y _ _ l l ，其中简化计算时仇= l 。譬称为放热率。 “ 由于内燃机燃烧过程极为复杂，燃烧放热率或者放热率的函数形式也极 为复杂，它与燃烧的物理、化学过程，发动机的结构及运行参数等众多因素 有关。虽然进行了很多研究，但是目前进行工作过程计算和配合计算时，比 较简单的方法有两种幢“町： l 、利用现有柴油机的实际示功图进行数值分析，计算出放热率，作为输 入数据来进行工作过程计算，此种方法需要母机，且需要较高精度的示功图 和有关实际参数。 2 、采用半经验公式，选取适当的经验系数，模拟实际的燃烧过程。目前 国内外较通用的半经验公式是韦伯公式。本软件中可以使用单韦伯、双韦伯 6 搬一国 刚 w 口 錾| | 到一，量 ，k ns 和三韦伯半经验公式来模拟燃烧。 1 ) 单韦伯半经验公式“1 - 69 0 8 ( 竺二堕1 “ x = 1 一e 娩。 ( 2 - 8 ) 坚= 6 9 0 8 m + 1 ( c p - ( p b ) m p 删( 警r ( 2 9 ) d 9 9 z9 z 式中：m 燃烧品质指数； 口瞬时曲轴转角； 仍燃烧持续角，仡= 一； 燃烧起始点； 似燃烧终点角。 变工况时的燃烧品质指数： 一吲一唔p o 删一浯 变工况时的持续角： 孕? ：孕，z 。( 鲁) 。6 ( 丢 。- 8 c 2 一l ) 燃烧滞后角，可以根据滞燃时间计算得到，但计算它的经验公式很多， 用得较多的是席特盖公式“1 ： t ：( o 5 + 0 1 3 5 e r r 尸- 0 7 + 4 8 p 百p 一1 8 ) x l o 一3 朋 ( 2 1 2 ) 其中：r 气体常数； 丁压缩终点的气体温度，k ： p 压缩终点的气体压力，m p a 。 此经验公式的计算流程如图2 1 ，本章中流程图中用到的参数都是本软件中 使用的，其含义见附录a 。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 图2 1 滞燃期的计算流程图 本软件中还是提供了多个计算滞燃期的公式： d e l z v = 0 4 4 p 一1 1 9 p 了 2 l o o d e l z v = 3 5 2 p 一1 0 2 p 丁 d e l z v = o 1 4 6 p 一1 0 2 p 百 d e l z v - - 0 5 + ( 丁0 1 3 3 + 丁4 6 3 ) 口警 8 ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) d e l z v ：o 1 + 2 6 7 2 p 枷8 7 p 下 ( 2 1 7 ) d e l z 矿= ( 1 2 p 3 + 0 4 1 5 ) ( 一3 6 r 3 + 0 0 2 2 2 ) 玎+ ( - 竿x 1 0 3 - 2 6 6 6 ) +( 2 一1 8 )p l 厶一上o ， ( 志1 4 5 ) ( 1 0 0 孟) 】 2 ) 双韦伯半经验公式 上述单条韦伯曲线模拟中，低速柴油机放热规律与实际情况比较相近。 如果模拟高速、中高速柴油机时与实际情况有很大差异，此时用双韦伯曲线 叠加法模拟放热规律“1 。 x = 五+ 五 ( 2 一1 9 ) 一d x ：亟i 盟 (220)-t 一= i z d 9d 9d ；p 墨：1 一e - 6 9 0 s ( 去) “( 妒一他y ，+ 1 ( 1 一q a ( 2 2 1 ) 置：ll-e-击90s(!鳓1伊矿“1qd(2-22)i 2 2 置= l e 鳓 i q d lj 等= c + 1 ) x 6 9 0 8 ( 1 严“却训删8 ( 护+ 1 如计“卜， ( 2 - 2 3 ) 等：卜驰6 舢8 c 护1 和矿一r 嗍扩“如一矿+ 1 卜 ( 2 - 2 4 ) 取值时可以选取胁。= 2 ，= 0 8 。 