（动力机械及工程专业论文）电控cng发动机增压匹配的仿真计算与优化分析.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 由柴油机改装的火花塞点燃式天然气发动机与原机相比，动力性会有所下降， 当天然气发动机采用稀燃技术后，功率会有进一步的损失，从而增压中冷技术就 成为改善天然气发动机动力性的必要手段。于是，天然气发动机与增压器的匹配 也就成为一项非常重要的工作。 本文首先应用发动机一维模拟软件g t - p o w e r 建立了w t 6 15 电控c n g 发动 机的工作过程计算模型，仿真计算结果与实验结果吻合良好。在此基础上，选取 原机具有代表性的四个工况点研究了发动机与增压器的匹配，建立了w t 6 1 5 电控 c n g 发动机与增压系统的联合运行线，并对外负荷和最大扭矩点转速不同负荷进 行了分析，仿真结果显示在外负荷和最大扭矩点转速较高负荷时w t 6 1 5 电控c n g 发动机与增压器匹配较好。 本文对发动机的进排气系统、燃烧系统、增压系统等的结构参数和发动机的 运行参数进行了变参数研究，分析了不同参数对发动机增压效果以及动力性、经 济性的影响其规律，研究了发动机增压效果对不同参数的依赖程度，结果表明： 发动机增压效果对压缩比、放气阀直径、排气歧管直径、进气总管直径等结构参 数和进气门凸轮定时角、排气门凸轮定时角、过量空气系数、中冷器内壁温度等 运行参数的依赖程度比较大。然后选定充气效率为目标函数，以涡轮进口温度为 约束条件，分别选取压缩比、放气阀直径、排气歧管直径、进气总管直径和进气 门凸轮定时角、排气门凸轮定时角、过量空气系数作为寻优变量进行了优化研究， 获得了相应参数的最优组合。 关键词：电控c n g 发动机；g t p o w e r ；增压匹配；优化研究 分类号： a b s t r a c t t h ep o w e rc a p a b i l i t yo ft h es p a r ki g n i t i o ne n g i n ef u e l e dw i t hn a t u r a lg a sw h i c h w i l l sr e f i tf r o mad i e s e lw o u l dd e c l i n e ，e v e nw h e nl e a nb u mu s e d ，t h es i t u a t i o nw o u l db e w o r s e t h e r e f o r e ，t h et u r b o c h a r g i n gt e c h n o l o g yw a sn e e d t oi m p r o v et h ep o w e r c a p a b i l i t yo f t h en a t u r a lg a se n g i n e a n dt h e n ，i tw a st ob ev e r yi m p o r t a n tt om a t c ht h e n a t u r a lg a se n g i n ew i t ht u r b o c h a r g e r s t h et h e s i sb a s e do ns o f t w a r eg t - p o w e ri sa p p l i e df o re s t a b l i s h i n g t h e c a l c u l a t i o nm o d e lo ft u r b o c h a r g e da n de l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dc n ge n g i n e ，t h e p r e d i c t i o n sc a na c c o r dw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa c c u r a t e l y o nm e b a s i so fm o d e l t h e s t u d yo ft h em a t c h i n go ft h ee n g i n ea n dt h et u r b o c h a r g e ro nf o u rr e p r e s e n t a t i v ew o r k c o n d i t i o n sw a so ni nt e r m so fg t - p o w e r sm e t h o ds t e pb ys t e p a n dt h e n ，t h e c o m b i n a t i o no p e r a t i n gc u r v eo ft h et u r b o c h a r g e ra n dt h ee n g i n ei se s t a b l i s h e d ，a n d e x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i e sa n dm a x i m u mt