（动力机械及工程专业论文）柴油机热平衡数值仿真与试验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 发动机热平衡研究是缸内传热研究的重要组成部分。所谓热平衡就是分析 不同工况下燃油燃烧释放出的总热量分配到有效功率等各部分热量的情况。它 是从系统集成的角度分析发动机中的能量转换与流动传热过程，使发动机的各 个系统( 如进排气系统、冷却系统、润滑系统) 与发动机匹配最优化，最大程 度地提高发动机的热效率。目前，发动机热平衡的主要研究方法有仿真与试验 两种方法。一方面，随着计算机技术的飞速发展，仿真研究可以在虚拟的环境 中对研究对象进行热平衡分析，降低产品的研发成本，缩短产品的设计周期。 另一方面，现代测试技术水平的发展使试验研究可以获得更为准确的测量参数， 为仿真研究提供可靠的依据。本文尝试采用a v lb o o s t 软件进行发动机的热平 衡仿真研究，为热平衡的仿真研究提供了一种新的方法与途径。通过热平衡试 验验证了仿真结果的可靠性，证明了采用该方法进行热平衡仿真研究的可行性。 本文完成的主要工作有： 1 建立热平衡仿真的缸内工作过程模型和一维气体非定常的流动模型。确定燃 烧放热模型、缸壁传热模型以及边界条件的处理方法。 2 在a v lb o o s t 软件中建立了w d 6 1 5 型( 1 6 2 k w ) 柴油机的仿真模型，分析模型 中气缸、管道、涡轮增压器、测点位置、系统边界等参数的设置方法。并对 w d 6 1 5 型( 1 6 2 k w ) 柴油机进行了外特性与负荷特性的热平衡仿真计算，分析 外特性与负荷特性下，各部分热量的分配情况。 3 利用发动机热平衡测试系统对仿真机型进行试验验证。比较仿真结果与试验 结果的差异，验证了用a v lb o o s t 软件进行热平衡仿真研究方法的可行性。 4 对相近机型w d 6 1 5 型( 1 4 7 k w ) 柴油机进行a v lb o o s t 热平衡仿真计算，通过 与试验结果的对比分析，进一步验证该方法用于热平衡仿真计算的可行性。 5 比较分析了w d 6 1 5 ( 1 6 2 k w ) 与w d 6 1 5 ( 1 4 7 k w ) 两种机型外特性和负荷特性下热 平衡试验结果的差异，为工程选型应用与冷却系统的改善提供借鉴。 6 在总结本文研究工作的基础上，对今后热平衡仿真研究提出工作展望。 关键词：发动机，热平衡，a v lb o o s t 软件，仿真，试验 浙江大学硕士学位论文 a b s t t a c t a b s t r a c t t h e r m a lb a l a n c er e s e a r c hi sa ni m p o r t a n tp a r to fe n g i n eh e a tt r a n s f e rc a l c u l a t i o n t h e r m a lb a l a n c ei sd e f i n e da st h ed i s t r i b u t i o no f t o t a lh e a tq u a n t i t yw h i c hg i v e so u t b ye n g i n ef u e l i ta n a l y s e st h ep r o c e s so f e n e r g yt r a n s i t i o na n dh e a tf l o wf o rt h e w h o l es y s t e m ，o p t i m i z e sa l lp a r t s ( i n l e t - e x h a u s ts y s t e m ，c o o l i n gs y s t e m ，l u b r i c a t i o n s y s t e m ) o f t h ee n g i n ea n di n c r e a s e st h eh e a te f f i c i e n c ya sh i 曲a sp o s s i b l e p r e s e n t l y , t e s ta n ds i m u l a t i o na r et w om a i nm e t h o d so f e n g i n et h e r m a lb a l a n c er e s e a r c h o n o n eh a n d 、) l ，i t l lt h ef a s td e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , s i m u l a t i o nr e s e a r c h c o u l da n a l y s e st h et h e r m a lb a l a n c eo f o n ee n g i n ei nav i r t u a le n v i r o n m e n t ，w h i c h r e d u c e st h ec o s ta n dr e s e a r c hp e r i o d o nt h eo t h e rh a n d ，t e s tr e s e a