双韦伯半经验公式的计算流程图如图2 2 ： 9 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 i l lii_li li i 图2 2 燃烧模型的计算流程框图 3 ) 三韦伯半经验公式 竺：堕+ 丝+ 坠( 2 2 5 ) 一= + + 二一 d 9d ( ；pd pd p 等= l ( ，。+ ，) 6 如8 l f 去j , 、m p + l ( 妒一纯) 广9 0 8 ( 去严“( 旷) _ p “l c t 一仍：一纺，c 2 2 6 ， 甜吣6 舯甜“护坩p 一亡肿帅妒“卜仞， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 甜椰6 舯8 斟“沪删咧扣妒“卜浯2 8 ， 其中：预混合燃烧领先角5 扩散燃烧持续角； 尾燃烧持续角。 2 4 通过进排气阀的流量计算 进气阀处的流动均属于亚临界流动，进气流量的变化率为： 等5 去们南。 面5 石”c 孺专。 其中：甩发动机转速，r s ： 从进气门流量系数； 只进气门瞬时的几何流通面积，m z ； ( 2 - 2 9 ) p s ，i 进气门前( 进气管状态) 工质的压力( p a ) 及温度( k ) ； 尺，t 进气门前( 进气管状态) 工质的气体常数及绝热指数； p 进气门后( 气缸内) i 质压力，p a 。 工质在排气门处的流动状态，在初期排气阶段由于压差较大，可能出现 临界流动，随着压差减少，可能转为亚临界流动。 排气流量的计算流程图如图2 3 ： 哈尔滨丁稃大学硕士学位论文 图2 3 排气流量的计舁流崔框图 框图中的计算公式如下： 当笠s ( i 去) 扣1 时，为超临界流动，排气流量变化率为： p庀+ i 等= 矿1e 志c 南击厝( 2 - 3 0 ) 当笠 ( j ) “t 时，为亚临界流动，排气流量变化率为： 口 彤+ l 鲁= 土6 n 以e 堡4 r t d 口 一 。 其中：以排气阀流量系数： r e 排气阀瞬时的几何流通截面积， 1 1 2 ； p ，t ，七气缸内工质的压力，p a ；温度，k ；绝热系数； p 排气阀后的排气管压力，m p a 。 1 2 ( 2 - 3 1 ) 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 2 5 工作介质特性计算 2 5 1 过量空气系数 瞬时过量空气系数定义为实际空气质量m 。与燃烧m 8 理论上所需的空气量 的比值： 口。：l ( 2 3 2 ) 2 有 心。纠 其中：m 。气缸内的实际空气质量； 厶理论空气质量( l o = 1 4 3 k g 空气l 【g 柴油) ； m b 某瞬时前气缸内已燃烧的燃油质量。 瞬时过量空气系数随曲轴转角的变化率为： 堕：l r 亟一旦一d r a b ) ( 2 3 3 ) 一= 一i “ 厶 d 驴m b 厶、d 驴m bd e 一个工作循环中气缸内的过量空气系数是不断变化的： 压缩阶段：气缸内没有新鲜工质流入，又没有燃烧，工质成分不变化， 所以过量空气系数为常数。 燃烧阶段：燃烧开始时空气质量为定数，过量空气系数随燃油质量变化， 一d o t e ：一旦盟 ( 2 3 4 ) 一= 幽一 厶 d 9m 孑l od 9 膨胀阶段：气缸内工质成分不变化，过量空气系数为常量。 单纯排气阶段：气缸内工质成分不变化，过量空气系数为常量。 单纯进气阶段：假定气缸内燃油质量为常量，因此： 旷翥 ( 2 _ 3 5 ) d 1 咖。 一= ：- 一o d 9m b kd ( p 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 2 气体的内能和焓的计算 气体的焓： h = “+ r r( 2 - 3 6 ) 理想混合气体内能是温度和过量空气系数的函数，在简化计算中用尤蒂 斯比热表整理的解析式为。