o r q u e sc h a r a c t e r i s t i e so ft h ee n g i n ea r ea n a l y z e d ， s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee n g i n ea n dt h es u p e r c h a r g e rm a t c hb e t t e r i nt h i sp a p e r , t h ep a r a m e t e r so ft h em a i ns t r u c t u r eo fi n t a k e e x h a u s ts y s t e m ， c o m b u s t i o ns y s t e m ，p r e s s u r i z a t i o ns y s t e ma n dt h eo p r a t i o np a r a m e t e r so ft h ec n g e n g i n em o d e lw e r ev a r i e da n ds i m u l a t i o n sw e r er u n e d e f f e c t so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s o nt h ee n g i n et u r b o c h a r g i n ga sw e l la st h ep o w e r , e c o n o m yc a p a b i l i t yo ft h ee n g i n e w e r ea n a l y z e d ，a n dt h e nt h el a wo ft h ee f f e c t sw a ss u m m a r i z e d a n dt h e n ，r e l a t i v e e f f e c t so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s r e l a t i v ev a r y i n go nt h ee n g i n et u r b o c h a r g i n gw e r e i n v e s t i g a t e d ，t h e r u s u l t sw e r et h a tt h em a i ns t r u c t u r e p a r a m e t e r s s u c ha st h e c o m p r e s s i o nr a t i o ，t h ed i a m e t e ro ft h ew a s t e rg a t e ，t h ed i a m e t e ro ft h ei n t a k ep i p e ，t h e o p r a t i o np a r a m e t e r so f t h ec n ge n g i n es u c ha st h ei n t a k ea n de x h a u s tc a mt i m i n ga n g l e ， t h ea i r - t o f u e lr a t i ow e r et h em a i nf a c t o r s a n dt h e nv o l u m e t r i ce f f i c i e n c yo ft h ec n g e n g i n ew a sc h o s e na sr l tq u a n t i t yt ob eo p t i m i z e d ，t h em a i ns t r u c t u r ep a r a m e t e r so f t h ec n ge n g i n e ：t h ec o m p r e s s i o nr a t i o ，t h ed i a m e t e ro ft h ew a s t e rg a t e ，t h ed i a m e t e ro f t h ei n t a k ep i p ea n dt h eo p r a t i o np a r a m e t e r so ft h ec n ge n g i n e ：t h ei n t a k ea n de x h a u s t c a mt i m i n ga n g l e ，t h ea i r - t o f u e lr a t i ow e r ec h o s e na si n d e p e n d e n tv a r i a b l e ，t h e s i m u l a t i o n si no p t i m i z e rw e r er u n k e y w o r d s ：e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dc n ge n g i n e ；g t - p o w e r ；m a t c h i n go f t u r b o c