r c hc o u l dp r o v i d e m u c hm o r ev e r a c i o u sr e s u l t s i nt h i sp a p e r , a v lb o o s ts o f t w a r ei su s e dt o s i m u l a t et h et h e r m a lb a l a n c eo f w d 6 1 5 ( 1 6 2 k w ) e n g i n e t h i si san e wm e t h o do f t h e r m a lb a l a n c es i m u l a t i o n ，w h i c hd i d n tb ep u tf o r w a r di nt h ep a s t t h r o u g ht h e t h e r m a lb a l a l i c et e s t ，t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na r ev a l i d a t e d t h ef o l l o w i n gw o r k sa r ec o m p l e t e di nt h i sp a p e r ： 1 s e tu pw o r k i n gp r o c e s sm o d e la n do n ed i m e n s i o n a ln o n s t a t i o n a r yf l o w m o d e lo f t h e r m a lb a l a n c es i m u l a t i o n h e a tr e l e a s em o d e la n dw a l lh e a t t r a n s f e rm o d e la r ec o n f i r m e di nt h i sp e r i o d 2 s e tu pw d 6 1 5 ( 1 6 2 k w ) e n g i n es i m u l a t i o nm o d e li n a v lb o o s ts o f t w a r e c y l i n d e r , p i p e s ，t u r b o c h a r g e r , m e a s u r i n gp o i n t ，s y s t e mb o u n d a r yp a r a m e t e r s a r ec o n f i r m e d s i m u l a t ew d 6 1 5 ( 1 6 2 k w ) t h e r m a lb a l a n c ei ne x t e r n a l c h a r a c t e r i s t i ca n dl o a dc h a r a c t e r i s t i cs i t u a t i o n a n a l y z et h es i m u l a t i o nr e s u l t s 3 v a l i d a t et h es i m u l a t i o nr e s u l t st h r o u g ht h e r m a lb a l a n c et e s t c o m p a r et h e d i f f e r e n c eo f s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt e s tr e s u l t s 4 t a k ew d 6 1 5 ( 1 4 7 k w ) e n g i n ea sa n o t h e re x a m p l eo f t h e r m a lb a l a n c e s i m u l a t i n gc a l c u l a t i o n , v a l i d a t et h es i m u l a t i o nr e s u l t st h r o u g ht h et e s t ，w h i c h p r o v e st h ef e a s i b i l i t yo f t h ea v l b o o s t s i m u l a t i o nm e t h o d 5 a n a l y z et h ed i f f e r e n c eo f w d 6 1 5 ( 1 6 2 k w ) a n dw d 6 1 5 ( 1 4 7 k w ) t h e r m a l i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a l a n c et e s tr e s u l t s ，w h i c hc o u l dg u i d et h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n dt h e i m p r o v e m e n t o f t h ec o o l i n gs y s t e m 6 m a k ea ne x p e c t a t