，： 甜= 0 1 4 4 5 5 m 0 9 7 5 + 矿0 0 4 8 5 ) ( t - 2 7 3 ) 3 x 1 0 - 6 + ( 7 7 6 8 + 3 3 6 ) ( t - 2 7 3 ) 2 1 0 4 + ( 4 8 9 6 + 4 6 4 ) ( t - 2 7 3 ) x 1 0 - 2 + 1 3 5 6 8 】 定容平均比热容公式为： ( 2 - 3 7 ) q 叩= 。1 4 4 5 5 _ 3 x ( 。9 7 5 + 了0 0 4 8 5 ) ( t - 2 7 3 ) x 1 0 - 6 + 2 x ( 7 7 6 8 + 3 3 6 ) ( t - 2 7 3 ) x 1 0 。4 +a pc c 睁? ( 4 8 9 6 + 4 6 6 ) ( t - 2 7 3 ) 1 。一2 】，日( k g k ) 为了避免程序的复杂性，将其进行如下处理： u = ( 一c l + c 2 + c 3 + c 4 ) c o 0 1 4 4 5 5 18 5 c 玉= ( 一3 xc 1 + 2 x c 2 + c 3 ) x o 1 4 4 5 5 1 8 5 其中：c o = t - 2 7 3 1 5 c 0 2 = ( t - 2 7 3 5 ) x ( t 一2 7 3 5 ) 4 = o 0 4 8 5 a 口n 7 5x c 0 2 x l o 。 4 = 3 。3 6 a 4 , o 8x c o x l o 一 呜= 4 6 4 0 。9 3x 0 0 1 4 = 4 6 9 ( c o ) c l = o 0 9 7 5 x c 0 2 x 1 0 。6 + 4 1 4 ( 2 - 3 8 ) ( 2 - 3 9 ) ( 2 - 4 0 ) ( 2 - 4 1 ) ( 2 - 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 - 4 4 ) ( 2 - 4 5 ) ( 2 - 4 6 ) ( 2 - 4 7 ) 哈尔演工程大学硕士学位论文 c 2 = 7 7 6 8 c ox l o 一+ 4 ( 2 4 8 ) c 3 = 4 8 9 6 + 4 c 4 = 1 3 5 6 8 c o + 4 2 6 缸内过程数值计算 ( 2 4 9 ) ( 2 - 5 0 ) 在气缸内，将微分方程分为6 个阶段来进行求解。选择开始计算时机为 压缩始点，即进气门关闭时作为计算的始点，一直计算到下一个循环的进气 门关闭时刻结束。工作循环划分为压缩、燃烧、膨胀、排气、进排气门重叠 和进气等六个阶段，各阶段的起止时刻作为已知数据输入。如图2 4 所示。 l 医缩燃烧膨胀叠开 ?。?| | 。 排气 进气 1，7 厂 - l r 止点上止点 下止点上止点下止点角j 进气门关排气门开进气门开排气门关进气门关 图2 4 气缸内工作过程计算各阶段划分示意图 2 6 1 压缩阶段 压缩阶段由进气门关闭时刻起到显著燃烧开始时为止。此阶段中进、排 气门均处于关闭状态，不计漏气损失，且这阶段无气体流入气缸与工质混合， 又无燃烧发生，因此工质成分不变，即： 堕：0 ，堕：o ，亟= o ，堡；0 ，塑= o d ( ；pd ( p d c p d ( ；pd ( p 哈尔滨工程大学硕士学位论文 带入公式( 2 - 1 ) 中得t d t ：上f 亟一p d _ z v1 ( 2 5 t ) 一= 一l 一一，】i l 厶一 d c pm 巳ld e p 。d 妒 2 6 。2 燃烧阶段 燃烧阶段从燃烧开始到燃烧结束为止。这个阶段中进排气门处于关闭状 态，但是有燃料喷入气缸。假设所要计算运行点的放热规律一致，用燃烧规 律代替喷油规律t d m f ：土垫( 2 - 5 2 ) 一：= 一- o ， d ( o h ud c p 某堋油量2 去童挚矽其中2 最， 带入公式( 2 - 1 ) 中得： 塑：上f 堕一“塑一聊旦盟1 一：= 一l 一一，一一，z 一一- d c pm c ，id 矽d 妒a d 缈j 2 6 3 膨胀阶段 膨胀阶段从燃烧终点到排气门开启。