h a r g e ra n de n g i n e ；s t u d y o no p t i m i z a t i o n c i a s sn o ： 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年月日 1 2 8 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：占- 存春 签字日期：2 0 0 s 年2 月日 导师签名7 萑、扣力 签字同期：少口扩年瑚知 致谢 本论文的工作是在我的导师陈淑玲副教授的悉心指导下完成的，陈淑玲副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来陈淑玲老师对我的关心和指导。 张欣教授、郭林福副教授、刘建华高工对我的科研工作和论文给予了很大的 帮助，提出了许多宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，赵鹏博士和周晓斌、陈红等同学对我论文中 的前期研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。同时对同宿舍 的宋云超、郭冬冬同学对我的无微不至的关心表示感谢。 另外也非常感谢我的母亲和哥哥，他们的理解和支持使我能够在学校专心完 成我的学业。 绪论 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 天然气发动机在我国主要应用于大、中城市公交客车上。随着排放法规标准 的不断提高，以前这些客车上使用的柴油机已无法满足要求。在国外，采用电控 高压共轨喷射等新技术，可以满足r 益严格的排放法规，但因其技术难度大，价 格昂贵，对燃油品质要求高等因素的限制，推广使用不广泛。把柴油机改装为天 然气发动机，虽然平均有效压力和热效率相对于柴油机有所降低，但因其改造费 用较低，排放性能好，使用成本低，以及可替代宝贵的石油资源等优点，在国内 外天然气藏量丰富的国家都有较大范围的使用。目前，我国许多大、中城市把发 展天然气公交客车作为治理城市大气污染的重要举措之一。因此，研究、开发柴 油机改装为天然气发动机具有广阔的市场前景【啦】。 国内外研究人员针对柴油机改为天然气发动机，开发了许多不同种类技术形 式的发动机。主要有柴油一天然气双燃料发动机、火花塞点火式天然气发动机、天 然气缸内高压直喷式天然气发动机三种形式。第一种因其改装容易，得到较快发 展。但是由于最小燃油量的限制，天然气的替代率只有6 0 - - 9 0 。在中等负荷以 上双燃料发动机可以获得较好的性能，燃料经济性可接近柴油机，但在小负荷下， 由于混合气过稀，燃烧恶化，大量的不完全燃烧产物随废气排出，使c 0 及h c 排放 大大增加，且热效率下降。由于此种方式不能从根本上解决发动机的排放问题， 为达到欧i i 甚至更低排放标准，技术难度大，因此有些国家放弃了此方式，而转 向第二种方式。第三种方式可以解决前两种方式中充量损失、部分负荷节气门节 流引起的泵气损失，排温高等问题，使天然气发动机具有比较高的热效率和平均 有效压力，但该方案目前还处于研究与开发阶段，无论是在理论认识上，还是在 技术应用方面都需要深入研究。目前只有火花塞点火式天然气发动机技术比较成 熟，达到了欧i i i 标准甚至欧标准【1 , 3 , 4 , 5 】。 一般来说，由柴油机改装的火花塞点燃式天然气发动机与原机相比，动力性 会有所下降，这主要是由天然气的特性决定的：天然气主要成分是甲烷( 8 2 - - - , 9 8 ) ，并含有少量乙烷、丙烷、丁烷。车用天然气必须经脱水、脱烃、脱硫等净 化处理，才能成为一种优质、高效、清洁的代用燃料。 北京交通大学硕士学位论文 表1 1 天然气与轻柴油的性能指标的比较 t a b l e1 1t h ep e r f o r m a n c ec o n t r a s tb e t w e e nn a t u r a lg a sa n dd i e s e lo i l 理想混合气热值空燃比着火温度火焰传播速度 燃料 热值( m j k g 。1 ) ( m j m 3 )( a f )( )( c m s 。1 ) 轻柴油 3 7 8 64 2 4 71 4 33 2 73 9 4 7 天然气 3 3 9 04 8 7 61 7 1 65 3 73 3 8 热值是燃料能量的量度，是单位质量的燃料完全燃烧释放出的热量。如表1 所 示，虽然天然气的燃烧热值较高，但天然气与空气形成混合气的热值为3 3 9m j m 刁， 比柴油与空气形成的混合气热值的3 7 8 6 m j m 。3 低大约9 ，从而造成了天然气发动 机的功率损失。这是动力下降的主要原因。 其次，通过表1 可以看出，1 k g 天然气完全燃烧需要1 7 1 6 k g 的空气，较柴油完 全燃烧的1 4 3 k g 多。也就是说，对于相同排量的发动机，天然气的燃烧质量比柴油 的燃烧质量少，这是造成天然气发动机动力下降的另一个原因。 第三，天然气的燃烧特点是着火温度高，火焰发展期长。