i o no f t h e r m a lb a l a n c es i m u l m i o nr e s e a r c ho nt h eb a s i so f c o n c l u s i o ni nt h i sp a p e ra n db r i n gf o r w a r dt h ef a r t h e ri m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：e n g i n e ，t h e r m a lb a l a n c e ，a v lb o o s ts o f t w a r e ，s i m u l a t i o n ，t e s t i i i 学号2 立5 够2 3 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘江盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：劫迅窀签字日期和7 年6 月q 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝婆盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 己函字 签字日期：如口7 年6 月8 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：钙 导师签名：7 刍、雷刁、 签字日期：嗍年月岳日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 在当今所有的热机中，内燃机是热效率最高的动力机械。由于其功率和转 速覆盖范围广的优点，可以满足各种不同动力机械的需求，因而被广泛的应用 于汽车、船舶、工程机械、发电机组等各个领域，在国民经济中发挥着重要作 用。但是，由于石油资源的紧缺，能源问题日趋严重，内燃机的发展也面临着 前所未有的挑战。针对这一问题，人们在研发混合动力、燃料电池、氢动力等 替代能源的同时，也在加快对于内燃机性能的改进，特别是设计具有高强度、 良好燃油经济性的内燃机也成为如今内燃机领域的研究方面之一。 内燃机的热平衡研究是内燃机缸内传热研究的重要组成部分。而传热问题 一直是影响内燃机性能的重要因素之一。首先，研究内燃机的传热特性对于改 善内燃机的传热损失、热效率、燃烧性能、排放性能有着重要意义。从内燃机 的整个工作循环过程看，自始至终存在着传热现象。在进气过程中，由于气缸 壁传热的存在，会使充气效率下降。对于柴油机而言，充气效率的下降会导致 有效功率的下降、燃烧恶化、比油耗和排气温度的增加。同时，由于缸内传热 的存在，会降低内燃机的热效率，并影响内燃机排放物的生成。其次，随着内 燃机强化程度的不断提高，其零部件的热负荷也随之增加，因此，研究内燃机 的传热特性对于零部件的热负荷和可靠性分析也有着重要意义。在内燃机工作 时，各零部件受燃烧室内高温燃气的影响，承受着一定的热负荷，必然需要对 其进行冷却。如果零部件不能得到及时的冷却，则会加剧零部件的磨损，缩短 零部件的使用寿命，当超过零部件所能承受的热疲劳极限时，会产生裂纹而破 坏，使内燃机无法可靠的工作。 据统计在内燃机中，仅通过燃烧室壁面的传热损失要占燃料放热总能量的 1 5 3 0 。因此，从内燃机循环热效率的角度出发，希望通过冷却系统的 散热量要尽可能的少；但同时考虑到零部件热负荷与可靠性的限制，冷却系统 的散热量又不能过少。这两者之间存在着矛盾，互相制约。内燃机的设计目标 就是要在满足零部件热负荷的前提下，尽可能的优化内燃机的冷却系统，减少 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 传热损失，提高内燃机的热效率，改善燃油经济性与排放特性。 热平衡研究就是分析不同工况下燃油燃烧释放出的总热量分配到有效功率 以及各部分部件散热损失的情况。根据热量的分配情况，可以判断在某一特定 工况下，零部件的热负荷是否过高。同时，热平衡的研究结果也可以为冷却系 统的设计提供依据，并为提高内燃机的热效率指明方向。总之，内燃机的热平 衡研究就是从系统集成的角度来统筹分析内燃机中的能量转换与流动传热过 程，使内燃机的各个系统( 如进排气系统、冷却系统、润滑系统) 与内燃机匹 配最优化，在保证动力性、经济性、可靠性的同时，最大程度地提高内燃机的 热效率。 a - 从残余废气和排气中回收的热量； b - 由气缸壁传给进气的热量； c - 排出废气传给冷却水的热量； d 在摩擦热中传给冷却水的热量； e - 从排气系统辐射的热量； f - 从冷却系统和水套壁辐射的热量； 哥从曲轴箱壁和其它不冷却部分辐射的 热量： 图1 - 1 内燃机中的热量分布图 图( 卜1 ) 给出了通常内燃机中的热量分布情况。从图中可以看出，燃油燃 烧释放的总热量主要分流为四部分，即：转化为有效功的热量、废气带走的热量、 缸壁带走的热量、余项损失( 包括：内燃机的摩擦损失、机体的表面辐射散热、 和驱动辅助机构的损失) 。