（动力机械及工程专业论文）高压缩比摩托车汽油机研究.pdf

- 华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文针对嘉陵工业股份有限公司c u b l 0 0 摩托车发动机，进行了四冲程汽油机 准维循环模拟在高压缩比摩托车发动机中的应用研究。主要内容包括： 1 介绍了国内外摩托车发动机技术，特别是高压缩比摩托车发动机技术的发展 状况，以及发动机数值模拟在现代发动机设计中的应用。 2 在阐述准维燃烧模型原理的基础上，结合c u b 0 0 摩托车发动机实验测量的 示功图、外特性曲线、工作过程参数等，进行了四冲程汽油机准维循环模拟模型的 验证工作。( 模拟计算结果表明，通过对模型输入参数的调整，验证后的准维循环模 拟模型能比较好的模拟汽油机工作过程。广、7 3 采用上述己验证的模型，对c u b l 0 0 摩托车发动机进行了应用研艽。对压缩 比、点火提前角、进气效率、配气相位等发动机结构设计参数和运转参数对发动机 运行特性的影响进行了分析研究。 4 对c u b l 0 0 摩托车发动机的燃烧室结构设计进行了研究。综合考察各种因 素，提出了c u b l 0 0 发动机燃烧室的改进设计方案，以此来提高其压缩比。并利用 四冲程汽油机准维循环模拟计算预测了改进后发动机的性能指标。f 模拟计算结果表 明，改进发动机燃烧室结构提高压缩比，并适当提高进气效率后，发动机的动力性 有较大的提高。r t 5 为简化准维循环模拟程序的前后处理工作，在v i s u a i b a s i c 平台上开发了四 冲程汽油机准维循环模拟程序应用界面。f 界面实用可靠，也方便与其他发动机数值 模拟程序的链接。卜 关键词：摩托车汽油机、准维循环模拟、实验验证、高压缩比、性能预测 华中科技大学硕士学位论文 ! = ! ! = = = = = = = = = = = = = = = ! = ! = 皇! ! = ! ! = ! = ! ! = ! ! a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t st h ea p p l i c a t i o no ft h eq u a s i d i m e n s i o n a lc o m b u s t i o nm o d e li n g a s o l i n ee n g i n e sd e v e l o p m e n t ；e s p e c i a l l y i t s a p p l i c a t i o n i nt h e p e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n to f j i a l i n gc u b l 0 0h i g hc o m p r e s s i o n r a t i om o t o r c y c l eg a s o l i n e e n g i n e f i r s t l y ，i n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to fm o t o r c y c l ee n g i n et e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yt h e t d g hc o m p r e s s i o nr m i ot e c h n o l o g ya l l t h ew o r l d a l s oi n t r o d u c et h eu t i l i z a t i o no ft h e e n g i n en u m e r i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ei nm o d e me n g i n e sd e s i g n s e c o n d l y ，d e s c r i b e st h ef o u r - s t r o k eg a s o l i n eq u a s i - d i m e n s i o n a lc o m b u s t i o nm o d e l ? h e nc o m b i n e sw i t ht h ec u b l 0 0m o t o r c y c l ee n g i n e se x p e r i m e n t ，a d j u s tt h em o d e l s a d j u s t a b l ep a r a m e t e r s ，a n dc a l i b r a t et h eg a s o l i n eq u a s i - d i m e n s i o n a lc o m b u s t i o nm o d e l 7 7 h ec a l c u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ec a l i b r a t e dm o d e lc a r lb ef u