根据表1 有关数据， 在同一空燃比范围内，天然气的主要成分甲烷的层流火焰传播速度比柴油要低 1 2 0 5 ，使得发动机总燃烧期增长，燃烧峰值偏离上止点，从而造成气缸内压力和温 度上升缓慢。致使发动机动力下斛6 1 。 另外，加装节气门后，使得部分负荷时泵气损失增加；排气管处加装催化剂 反应器，带来排气的损失。同样是造成发动机功率下降的原因。 同时，有关数据表明，在中等转速时，柴油机的平均有效压力为1 1 5 m p a ，改 装为天然气发动机后，由于天然气辛烷值达到1 3 0 ，在理论空燃比时就受到爆震和 排温的限制，平均有效压力一般为0 9 m p a 。如采取稀薄燃烧，加大空气量，有效 降低排气温度并减弱爆震趋势，这样可以通过增压技术将平均有效压力增加到 1 1 0 5 m p a ，确保了较高的动力性【6 】。 由于气体燃料与液体燃料在成分、状态及燃烧等方面的差异，导致了以它们 为燃料的发动机的增压技术存在着很大不同，并且气体燃料发动机在燃烧方面的 特殊性，给它的增压带来了许多有待解决的特殊问题，所以在对其实施增压前后， 必须掌握气体燃料的燃烧特性，并采取有效措施实现燃料在缸内的良好燃烧，最 后达到提高发动机的动力，改善发动机的经济性，降低发动机的热负荷的目的。 增压器一般选用废气涡轮增压( 如图1 所示) ，考虑到增压后混合器的温度及 压力都有所增大，天然气排温较高，常采用低压比增压器，一般不超过1 6 。为了 满足对空燃比的控制，高负荷时需要很高的进气增压，而在低负荷工况则需要进 气真空。匹配的增压器常采用高配设计，通过加装电控废气放气阀，调节增压压 力。这样虽然增压器的效率有所降低，但可以保证所有发动机转速范围内都能提 2 供适量的增压压力。另外借助电控废气放气阀，还能补偿海拔高度引起的进气量 变化，避免动力的损失。 图卜1 发动机的涡轮增雎系统 f i g1 - 1l u r b o c h a r g l n gs y s t o f a ne n g i n e 12 国内外研究现状 1 2 1 国外增压技术的研究现状 在国外早在1 9 0 5 年，瑞士的艾尔弗莱德布奇( a 1 f r e db u c m ) 就提出了涡轮增 压的方案，并进行了早期的柴油机定压增压及脉冲增压系统实验。1 9 2 5 年获得成 功并取得专利口】。此后瑞士的稚朗保弗利( b r o w nb o r e r l ) 公司在船用内燃机e 进 行了涡轮增压，继之航空活塞式内燃机也采用了增压技术。 在1 9 7 4 年，麻省理工学院b e n s o nrs ，s v e t n i c k afv 等人就研究得出一种 能预测两级涡轮增压柴油机匹配特性的数学方法，试验结果证明预测得到的柴油 机r 作点与试验测得的工作点相当接近，同时，该方法提供了一个能快速、准确 的预测两级增压柴油机各个工况下所需要获得的外界进气量的计算程序口】。 b o l s e t 公司的b r u f f e l l wk 等人进行了高压比涡轮增压器在汽车中的应用研究【”， 他们提出一种新的涡轮增雎器设计方法。试验结粜显示：新型的涡轮增压器增压 比有所提高，而且运行范围更加宽广，同时他们还研究了拓宽压气机运行范刨的 方法。 m a n 、| 3 w 以及n r 公司曾联合进行了一系列关于高压比( 压比达到45 ) 涡轮 增压系统与发动机匹配方法和技术的研究，它们把研究的重点放在如何提高增压 器效率和改善涡轮增压发动机的加速特性上。m a n 公司研究人员应用g t p o w e r 软件 北京交通人学硕士学位论文 和s i m u l i n k 建立了欧发动机和两级增压系统计算模型1 0 1 ，计算结果显示：通过 控制两级增压系统中的废气调节阀能满足发动机在整个运行工况范围内与增压系 统的匹配需要。经过匹配试验证，该模型的计算结果相当精确。 密歇根大学汽车研究中心研究了可调涡轮增压系统对发动机以及整车瞬态响 应性的影响【i l 】，研究中通过人造神经网络控制可调涡轮增压器各个喷嘴环位置。 试验结果表明，由于使用了可调涡轮增压器，明显改善了发动机以及整车的瞬态 响应性能，但是必须对喷油系统重新进行更为精确的标定用以消除加速工况下空 然比的急剧变化。 随着气体发动机的发展，国外对气体发动机的增压技术也进行了更全面细致 的研究。 土耳其y i l d i zt e c h n i c a lu n i v e r s i t y 的u g u rk e s g i n 使用b o o s t 软件研究了废 气涡轮增压系统的参数对天然气发动机性能的影响，特别是排气歧管直径，涡轮 出口管道直径，增压器效率，增压器位置，涡轮出口背压和压缩机前的压力损失 竺1 1 2 寸 。 瑞士的r p r o e t h l i s b e r g e r 和n f a v r a t 木研究了增压器特性对天然气发动 机在没有废气后处理的情况下，减少废气排放，特别是对减少一氧化碳排放潜能 的影响【1 3 】。 1 2 2 国内增压技术的研究现状 我国从7 0 年代木已开始研究汽油机增压，并在c a 1 0 b 和d g 2 6 1 0 0 1 2 机型上取 得成功。8 0 年代末，清华、西安交大等几家高等院校和内燃机厂也相继对4 9 2 q 汽 油机进行增压研究。