由此得到发动机的热平衡方程为： q ，= q + q ：，+ q + q ( 1 1 ) 上式中： q ，一燃油燃烧释放的总热量； q 一转化为有效功的热量； q 0 一废气带走的热量； 2 d 、， 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 q 缸壁带走的热量； q 一余项损失。 如果以各部分散热量所占总放热量的百分比来表示，则热平衡方程变为 ，7 r = 仉+ 诏+ 巩+ 仉= 1 0 0 ( 1 2 ) 然后，根据式( 卜2 ) 可以绘制内燃机的热平衡图。图( 卜2 ) 是某中型柴 油机在不同转速工况下的热平衡图。从热平衡图中，可以直观的看到随转速变 化而引起的内燃机热量分配的变化情况，可以更好的了解燃油放热量的利用程 度和损失去向。 图卜2 不同转速工况下的热平衡图 目前，热平衡的研究方法一般有两种：即试验研究的方法与数值仿真的方 法。传统的热平衡研究都是以试验为基础进行的，即通过对冷却水进出口温度、 进排气温度、润滑油进出口温度、进气流量、冷却水流量、润滑油流量等参数 的测量，来最终计算一台发动机的热平衡状况。随着计算机技术的迅猛发展， 运用数值仿真的方法进行缸内工作过程的模拟分析也越来越多的被采用。热平 衡的数值模拟研究就是利用数学模型来描述热量的分配状况，它依赖于缸内工 作过程的模拟仿真，燃烧室部件的传热仿真、发动机进、排气管的流动与传热 仿真等研究。 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 由于现代测试技术水平的提高，试验研究可以获得较为准确的测量参数， 具有一定的可靠性，试验结果也可为模拟仿真的研究提供依据。但是，试验研 究在实际产品设计过程中投资较大，周期较长，不利于生产效率的提高和成本 的降低。相对而言，数值仿真的研究具有成本低，周期短，信息丰富的优点， 而且可以对系统性能进行预先研究，也可以在任意气候条件下对内燃机进行各 工况的模拟，甚至可以获得某些试验难以测量的信息。 在进行内燃机热平衡的数值仿真研究时，所建立的物理与数学模型应尽可 能的反映实际内燃机运行时的状态，模型应尽可能的简单、不能过于复杂，不 能超出现有的计算机硬件和软件的计算能力。同时，仿真计算应与试验研究相 结合，通过试验研究进一步验证仿真结果的准确性与模型的可靠性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 缸内工作过程数值仿真研究现状 缸内工作过程的数值仿真是传热仿真的基础，这方面的研究开展的最早。 缸内工作过程的仿真就是从物理化学模型出发，用微分方程来描述工作过程中 的燃烧放热规律、缸内传热规律、工质流动规律等，然后通过数值计算的方法 求解各热力过程参数。 国外的燃烧性能预测开始于5 0 年代，自6 0 年代中期起，随着计算机的出 现和广泛应用，使得内燃机工作过程的数值模拟成为了可能。时至今日，人们 已经可以较精确的进行模拟计算，取得了很多研究成果。从燃烧过程模拟的发 展历程来看，主要经历了燃烧放热率的计算，零维模型、准维模型和多维模型 四个阶段。瑚嘲 燃烧放热率的计算，是由示功图根据能量守恒方程和经验传热公式，推算 燃油燃烧的放热过程。这种方法简便直观，至今在性能研究中仍很受重视。 零维模型，又称单区模型。它是通过大量燃烧放热过程的实验统计结果得 到的经验拟合关系式。它的特点是假定缸内工质是均匀分布，忽略燃烧反应复 杂的中问过程，仅把燃烧看成是按一定规律向系统加入热量的过程。例如 a u s t e n l y n 三角形法、w h i t e h o u s e 的单区模型等。目前，零维模型已经被广泛 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 应用于发动机的设计和研究中。 但是，工质均态的假设在一定程度上掩盖了实际燃烧中物理化学反应过程 的机理，而且对于排放的预测也无能为力。因此，人们又发展了准维模型。在 此模型中，将燃烧空间( 雾束或者火焰) 划分成若干个区域，然后分别计算各 分区内的温度和浓度。国外较为典型的模型有：美国c u m m i n s 公司林慰梓等人 提出的气态射流模型，日本广岛大学广安博之等人提出的喷注雾化模型，日本 京都大学池上洵等人提出的概率过程模型嘲。国内学者在此基础上进行发展与 完善，提出了各具特色的准维模型。如：袁中庄例等人研究了非直喷柴油机气 态污染物的形成历程，建立了c o 形成模型；浙江大学严兆大【1 2 1 等人研究了直喷 式柴油机准维现象学多区喷雾燃烧模型；天津大学史绍熙“”等人提出的一种新 的直喷式柴油机现象学模型；上海交通大学金昶明“等人研究了一种适合在准 维模型中使用的直喷式柴油机喷雾碰壁与空气卷吸模型；此外，西安交通大学， 装甲兵工学院等院校也对准维模型开展了相关研究工作。 多维燃烧模型，是基于守恒定律从气体力学、化学反应动力学、热交换、 质量交换和动量传递等方面建立描述内燃机燃烧过程的微分方程组，构成完整 的计算模型。其计算结果能够提供内燃机燃烧过程中气流速度、温度和成分在 空间分布的详细信息。在这方面的研究中，美国l o s a l a m o s 国家实验室开发的 k i v a 系列程序是最具代表性的多维模拟计算程序。英国帝国理工学院在r p m 程序的基础上建立了缸内工作过程较为全面的模型。