l l yu s e dt os i m u l a t et h e p r o c e s so f t h ec u b l 0 0m o t o r c y c l ee n g i n e t h i r d l y ，t h ee n g i n es i m u l a t em o d e l s a r ea p p l i e do nt h ec u b l 0 0 m o t o r c y c l ee n g i n e t o i n v e s t i g a t e t h ei n f l u e n c eo fd e s i g nf a c t o r sa n dw o r k - c o n d i t i o np a r a m e t e r so ne n g i n e p e r f o r m a n c e t h e s ef a c t o r sa n dp a r a m e t e r si n c l u d ec 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 e ， c h a r g i n g e f f i c i e n c i e s f o u r t h l y ，m a k eaf a r t h e rr e s e a r c hi nt h ec u b l 0 0m o t o r c y c l ee n g i n e sc o m b u s t i o n c h a m b e rs h a p e ，o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c hb r i n gf o r w a r daf e a s i b l ei m p r o v e m e n ti nt h e c o m b u s t i o nc h a m b e rs h a p et oe l e v a t i o nt h ee n g i n e sc o m p r e s s i o nr a t i o ，t h u si m p r o v et h e p e r f o r m a n c e o ft h ec u b l 0 0m o t o r c y c l e e n g i n e a n d u t i l i z et h eq u a s i - d i m e n s i o n a l c o m b u s t i o nm o d e lt o p r e d i c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ei m p r o v e dg a s o l i n ee n g i n e t h e c a l c u l a t er e s u l ts h o w st h ep e r f o r m a n c ei sd i s t i n c t l yi m p r o v e d a tl a s t ，i no r d e rt o s i m p l i f yt h ep r o c e s so fi n p u ta n do u t p u td a t a , t u r nt h eq u a s i d i m e n s i o n a lc o m b u s t i o nm o d e li n t oa na p p l i c a t i o np r a c t i c a l i t yt o o lf o re n t e r p r i s ei nt h e i r ， d e v e l o pw o r k i n g ，w ed e v e l o p a l la p p l i c a t i o ns o f t w a r ei n c l u d i n gc o r ec o d ea n di n t e r a c t i v e i n t e r f a c ei nt h ee n v i r o n m e n to fv i s u a l b a s i c ，t h ea p p l y i n go ft h es o f t w a r ew i l lm a k ea a d v a n t a g ei nt h eu t i l i z eo ft h eq u a s i - d i m e n s i o n a lc o m b u s t i o nm o d e li nt h ed e s i g no fs i e n g i n e s t h es o f t w a r ei st e s t e dc o n v e n i e n ta n dr e l i a b l ea n d i ti sf e a s i b l et ol i n k 、i t ho t h e r e n g i n en u m e r i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e