作为汽油机增压，除为提高功率扭矩外，还用于高原恢复功 率，由于受爆震的影响和热负荷的限制，增压度都不高，性能也不够完善，实际 应用很少。至l j 2 0 0 1 年，只有少数车型采用增压，还没有国产增压车型。 国内一些著名公司和院校都非常重视发动机与增压匹配的研究。中科院工程 热物理所、清华大学、燃气涡轮研究所通过可变喷嘴涡轮增压器与发动机的匹配 试验测得增压压力和排气压力值，结合发动机的结构参数，计算了发动机的流通 特性，建立了可变喷嘴增压器与发动机的联合工作曲纠1 4 】。对联合工作曲线的分 析表明设计的可变喷嘴涡轮增压器与发动机匹配良好，不会出现喘振和阻塞。 上海交通大学进行了可变喷嘴增压器与增压柴油机的匹配试验研刭”】，研究结 果表明可调涡轮在发动机的整个转速范围内与c a 4 9 8 z 柴油机实现良好的匹配，可 调涡轮增压提高了发动机外特性的低速转矩，降低了发动机的低速烟度，扩大了 4 绪论 发动机低油耗区的转速范围，改善了发动机的经济性。 北京理工大学马朝臣教授等的理论和试验研究结果表明：采用可变涡轮增压 系统和在两级增压系统中加装废气调节阀是改善发动机与高增压系统匹配性能较 为理想的手段【i 6 1 。 第一汽车集团技术中心的郑广勇等应用g t - p o w e r 软件对重型卡车用柴油发 动机进行可变涡轮增压器和两级涡轮增压器的匹配【1 7 】，对两种增压方式进行了对 比分析。计算结果显示：可变增压器对进气量的可控范围要宽的多，使涡轮在整 个发动机转速范围内都能有效工作，从而在保证低速空燃比的同时取得较好的经 济性。而两级增压的优点体现在发动机低转速范围，通过两次增压可以达到很高 的空燃比，同时改善发动机低速换气过程，使低速油耗也有降低。 随着我国天然气工业的迅速发展和对环保事业的同益重视，自二十世纪八十 年代以来，国内天然气发动机有了相当的发展，至今已有多家内燃机生产企业开 发了不同系、列的天然气发动机，于是，气体发动机的增压技术也逐渐成为研究 的热点。 上海交通大学的陈刚田，王永泓，陈宜亮等人对t 1 9 0 系列非增压天然气发动 机进行了增压改造，研究了其燃烧规律，并最终达到了提高其动力性，改善其经 济性的目的【1 8 】。 国家燃气汽车工程技术研究中心的陈万应，张浩等人和重钢集团运输有限责 任公司的文思中，李堂明等人就c n g 汽车采用增压技术恢复其动力性提出了优化技 术方案，设计了c n g 大客车进气增压控制系统，进行了原机燃烧汽油、c n g 以及增 压后的优化试验研究，在保持c n g 汽车良好排放性能和燃料经济性的情况下，使c n g 发动机功率恢复到原汽油机水平【1 9 】。 与带废气放气阀的固定喷嘴涡轮增压器相比，可变喷嘴增压器可以根据发动 机工矿的不同连续调节近期流量，在保证稳态工况进气流量的同时，改善过渡过 程的响应速度，提高发动机顺势性能，降低瞬态过程排放【2 0 2 1 1 。 北京理工大学的王舜琰、郝利君等采用b o o s t 软件g , j 4 8 8 可调增压天然气发动 机进行了数值模拟，从模拟计算结果可看出4 8 8 天然气发动机和可调增压器合理匹 配后，动力性有了大幅度的提高，并因可调增压器涡轮喷嘴可调，使发动机在低 速时就能达到较高的压比，并在高速时压比又不至于过高，使压气机始终工作在 高效区域【2 2 1 。而郝利君，张焕新等人对电控可调涡轮增压天然气发动机进行了开 发研究，通过在一台c a 4 8 8 汽油机改造成的电控可调涡轮增压天然气发动机上进行 实验，发现采用可调喷嘴涡轮增压技术可提高发动机的进气量，优化增压器在全 工况范围内与发动机的匹配，大幅度提高发动机的动力性与经济性【2 3 】。 5 北京交通大学硕士学位论文 1 3 课题主要研究内容及方法 本课题运用仿真计算方法进行研究，具体内容和方法如下： 1 ) 通过分析c n g 发动机各物理系统组成及其相互关系，对c n g 发动机各物理 子系统进行了数学描述，建立了c n g 发动机工作过程的数学模型，并确定以韦伯 燃烧放热规律模型和w o s c h n i 传热计算公式描述缸内热力过程，同时采用一维不定 常流描述进排气系统的气体流动。 2 ) 应用发动机工作过程仿真计算软件g t p o w e r ，以w t 6 1 5 c n g 发动机为研 究对象，建立了该c n g 发动机的工作过程仿真计算模型，确定c n g 发动机各子系 统的主要输入参数。 3 ) 利用建立的增压c n g 发动机模型进行仿真，并与相应工况下的实验数据进 行对比，以校验模型的精确性。 4 ) 进行基于仿真模型的c n g 发动机与涡轮增压系统稳态匹配规律分析，建立 c n g 发动机与涡轮增压系统的联合运行线，根据联合运行线分析匹配是否良好。 对发动机和增压器的结构参数以及发动机运行参数进行了变参数研究，得出增压 效果随这些参数变化的规律，并对这些参数进行了综合分析，对比不同参数变化 对增压效果产生的不同影响，由此选择出对增压效果影响较大的参数作为下一步 优化研究的寻优变量。 5 ) 通过g t p o w e r 自带的优化模块，以对增压效果影响较大，在其选定范围 增压效果拥有一定的提升空间的结构运行参数为寻优变量，以表征增压效果的充 气效率为目标函数，以涡轮进口温度、增压比、最高压力升高率为约束条件，进 行仿真优化，根据优化结果，提出对结构运行参数改进意见。 