国内相关研究也开展较多 1 3 3 - c 1 4 ，华中科技大学魏明锐“”等人使用k i v a 程序研究了小型直喷式柴油机燃 用二甲基醚( d m e ) 的喷雾燃烧过程；上海交通大学陈红岩“”等人对g 4 1 3 5 直喷 式柴油机建立了一个辐射多区多维模型，分析了燃烧工质的辐射吸收效应。此 外，国内学者还提出了自己的多维燃烧模型，如北京理工大学开发的内燃机工 作过程三维模拟程序r e s 3 d i i “”，以及同济大学和江苏理工大学共同开发的 涡流室式柴油机工作过程三维模拟程序e n g i n ec f d 1 1 等“”。 1 2 2 缸内传热研究现状 缸内传热的研究包括对于固体传热的研究、流体传热的研究、以及流固耦 合传热的研究。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 对于缸内固体部件的传热研究，主要集中在对缸套、活塞和缸盖的研究上。 例如：早在1 9 8 5 年，浙江大学俞小莉“”等人就对缸套内表面稳态传热的边界条 件进行了理论研究，并得到缸套边界计算的经验公式。1 9 9 1 年，费少梅和严兆 大1 等人对高速风冷柴油机活塞的热负荷问题进行了研究；1 9 9 4 年，严兆大 和俞小莉“”提出了一种计算小型高速风冷柴油机气缸盖换热边界条件的方法， 在设计阶段就能对气缸盖温度分布和热流状况进行预算。 这种对于单独部件传热计算的方法发展至今已相当成熟。在此基础上，研 究人员也开展了关于部件与部件之间耦合的传热计算研究。1 9 8 5 年，m o r e l 1 首先提出了采用固体部件耦合的方法来计算活塞组一缸套之间的传热问题。 1 9 8 7 年陈国华”1 率先在国内提出了活塞组一润滑油一缸套耦合系统的循环瞬态 传热模型，通过对润滑油膜进行有限元网格划分的办法来建立活塞组和缸套之 间的熟联系。大连理工大学白敏丽魄1 提出了一个活塞组一缸套耦合系统的瞬态 温度场的分析模型，此模型可预测活塞顶、缸套内表面、活塞环及润滑油的波 动。 对于缸内稳态流体传热的研究，主要有冷却系统和润滑系统两方面。冷却 系统的传热仿真国外进展较快，1 9 9 7 年，s i d e r s 啪1 等人提出了用集总参数法研 究内燃机冷却系统动力学性能的方法；2 0 0 4 年，赵以贤”1 等人提出了车用内燃 机冷却系的流动与传热仿真方法，针对车用内燃机某些部件不能直接应用集总 参数法研究传热的问题，将车用内燃机的流动问题与传热问题耦合起来作为一 个系统建立综合模型。润滑系统的传热研究开始于2 0 世纪9 0 年代初期，但发 展得相对较慢。2 0 0 1 年，z o z 啪1 等人研制了发动机润滑系统流动与传热模型，给 出了预测油箱温度的模型；2 0 0 3 年，a d s a w a o ”等人采用c f d 方法模拟摩托车 发动机油底壳内机油的流动。润滑系统的仿真研究目前还不成熟，在很多计算 中，机油的摩擦产热被忽略，国内也很少有关于循环油路准确模拟的研究，但 对润滑油进行c f d 模拟，并且将机油模块与燃烧室部件传热模块、冷却液模块 结合在一起研究是润滑系统研究发展的必然趋势。 固体传热与流体传热的研究为流固耦合传热的研究奠定了基础。流固耦合 的传热研究就是把缸内流动、燃烧、对流传热、辐射传热模型与燃烧室部件整 体( 缸盖一缸套一活塞组) 耦合起来进行整体模拟仿真。流固耦合的传热研究 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 也是目前内燃机传热研究的一个重要研究方向。它包括结构上各个系统的耦合 与计算中各个物理场的耦合。浙江大学李婷。”叫嘲等人对柴油机中活塞一缸套一 冷却水系统的耦合传热进行了研究，采用定义双边边界的方式处理耦合系统中 的内部边界。在进行有限元固流耦合传热计算方法研究的基础上，针对某6 1 3 0 型柴油机中活塞一缸套一冷却水系统进行数值仿真，所得结果相对试验结果有 较高精度。 1 2 3 内燃机热平衡研究现状 如前文所述，内燃机热平衡研究主要包括试验研究与仿真研究。 国外对于热平衡的试验研究开展较早。早在上世纪3 0 年代，就有国外学 者对汽油机的热平衡进行了相关的试验研究。ey u k s e l 咖等人研究了掺氢汽油 对四冲程四缸s i 发动机热平衡的影响；i t a y m a z 等人研究了使用陶瓷衬套发 动机的热平衡，发现采用陶瓷衬套后，被冷却系统带走的热量减少，而排气带 走的热量相应增加。此外，为了降低内燃机的热损失和有害物排放，国外学者 开展了以智能控制为最终目标的发动机热管理系统的研究。例如：h h p a n g 1 等人开发了一套可变调节的柴油机冷却系统，应用该系统可以大大降低n o x 的 排放量，在高速全负荷下甚至可以降低3 0 的n o x 排放量。 近年来，为了更好的提高发动机热效率和改善冷却系统的设计，国内学者 也开展了较多的热平衡试验研究工作。例如，徐州装载机厂开展了轮式装载 机在高原和沙漠环境下的适应性研究，通过热平衡试验对冷却系统进行了优化 配置，提高了整机的综合性能。西安交通大学韩冰“”等人对t y l l 0 0 型柴油机 进行了热平衡研究，分析了柴油机运转参数对于热平衡的影响规律。在此基础 上，姚波“2 “”3 等人又对t y l1 0 0 机型使用碳酸二甲酯( d m c ) 与柴油混合燃料 的热平衡进行了试验研究。