此阶段与压缩阶段类似，进排气门 关闭，没有燃料进入气缸，气缸内的工质质量不变，但数量上增加了一个循 环的喷油量g ，即： 堕：o ，堕：o ，亟：0 ，堕：o 。 d 9 j d 9 一d ；p j d 9 简化形式和压缩阶段一样，即： _ d t ：上( 孕一p 譬) 5 4 ) a 缈m c v“缈“妒 此三个阶段的计算流程如图2 5 ： 1 6 o 一 鼹 盟却 哈尔滨工程大学硕十学位论文 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 图2 5 压缩和膨胀、燃烧阶段的计算流程框图 2 6 4 排气阶段 单纯排气阶段从排气门开启到进气门开启，此阶段中： 亟：o ，亟：0 ，堕：0 d 9 一d ( pd 9 带入公式( 2 1 ) 中得： 1 8 哈尔滨工程大学硕士学何论文 带入公式( 2 一1 ) 中得： 器= 去( 努一p 器地叫等) ( 2 - 5 5 ) 2 6 5 进气阶段 单纯的进气阶段是从排气门关闭到进气门关闭，此阶段中： 亟：0 亟：0 d r # d r # 同时忽略对u 的影响，公式( 2 一1 ) 可简化为： 一d t d w 去m ( 等一p 器地叫等) 一= 一l 一一，7 一_ - i ，l 一7 - 一i c ，ld 伊 1 d 驴 、5 7 d 缈 2 6 6 进排气门重叠阶段 进排气门重叠阶段从进气门开启到排气门关闭。此阶段中， 的交换，但没有燃烧发生，因此： 亟：0 ，盟：o ， d r # d c p 此阶段的质量守恒方程为： 砒一d m ，d i n , 。一。一 d c pd 9d ( p 带入公式( 2 一1 ) 中可以简化为： 堡d w 去mc ( 等一p 等地叫等地刊等)，ld 缈d 9 、5 7 d p 、。 d 9 进排气阶段的计算流程图如图2 6 所示： 1 9 ( 2 - 5 6 ) 有新旧气流 ( 2 - 5 7 ) ( 2 5 8 ) 哈尔滨下程大学硕十学位论文 图2 6 进排气计算流程框图 气阀有效开启面积计算流程图如图2 7 ： 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 ill ii|m 图2 7 气阀的有效开启面积框图 2 7 废气涡轮增压柴油机工作过程的计算 2 7 1 废气涡轮增压器的性能计算 废气涡轮增压器在稳定运行过程中必须满足三个基本方程： 1 、涡轮与压气机的能量平衡 r r l ( 肼= 吸 ( 2 5 9 ) 2 、通过涡轮与压气机的流量平衡 朋r = + ( 2 6 0 ) 其中：坼，m r ，涡轮，压气机流量，相应的燃油流量g s 。 3 、涡轮与压气机的转速相等 竹= = 钕 ( 2 6 1 ) 计算涡轮增压柴油机的热力过程计算时，先假定增压压力、温度和增压 2 l 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 效率。计算出气缸内过程和排气管内过程，算得空气进入气缸的流量和涡轮 能发出的涡轮功，据下式可以计算出增压器的压比： 驴l w r q r x , r l x 云 、l 1 k k - 1 l + 1i( 2 6 2 ) j 再根据算得的乳和原来的坂再一次查得巩，再算出。检查算得的 与原来假定得是否一致，否则用弦割法修正坟再一次迭代至收敛。根 据已知的坂和，用插值法计算对应点4 的n k 或，再根据上述三个刀值 插值求出，误差在l 之内。最后求出增压器与柴油机的平衡运转点的参数。 