6 电控c n g 增压发动机t 作过程的物理数学模型 第二章电控c n g 增压发动机工作过程的物理数学模型 2 1c n g 增压中冷发动机的物理模型 在c n g 涡轮增压中冷发动机工作过程模拟计算时，先把c n g 涡轮增压发动机 的计算模型划分为几个独立的热力平衡的系统，系统内各个部位的气体压力、温 度和成分都是均匀的，即处于瞬时热力平衡状态；系统和系统之间通过热量与质 量的传递相互联烈2 1 1 。一般可划分为以下几个热力系统： 2 1 1 中冷器 对于所研究的废气涡轮增压发动机，在热力系统划分时将中冷器划分为一个 子系统。中冷器从热力过程看实际上是一个节流，降温的换热器件，主要是计算 空气流经中冷器时的压力损失和计算空气流过中冷器后的散热量【2 4 1 。 在g t - p o w e r 中，把中冷器作为一定数量细长的平行圆截面管道处理，这些细 长圆形管道j 爿j 有相同的直径、长度、表面粗糙度和初始壁温。 2 1 2 进气系统 一般由空气滤清器、进气总管、进气歧管以及压气机到中冷器之间的管路组 成。如果进气管的容积足够大，进气系统压力和温度均匀且随曲轴转角变化幅度 小。但在计算时还必须考虑空气滤清器和中冷器的压力损失，本文的计算模型中 不考虑空气滤清器。 在工作过程模拟计算中，建立子系统的能量守恒方程、质量守恒方程和理想 气体状态方程，联合求解这些微分方程组，就可得到压力等热力参数的变化规律， 进而计算发动机的各项性能参数。 在g t - p o w e r 中，进气系统各个管路被简化为圆截面直管、锥形直管、圆截面 弯管和多个管接头。 7 北京交通大学硕士学位论文 2 1 3 气缸 气缸主要由气缸盖、气缸套、活塞顶等壁面构成的空间。新鲜充量经进气系 统流入气缸，废气由气缸流入排气系统。气缸在压缩、膨胀作功过程中与外界进 行功量交换。一般假定发动机气缸中每一瞬时气体的压力、温度和成分是均匀的。 气缸的物理模型视燃烧模型的不同而异，对于点燃式发动机，g t - p o w e r 提供 了两种燃烧模型，一种是韦伯燃烧模型，另一种是湍流火焰传播速度模型。 韦伯燃烧模型属于零维燃烧模型，完全忽略气缸内各参数的空间变化，即认 为缸内充量的压力、温度和组分在缸内均匀分布，只随时间( 即曲轴转角位置) 变化，从而也就忽略了已燃气体与未燃气体之间的区别。因而，韦伯燃烧模型完 全不能考虑燃烧室几何形状的影响，也没有确切的气缸物理模型与之对应。 湍流火焰传播速度模型属于准维多区燃烧模型，在对燃烧室空间进行分区之 后，使得火焰传播之类的物理模型的引入成为可能。此时，气缸需要引入缸内流 动模型，缸内流动模型所描述的气缸物理模型如图2 1 所示。 径 图2 1 缸内流动分区模型 f i g 2 - 1 ：r e g i o n sa n dn a m i n gc o n v e n t i o n se m p l o y e db ye n g c y l f l o w 2 1 4 排气系统 主要由排气歧管、排气总管以及涡轮出口到外界环境之间的排气管。排气管 的计算有两种方法即容积法和特征线法。容积法忽略沿管长方向的排气管压力波 的传播，认为每一瞬时整个排气管系统内压力和温度均匀，不随空间位置的变化 8 电控c n g 增压发动机工作过程的物理数学模型 而变化，只随曲轴转角的变化而变化；特征线法则认为每一瞬时排气管内的压力 和温度沿排气管长度方向是不均匀的，计算过程比较复杂。 在g t - p o w e r 中，排气系统各个管路被简化为圆截面直管、锥形直管、圆截面 弯管和多个管接头。 2 1 5 涡轮增压系统 主要由压气机和废气涡轮组成。这个子系统是基于下列假设条件确立的：每 一工作循环中废气涡轮输出功j 下好等于压气机消耗功；流过废气涡轮的燃气流量 等于流过压气机的空气流量与燃料流量之和；压气机和废气涡轮转速相等，且在 一个循环内转速保持不变2 4 2 熨。 2 2 气缸内工作过程数学模型的建立 发动机机缸内的工作过程复杂，它是包含物理、化学、流动、传热、传质等 综合过程。为了描述气缸内工质状态变化，视气缸为一个热力系统，系统的边界 由活塞顶、气缸盖及气缸套诸壁面组成。系统内工质状念由压力p 、温度丁、质量 m 这三个基本参数所确定，并以能量守恒方程、质量守恒方程及理想气体状态方 程把整个工作过程联系起来。利用上述三个方程联合求解，解出气缸内压力p 、 温度丁、质量m 三个基本参剡7 2 7 1 。 2 2 1 基本假设 发动机缸内热力过程的热力计算时，为了使问题简化，特作如下基本假设： ( 1 ) 缸内工质状态均匀，即同一瞬时气缸内各点的压力、温度和浓度处处相等。 并假定进气期间，通过系统边界进入气缸内的可燃混合气与缸内的残余废气实现 瞬时的完全混和； ( 2 ) 工质为理想气体，其比热、内能和焓等参数仅与气体温度及气体成分有关； ( 3 ) 工质流入或流出气缸内的流动过程视为准稳定流动，即在足够小的计算步 长内视为稳定流动； ( 4 ) 工质进、出口的动能忽略不计； ( 5 ) 把燃料燃烧释放化学能的过程，看成是外界按已知的表现放热规律向系统 9 北京交通大学硕士学位论文 内工质加热的热力学过程。 