结果表明，当混合燃料中d m c 比例为1 5 - 2 0 时， 相比纯柴油燃料热效率提高3 左右，冷却介质和排气带走热量的比例则相应 减少。浙江大学也在内燃机热平衡方面也开展了较多的研究。陆国栋“”等人对 装载机冷却系统的优化匹配进行了试验研究，解决了实际使用中经常出现的水 箱“开锅”问题，并改善了液压油散热器和变矩器油散热器的冷却效果。谭建 勋“”等人对工程机械热管理系统的试验平台进行了开发。黄鑫等入在此基础 上开发了一套适用于各种机型的发动机热平衡试验系统，此系统具有一定的数 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 据自动采集速度与记录精度。 内燃机热平衡的整机仿真研究依赖于缸内工作过程与缸内传热仿真的发展 程度，是热平衡仿真研究发展的必然趋势。热平衡的整机仿真在现阶段发展并 不完善，它的基本思想是充分考虑内燃机的相关结构( 见图卜3 ) ，对内燃机的 各个系统分别建立仿真模型，然后将这些模型进行耦合，得到最终的整机仿真 模型。如：毕小平1 等人采用集总参数法发展了一个坦克柴油机的传热计算模 型，此模型充分考虑了柴油机燃烧产热、工质与壁面之间的传热、柴油机部件 之间的传热、柴油机部件与冷却水之间的传热、柴油机部件与润滑油之间的传 热、柴油机部件与动力舱空气的传热、冷却水的流动、润滑油的流动、以及动 力舱内空气的流动。 图i - 3 发动机热平衡整机仿真系统示意图 1 3 本文研究内容 本文主要利用a v lb o o s t 整机仿真模拟软件建立w d 6 1 5 型柴油机模型，对 该柴油机进行热平衡仿真，并通过现有的热平衡试验测试系统对仿真结果进行 了验证，分析了该方法用于热平衡仿真的可行性。 i 第一章概述了课题的研究背景与意义，介绍了缸内工作过程仿真、缸内 传热仿真以及热平衡仿真与试验的研究背景。 2 第二章介绍了柴油机热平衡仿真的基础理论，包括条件的假设、数学模 型的建立、边界条件的设定等。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 3 第三章在t f f lb o o s t 软件中建立w d 6 1 5 型( 1 6 2 k w ) 柴油机的仿真模型， 讨论了气缸、管道、涡轮增压器、测点布置、系统边界等模型参数的设 置方法，并对w d 6 1 5 型( 1 6 2 k w ) 柴油机热平衡进行计算和分析。 4 第四章利用浙江大学自行开发的热平衡测试系统对w d 6 1 5 型( 1 6 2 k w ) 柴油机进行热平衡试验，对a v lb o o s t 的仿真计算结果进行验证，分析 模型建立的可靠性与该仿真方法的可行性。 5 第五章对相近机型w d 6 1 5 型( 1 4 7 k w ) 柴油机进行热平衡的仿真计算与 试验分析，进一步验证该方法的可行性，并比较两种相近机型在柴油机 热平衡方面的差异。 6 总结全文研究结果，分析研究过程中的不足，并对今后柴油机热平衡的 仿真研究提出展望。 9 浙江大学硕士学位论文第二章柴油机热平衡仿真计算的基础理论 第二章柴油机热平衡仿真计算的基础理论 2 1 缸内工作过程的数学模型 缸内工作过程模型建立的目的在与研究燃料的放热规律、获取所需的缸内 燃气热状态以及能量的传递情况。本文应用a v lb o o s t 模拟软件，采用零维模 型对柴油机的缸内工作过程进行模拟。零维模型是建立在热力学基本方程基础 上的，其突出的优点是模型简单、计算费用少、比较实用，然而零维模型对于 燃烧过程中流场、喷油方向、燃烧室形状等因素的影响无法加以考虑。但是我 们说，模型的选取并不在于维数的高低和考虑因素的多寡，关键在于实用、能 够满足工程精度要求、解决实际问题。本文的研究对象并不是针对缸内流场、 温度场的研究，而是对于发动机整机热平衡的研究。从这个角度出发，零维模 型已经可以满足本文的仿真要求。 2 1 1 基本假设 在采用零维模型描述系统时，首先建立如下假设： 1 缸内工质在任一瞬时混合均匀，气缸内各点的工质成分、压力、温度都 相同：在进气期间，流入气缸内的空气与气缸内的残余废气实现瞬时完 全混合； 2 工质为理想气体，其比热、内能仅与气体温度和气体成分有关； 3 气体流入流出气缸为准稳定流动； 4 进、出口的动能忽略不计。 2 1 2 基本微分方程 1 能量守恒方程 由热力学第一定律，可以得到如下的能量方程： 螋唧婴+ 堕一盟i - 嚏安一吃安 ( 2 - 1 ) d f o 1 d 9 d f ad i p 3 d 舻d 妒 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章柴油机热平衡仿真计算的基础理论 上式中：掣气缸的内能变化： d 口 p _ d v 气体对活塞所做的机械功； “p ! 墼燃油燃烧的热量； “p 皇墼气体对气缸周壁的散热量； 吃譬、h e 譬流入、流出气缸气体的能量。 口驴口驴 弘。