压气机效率： ， k - i 、 t oh n 1 张2 f 一( 2 - 6 3 ) 压气机等熵压缩功：= 西k r 瓦( 巩t k - i 一1 ) ( 2 6 4 ) 压气机实际消耗功：堡蓝( 2 - 6 5 ) 仇耐 空气经压气机压缩后，温度由t o 升高到砭，出口温度砭为： 砭：瓦+ 瓦f7 r 譬一1 1 上( 2 - 6 6 ) 耻孙瓦i 。1 j 去r xl q 其中f 为向外散热的冷却系数。 2 7 2 废气涡轮增压柴油机工作过程的计算 求解废气涡轮增压器柴油机各个系统中的微分变量，要求有同样数量的 微分方程组，逐个步长进行计算求解，就可以得到各参数随转角的变化曲线， 进而求出柴油机整机的特性参数。 选择压缩始点作为计算始点，对柴油机一个循环进行逐个步长的数值计 哈尔滨 _ 程大学硕士学位论文 算，根据各个阶段的特点应用对应的微分方程。同时各个阶段可以根据它们 不同的特点选择不同的步长，这样在保证计算精度的同时可节省计算时间。 比如：扫气阶段参数变化大，应该选择较小的步长，其余阶段参数变化平缓， 可选择大点的步长，步长的计算程序如图2 8 所示。 在计算时，第一个循环计算时的初值条件，如压缩始点压力、增压压力 和循环喷油量等参数是根据经验数据粗略估计。当进行一个循环的积分后回 到压缩始点。首先验证压力是否满足计算精度要求，若不满足就重新迭代， 直到收敛。继续计算本循环的增压压力与初值是否满足计算精度要求，不满 足就重新计算直到收敛。接下来检验平均有效压力的误差是否在精度允许范 围内，根据误差的百分比进行循环喷油量的调整，然后进行迭代计算到收敛。 在进行涡轮增压器和柴油机的配合计算时，要求涡轮增压器的增压压力 和流量满足精度要求。在所有参数都符合要求时，进行综合参数的计算。 增压器特性参数的计算过程，参照参考文献 2 和 5 得： 1 、假定斥，砭，7 7 r 的迭代初值。由柴油机气缸内热力过程计算出气缸的空 气流量，即压气机流量历足，由排气管内热力过程计算出废气涡轮功崂。 2 、由以上的m k ，值和有关迭代初值计算出增压器压比7 9 r 。 3 、本次算得的和( 1 ) 算出的聊k 利用拉格朗日二元三点插值，算出压 气机特性线中对应的弦值。 4 、本次算得的巩和原来，孵计算出新的值，可以算出新的增压压力 圪。 5 、新的增压压力和原来的比较，看是否满足精度要求。迭代计算到收敛。 6 、计算涡轮效率聃，此时用拉格朗日二元三点插值法求出转速他1 。 在源程序中，把流量和压比的坐标分割成i 和j 个存储流量、压比、转 速及效率。存储的数据如下： 转速：2 0 x 1 6 = 3 2 0 效率：2 0 x 1 6 = 3 2 0 2 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 流量：2 0 压比：1 6 在从特性线中采取数据时，通过画网格的方法，再通过插值计算出所要 得到的那点的转速和效率值，要使划分得到的值在喘振线以下，如果不是在 有效范围内就要将特性线根据大致趋势补全，以得到可以用来进行计算的有 效值，然后在进行模拟计算时，要根据实际的流量和压比，利用拉格朗日二 元三点法来进行计算得到转速和效率，其计算流程框图如图2 9 所示： 图2 8 步长的计算流程框图 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 9 压气机特性图的计算框图 己知函数( x ，y ) 的第一变量x 的节点值为一，第二变量y 的节点值为y j ， 其对应节点上的函数值为。对于给定的不是节点的值( x ，少) ，分别选取最靠 近x 的三个点和最靠近y 的三个点，用拉格朗日二元法实际可算出对应的函 m 川2 锅p 雪s = q 嚣煽嚣j 卜 l = g ，= l “l “，| lf _ j 口，1 图2 1 0 二元3 * 3 点插值计算流程 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 8 程序的结构和功能 程序