2 2 2 气缸内热力过程的基本微分方程 1 ) 能量守恒方程 警= 等一等一p 参忽等+ 吃等t ，2 一，咖咖咖1 咖5 咖8 咖 z l ， 通常情况下，缸内的比内能“和质量m 同时发生变化，故有 讲，竹煽d ，”如 _ a ( o 钏面+ 7 ( 2 2 ) d 够d 够 、。7 对于发动机，内能可简化为温度和瞬时过量空气系数的函数，即“= “( 丁，) 。 将“写成全微分的形式： 嚣d = 鱼a t 嚣d + 老a a 鲁d c 2 3 ， 够妒。矽 、一。7 故式( 2 2 ) 可写成： 堂笋=“筹+肌(而c3u面dtao + 老等) ( 2 4 ) 够口够d 够d 口，d 够 将式( 2 4 ) 代入式( 2 1 ) 中，并注意到而o u = c ，则温度r 对曲轴转角妒的微分 方程为： 瓦d t = 去c 等一努一p 等+ 玩等也等一“筹一m 瓦a u 面d a 妒，c 2 吲 d 缈m c ，、d 妒d 伊 1 d 伊 5 d 伊。d 妒d 缈 a 口。d 妒7 、一。7 上述各式中，p ：缸内工质压力； v ：气缸工作容积； q ：燃料在气缸内燃烧放出的热量； q ：通过气缸诸壁面传入或传出的热量； 他、：流入流出气缸的工质质量； 吃、吃：进气门、排气门处工质的比焓。 2 ) 质量守恒方程 等= 斋一舞4 - d 等 c 2 咱一= = 一 = ，一 l d 缈 d 缈伊 d 缈 式中，l 。：喷气阀喷射的瞬时燃料质量，k g ； 1 0 电控c n g 增压发动机工作过程的物理数学模型 m ，：流入气缸的气体质量，姆 朋。：流出气缸的气体质量，k g 。 3 ) 理想气体状态方程 p v = m r t( 2 - 7 ) 联合求解即可得到确定气缸内状态的三个参数：压加、温度八及质量垅。 2 2 3 燃烧放热规律的计算 气缸内燃料燃烧的瞬时燃烧放热率按下式确定： 孥- g i h r _ d x ( 2 - 8 ) “缈a 缈 式中，g ，：每缸的循环燃料供给量； d x d 妒：燃烧放热率； x ：在某一曲轴转角时，已燃烧掉的燃油质量与g ，之比： 日| 燃料燃烧低热值； 刀：燃烧热效率。 由于发动机的燃烧过程极为复杂，d x d f o = 厂( 伊) 与燃烧的物理、化学过程， 发动机的结构参数及运行参数等众多因素有关，很难用一个精确的数学方法来描 述。目前常用的方法有用实测示功图计算、用半经验公式模拟即用代用燃烧规律 计算两种方法。本文选用代用燃烧规律计算的方法。 国内外比较通用的代用燃烧规律有韦伯( b u & ) 燃烧规律，双韦伯燃烧规律， w a s t o n 燃烧规律以及w h i t e h o u s e - w a y 和l y n h ( 林慰梓) 法等。本文采用韦伯韦 伯燃烧规律模拟电控c n g 发动机的燃烧放热规律，即： x = i e x p ( - o w l y 肿1 ) 垫：坚譬：譬c w l b + 1 ) y me x p ( - 州d o d y 伊肋”、 ” 7 式中，x ：盟，y ：卫血 q 8 9 y e 一9 y a ：燃烧过程中加入的总燃料能； 肌：燃烧因子； ：燃烧丌始角； ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 北京交通大学硕士学位论文 缈陋：燃烧终止角； 缈肋：燃烧持续角，伊肋= 一伊蹦； c 。l ：常数，当y = i ，x = 0 9 9 9 时，c 。l = 6 9 0 8 。 2 2 4 变工况时的燃烧放热率计算 应用韦伯函数式( 2 1 2 ) 模拟c n g 发动机燃料燃烧百分数时，主要取决于 燃烧起始角、燃烧持续角缈肋和燃烧品质指数m ，当这三个参数确定以后，韦 伯函数也就确定了。在进行发动机变工况计算时，由于妒，。、缈。d 和m 值将随发动 机工况而变化，故此，先需对某一基准工况( 例如最大扭矩工况) 通过实验验证 燃烧放热率来得到准确的伊删。、缈肋。和n o 值，然后从而可以进行变工况的性能预 测。c s a l l n e r 根据实验研究结果，提出关于韦伯函数的修正算法，用于点燃式发动 机变工况计算【2 6 1 。这种算法的要点是从基准工况出发，引入三个影响因子对基准 工况的燃烧参数进行修j 下，从而得到其他任意工况的燃烧参数。这三个影响因子 是： 着火延迟影响因子： 燃烧持续影响因子： 燃烧品质指数影响因子： 厂：竺坠 a a p v a o g ：堕 缈肋o j i l ：旦 c s a l l n e r 根据实验结果整理出的各影响因子计算公式为： ( 1 ) 过量空气系数口的影响： 2 2 a 2 3 7 4 a + 2 5 4 儿2 2 a 0 23 7 4 a o + 2 2 4 2 a 2 3 4 口+ 2 4 p= 一 乩2 a 0 2 3 4 a o + 2 4 h 。= 1 ( 2 ) 点火时刻的影响 r4 3 0 9 节 厶2 丽尝 g 印= 1 h 印= 1 1 2 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 电控c n g 增压发动机工作过程的物理数学模型 ( 3 ) 计算始点温度的影响 以w t 6 1 5 发动机下止点后2 6 。