以 遗瞎 是，d m ， 图2 1 气缸内工作过程计算简图 通常情况下，缸内的比内能“和工质质量肌同时发生变化，故有： 望塑：尘：塑+ m 塑( 2 2 ) 2 一十一 l z z ， d i pd 9d 妒 对于柴油机，内能可简化为温度和瞬时过量空气系数a 的函数，将甜写成 全微分形式： 一d u ：盟塑+ 塑塑 ( 2 3 ) d 妒o td 妒8 ad 9 浙江大学硕士学位论文 第二章柴油机热平衡仿真计算的基础理论 将式( 2 _ 2 ) 、( 2 - 3 ) 代入式( 2 - 1 ) 中，并注意到券= q ，则温度t 对曲轴转角 驴的微分方程为： 塑=去fp器+等一等啦等也等叫毒叫，8觑ud(p m t筹 q 。， c 。 1 d 9d 妒d 9 3 d 9 1 d l pd i p t 妻丸d 妒) 上式中：p 缸内气体压力； 矿气缸工作容积； l 一定容比热； 五过量空气系数； m ，、他流入、流出气缸的气体质量； h ，、玩进气门、排气门处气体的比焓。 2 质量守恒方程 a m ：d i n , d m e d r a b d 9d 9d 9 d 口 上式中：m 。喷入气缸内的瞬时燃油质量。 ( 2 5 ) 若已知发动机的循环喷油量为g i ( k g i c y c l e ) ，气缸内燃油燃烧的百分数为： x = 詈1 0 0 ，则阜= 驴面d x a ( pg fd 妒 燃料燃烧放出的热量随妒的变化率为： 等嘶仇。等嘶呐筹 ( 2 - 6 ) 上式中： 日。燃油的低热值，柴油的低热值鼠= 4 2 8 0 0 ( k j k g ) ； 仉燃烧效率，计及不完全燃烧的影响，其值取决于燃烧方式，对 于柴油机稳定运行计算，仉= 1 ； 浙江大学硕士学位论文 第二章柴油机热平衡仿真计算的摹础理论 。d x 燃烧放热率，将在下文中进行说明。 函口 根据上述推导，质量守恒方程变为： 拿：孕一粤+ g r 坚 ( 2 - 7 ) d 节d i ；pd l ；p b j d 妒 3 理想气体状态方程 p y = m r t ( 2 8 ) 根据能量方程、质量方程和气体状态方程，联立式( 2 - 4 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) ， 便可求解得到缸内气体压力p 、温度r 和质量研。上述方程中包含的d 矿、d q 8 、 d 瓯、帆、a m , 等微分变量则是求解微分方程组的边界条件，在下节中将会一 一介绍。 2 1 3 边界条件的设定 1 气缸工作容积 在进行工作循环模拟计算时，发动机的主要结构参数如气缸直径d 、行程s 、 压缩余隙容积k 、连杆曲柄比五、压缩比占以及气门升程曲线等都是已知的， 根据这些数据即可计算活塞位移以及气缸瞬时工作容积。 根据活塞连杆机构运动学可得活塞位移为： 咖) 2 卦s 妒+ 如一腼) ( 2 _ 。) 气缸的瞬时工作容积为： y ( 妒) 2k + 孑7 d 2 工( 妒) = 六十署d 2 ，x ( 妒) ( 2 - l o ) 式中，屹气缸行程容积，k = 手d 2 s ； 将式( 2 - 9 ) 代入式( 2 1 0 ) ，整理后得到气缸瞬时t 作容积为： 吩) 专高小c o s 妒+ 知一而) 涵 气缸工作容积随曲轴转角的变化率为： 浙江大学硕士学位论文 第二章柴油机热平衡仿真计算的基础理论 器= 孔s i n q , + a , 最鼍 ( 2 1 2 ) 2 进排气流量计算 流入气缸和流出气缸的质量随曲轴转角的变化率d i n s ，d 妒_ 乖 1d m e d 缈可按 瞬时质量流率计算，其计算公式如下： d i n 口, 1 2 一。埘o d 口仞 d m 口 一= 一1 所o d 口i 上式中：国发动机的角速度； ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) m ，、肌。流入和流出气缸的质量流率。 通过进、排气门的气体流动按准稳定流动处理，即理论流量按一维等熵流 的流量计算公式计算，而实际流量等于理论流量乘以流量系数，具体计算公式 如下： 对于进气，按亚临界流动计算： 面d i n , = 扣2 - 岭南面2 磊饿- ，赢 对于排气， 当( 酵( 击) 煳临界流动 i 等：扣e 击( 南产辱 当( 爿 ( 击p ，煳临界流动 i 面d i n e 6 n 坩e 南 d 母 。 0 r t嗣 1 4 ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) 浙江大学颂上学位论文第二章柴油机热平衡仿真计算的基础理论 以上各式中：玎发动机转速； 只、e 进、排气门的几何流动截面； 从、段进、排气门的流量系数 屯、七进气门前、气缸内的绝热指数； 足、r 迸气门前、气缸内的气体常数； z 、r 进气门前、气缸内的气体温度； 见、p 、办进气门前、气缸内、排气门后的气体压力。 3 燃烧放热规律 在汽油机中，由于燃油在缸内是均匀混合的，因此汽油机的燃烧放热特性 主要决定于火焰传播速度与燃烧室的形状。较快的火焰传播速度可以通过增大 压缩比和改变缸内气体紊流运动来达到。在柴油机中，其燃烧放热特性则取决 于燃油喷射系统的性能、压缩比和进气温度三个因素。 由于实际燃烧过程较为复杂，燃烧放热规律笔= ，( 伊) 和j = 厂( 缈) 与燃烧 的物理化学过程、发动机的结构参数、运转参数等许多因素有关。