c a ( 进气门关) 作为计算始点，并以下标“2 6 ” 表示，则： f r = 2 1 6 t 。2 2 6 6 一1 1 6 g r ：1 3 3 堡一o 3 3 钉叫3 3 专卸3 3 h 7 = 1 ( 4 ) 计算始点压力的影响 = m 4 7 驴m 2 8 h ，= 1 ( 5 ) 残余废气含量x 的影响 ( 6 ) 转速n 的影响 六= 0 0 8 8 三+ 0 9 1 2 g ，= o 2 3 7 三+ 0 7 3 6 h ，= 1 4 0 08 1 0 5 l + 一一：一 厂： 丝丝 “1 + 4 0 0 8 x 1 0 5 n o r o 1 3 3 6 6 0 n g 2 1 3 3 6 6 0 n o 一7 5 0 以+ 0 6 2 5 h n 2 7 5 0 n o + 0 6 2 5 将各影响因子连乘，记为： 1 3 ( 2 1 3 ) ( 2 一1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 一1 6 ) 北京交通大学硕士学位论文 瞰f 、= f 咿 t lp f x f ， i - i ( g ，) = g 。g 印g7 g p g ，g 。 f l ( h f ) = 。 印h 7 h p h ，h 。 变工况时，燃烧参数值修正计算公式： 矿朋= 伊朋o + 缈印一o + 纪o l 兀( ，) 一1 】 伊肋= 妒肋o ii ( g f ) m = m o f l ( h f ) 2 2 5 传热规律的计算 ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) 发动机传热率的计算是工作过程模拟的重要组成部分。一般来说，发动机传 热过程计算包括3 个部分：( 1 ) 工质与燃烧室诸壁面的传热；( 2 ) 燃烧室诸壁面内 的热传导：( 3 ) 燃烧室外壁面与冷却介质之间的传热。对于工作过程仿真计算来说， 主要考虑第( 1 ) 部分【2 6 2 7 1 。燃烧室诸壁面由气缸盖底面、活塞顶面和气缸套组成。 根据工质对燃烧室周壁面的瞬时平均换热系数口。和壁面的平均温度瓦，可以计算 出蛾i d 9 ，即： 警：窆警：三杰哪a ( 丁_ ，) ( 2 - 2 1 ) d 缈智d 妒w 智8 ” ” 式中，w ：发动机角速度： 口。：瞬时平均换热系数： 4 ：散热表面积； 丁：气缸内工质瞬时温度； 乙：壁面的平均温度；i = 1 ，2 ，3 ：分别指气缸盖，活塞，气缸套。 g t - p o w e r 软件对于发动机推荐的换热表面积为：活塞的散热面积按气缸横 截面积的1 2 1 5 倍计算，缸盖的表面积近似为气缸的横截面积。对于壁面平均温 度的推荐值如下：瓦l ：5 5 0 - - 6 0 0 k ：瓦2 ：5 5 0 - - 6 0 0 k ：瓦3 ：4 0 0 k 。 在计算工质和燃烧室诸壁面的瞬时换热量时，最关键是确定瞬时平均换热系 数瓯。由于发动机传热过程复杂，至今还没有得出成熟的传热公式，g t o p o w e r 软件选用的是w o s c h n i 半经验公式： = 1 3 0 d 加上p 幔8 t - o 5 3 c j 巴+ c 2 上等( p p c o ) 】0 8 ( 2 2 2 ) pdyd 式中，p ：缸内工质压力： r ：气缸内工质温度； 1 4 电控c n g 增压发动机工作过程的物理数学模型 d ：气缸直径； 乙：压缩始点的气缸内工质温度； 圪：气缸容积；q ：活塞平均速度； 见。：发动机压缩压力。 对换气期间：c i = 6 1 8 + 0 4 1 7 争，c 2 = 0 ； l m 门 对压缩期间：c i = 2 2 8 + 0 3 0 8 导，c 2 = 0 ； l m 门 对燃烧膨胀期间：c l = 2 2 8 + 0 3 0 8 导，c 2 = 3 2 4 x1 0 一；e ：进气涡流速度，m s 。 2 2 6 进排气阀的流量计算 通过进、排气门流入或流出气缸的流动过程视为准维流动过程，即当计算步 长足够小时，一个步长内的流动过程认为是稳定流动过程。进、排气门的喉口相 当于一个流通面积随时间而变化的孔板，并假定为一维等熵绝热流动【2 6 1 。这时， 在d 矽曲轴转角内，流过气门的流量d m 为： 厂 d m = 土、旦彬伊 ( 2 2 3 ) w v 嵋 式中，w ：发动机的角速度； ：流量系数； f ：有效流通截面积； 沙：流动函数； p 。：气门前工质压力； m ：气f - jf i ；f 工质比容。 1 ) 经进气阀流入气缸的流量变化率 进气阀处( 用下标s 表示进气管状态) 的流动均属于亚临界流动，进气流量 变化率为： 瓦d m , 5 石1 ，丽p , r 一= = 一，1 = = ：= = = = ： d 矽6 以。33 丁 2 七， 乏谢1 1 k ，一1 式中，甩：发动机转速； 从：进气门流量系数； c ：进气门瞬时的几何流通截面积； 见、互：进气门前( 进气管状态) 工质的压力及温度； 1 5 ( 2 - 2 4 ) 北京交通人学硕士学位论文 r 。、t ：