1 7 1 | j f 较难用 一个简单的数学模型将实际的燃烧过程精确地描述出来，一般实际工程应用中 采用一个简化的代用燃烧放热规律来代替实际过程，即认为燃烧是按一定的函 数形式进行燃烧放热的，并且在代用过程中所放出的总热量以及所产生的结果 ( 各项性能指标) 与实际过程是一致的。 本文采用应用较为广泛的韦伯函数( v i b e ) 半经验公式来描述燃烧放热规 律。韦伯函数是一种描述燃烧放热特性的简便方法。只需通过定义燃烧起始时 刻、燃烧持续期纯、燃烧品质指数m 和韦伯参数口就可以得到韦伯函数的具 体形状。其形式为： x = l e - a f “1 ( 2 1 8 ) 婴盟丫里丑卜。 ( 2 - 1 9 ) d 缈纯l 皱j 浙江大学硕士学位论文第二章柴油机热平衡仿真计算的基础理论 等嘶一面d x 嘶哟am 饮+ 1 ( 警卜蝌z 。， 上式中：燃烧起始角。 p 瞬时曲轴转角： 弘燃烧持续期； y 无因次时间函数，y ：竺，堕5 m 燃烧品质指数； 口韦伯参数。 m 值的大小影响放热曲线的形状，当珊值较小时，初期放热量较多，压力 升高率大，反之，m 值增大时，放热曲线的重心向后移动，压力升高率也愈加 平缓，见图2 - 2 。删 q o 一”一5o 厂k 。- _ ：0，。、l ，x q 。j、 z 么= ，乡r迅 uz9umr 0 0 0 u 卅 e 卫舯 c r i x l k , l n g l e d e v e 】 图2 2 燃烧品质指数m 对燃烧热量曲线的影响 以上所述是对某一固定工况韦伯函数的确定方法，但是一台发动机的燃烧 规律是随工况( 负荷、转速) 的变化而变化的。在变工况下，需要根据试验数 据调整选用的代用燃烧规律参数、纯、脚。 = 彼+ 仍- f 仍 ( 2 2 1 ) 1 6 哪 呲 哪 一芷u事覃_i一芷zo芷 浙江大学硕士学位论文 第二章柴油机热平衡仿真计算的基础理论 一。斜6 甜5 泫z z ， m 一( 割5 ( 去杈玎 防z s ， 上式中，败几何供油起始角； 仍喷油延迟角； 仍着火延迟角，由滞燃期t 算得； 五过量空气系数； ”发动机转速； 见、压缩起始点压力与温度。 燃烧起始角用式( 2 - 2 1 ) 计算，燃烧持续期用式( 2 2 2 ) 计算，燃烧品质 指数用式( 2 - 2 3 ) 计算。有下标“0 ”的表示标定工况的参数，无下标“0 ”的 表示计算工况的参数。 在“lb o o s t 软件中，除了韦伯函数可供选择外，还有韦伯双区模型( v i b e t w oz o n e ) 、双韦伯函数( d o u b l ev i b ef u n c t i o n ) 、沃西尼阿内斯特模型 ( w o s c h n i a n i s i t sm o d e l ) 以及广安博之准维模型( h i r o y a s ue ta 1 m o d e l ) 等 燃烧放热模型。限于篇幅关系，这里只对这些模型的适用场合进行一下简单的 介绍。 韦伯双区模型适用于可燃混合气在缸外进行混合的发动机。该模型定义了 放热率和已燃质量百分比，已燃气体与未燃气体具有不同的温度，分别计算已 燃区与未燃区的热力状态。 双韦伯函数通过定义两个韦伯函数对压燃式发动机的燃烧放热过程进行更 精确的计算。第一个韦伯函数用来模拟预混合燃烧的峰值，第二个韦伯函数用 来计算以扩散为主的燃烧过程。然后，通过叠加两个韦伯函数获得放热率的预 测曲线。但是在应用过程中，需要确定两个韦伯函数各自所分配的燃油比率。 沃西尼阿内斯特模型的提出主要是基于对于发动机瞬态过程模拟的研究。 由于在瞬态过程中速度和负荷曲线是未知的，因此就不能用稳态的方法来计算 放热过程。该模型定义了一个特征运转点上的韦伯函数和特征参数，通过预测 1 7 浙江丈学硕士学位论文第二章柴油机热平衡仿真计算的摹础理论 该运转点上的放热模型来计算瞬态过程中的发动机特性参数。 广安博之模型可以计算蒸发喷雾的扩散、点燃和高温燃烧。该模型是基于 大量包含油滴燃烧的湍流实验研究基础上得到的方程，适用于发动机n 0 x 和碳 烟排放的研究。 4 缸壁传热规律 气体对气缸盖燃烧室表面、活塞顶及气缸套表面的散热量通过下式计算： q 0 = t w 4 ( 乙一i ) ( 2 2 4 ) 等= 石1 喜4 ( t w , - 正) ( 2 2 5 ) 上式中，行发动机转速； 瓯瞬时平均传热系数； z 缸内气体瞬时温度； 4 传热表面积； 乙传热表面的平均温度。 ( f = 1 ：活塞；f = 2 ：气缸盖；f = 3 ：气缸套) 用式( 2 2 5 ) 进行计算时，除了合理的选择乙外，关键的问题在于瞬时传 热系数吼的确定。影响吼的因素主要是该瞬时缸内气体压力见与温度i 以及 缸内气体扰动的速度。 瞬时传热系数的研究有两类，一类是以n u s s e l t 公式为基础的基本公式， 另一类是以相似准则数为基础的基本公式。到目前为止，各学者提出了近2 0 种 计算传热系数的经验公式。由于各自的研究对象的不同，不同经验公式的计算 结果差异很大。在a v lb o o s t 软件中，提供了五种传热系数模型可供选择，下 面对这五种模型及其适用条件进行简单介绍： ( 1 ) w o s c h n i1 9 7 8 模型 w o s c h n i1 9 7 8 模型是目前工程应用较多，并且比较符合实际情况的一种传 热模型，其压缩和膨胀过程的表达式如下： 1 8 浙江大学硕士学位论文第二章柴油机热平衡