k e ) o r d s ：m o t o r c y c l eg a s o l i n ee n g i n e 、q u a s i - d i m e n s i o n a lc o m b u s t i o n m o d e l 、 m o d e lc a l i b r a t e 、h i g h c o m p r e s s i o n r a t i o 、p e r f o r m a n c ep r e d i c t 一一 n 华中科技大学硕士学位论文 l _ _ _ _ _ _ _ - - - - i - _ _ - _ - _ ! ! - o ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! 1 1 1 课题提出的背景 1 绪论 1 1 1 我置摩托车发动机技术的发展状况m2 4 6 i 发动机自诞生之日起，迄今已有一百多年的历史，经过不断的改善和发展， 它已经达到相当完善的程度。同时，应当清醒的看到，随着石油储存量不断减少 所造成的能源危机和环境污染的加重。发动机作为石油消耗的主要动力装置和环 境污染的主要污染源之一，面临两大难题：一是节约能源，二是环境保护。 摩托车作为我国超常规发展起来的一个新型产业，其使用数量已经大大超过 汽车的使用数量。1 9 9 3 年我国摩托车产量为3 3 5 1 万辆，首次超过了日本位居世 界第一位；2 0 0 0 年我国摩托车产销量再刨历史薪高，产量达到1 1 5 3 万辆。目前， 我国已成为世界上摩托车生产的大国，因此对摩托车发动机的研究也日益重要。 我国摩托车产品大多集中在中小排量实用型摩托车上，产品的档次和技术含 量都不高。虽然通过中外合资、技术引进和市场竞争的优胜劣汰，摩托车发动不 论是在节能、环保、性能等指标方面，还是其类型方面都有很大提高，现在部分 产品己达到国外同类产品水平。但是在我国的摩托车行业，大多数摩托车厂家都 是引进日本的发动机技术，引进后消化吸收慢，不能在引进技术的基础上有自己 的创新，此外，还有很多的厂家是在仿造日本的技术。 - 现在中国已加入世贸组织，在知识产权保护下，仿造技术这种途径被限制了。 另一方面，随着生产规模的扩大和国内市场竞争日趋激烈，许多企业转移到国际 市场上寻求发展，参与到国际竞争中，这就更需要有自己的技术。只有掌握了现 代发动机设计、制造的核心技术，才能在国际化竞争中生存发展，所以现在各摩 乇车厂都在致力于拥有自主知识产权的技术，加大消化吸收引进技术和提高产品 研发的力度。 因此，无论从时代对发动机的发展要求，还是企业自身利益来看，提高摩托 车发动机技术水平都是很重要的。我国摩托车发展纲要也把摩托车发动机技术的 _ 一 l 华中科技大学硕士学位论文 i 提高列为最重要的课题之一。 1 1 2 现代摩托车发动机技术 摩托车发动机有其自身的技术特点。与汽车上基本是四冲程发动机不同，在 孽托车上发动机种类很多。从其型式来看，有二冲程、四冲程，有单缸、双缸甚 至四缸机，有水冷也有风冷。从排量上来看，从5 0 毫升的脚踏车到5 0 0 毫升的竞 赛车都有，还有摩托车发动机的转速变化范围广阔，可以从2 0 0 0 转分变化到1 4 0 0 0 转分以上。 为了解决摩托车日益严重的油耗及排放问题，国内外进行了大量的新技术应 用研究【7 - 8 “1 0 j 劲。最典型的新技术是有摩托车发动机电子控制喷油技术。自 9 8 0 年日本川崎公司率先在其z 1 0 0 0 型摩托车上应用e f i 电喷技术以来，电喷技 ； 之不断发展。最近，春兰集团推出了c l l 2 5 6 型电喷摩托车，开创了我国四冲程 小排量摩托车应用电喷技术的先河海南新大洲与奥必托公司合作应用s e e i s 电 喷技术开发了装用二冲程发动机的x d z 5 0 一q t 环保型摩托车。佛山摩托车公司引进 比亚乔“f a s t ”电喷技术，效果显著，据报道，其二冲程发动机的性能接近了四 冲程发动机的性能。 电控点火技术也是当今摩托车发动机上逐渐应用的新技术之一。发动机在不 同的转速下对点火提前角的要求不同，而摩托车发动机转速变化范围广阔，其要 求的点火提前角的变化范围也非常大。实际行驶中，点火提前的因素很多，传统 的点火方式( 如c d i 式、数字式晶体管式) 都无法完全满足实际使用工况的要求， 唯有采用电脑控制点火方式，才能解决问题。 多气门技术是解决摩托车高速化的另一技术途径。不仅在大排量发动机上普 遍应用多气门技术，现代多气门技术逐渐应用到小排量发动机上。它适应当前高 功率化的要求，也实现了低油耗。日本最新开发的摩托车基本上都是采用多气门 燃烧室，如本田x r 4 0 0 、铃木d r 2 5 0 r 、川崎火神4 0 0 、雅马哈t r x 4 0 0 等。天津发 动机研究所研发的排量为1 2 5 毫升的1 5 7 y m i 摩托车发动机、南方公司的n f 2 5 0 以 及春兰虎神c l 2 5 0 也采用了四气门结构。其中春兰虎神c l 2 5 0 升功率达到7 6 k w l ， 跨入如世界先进行列。 此外，在摩托车发动机上还有可变气门正时、可变进排气阎系统、三元催化 一 _ _ 一 2 华中科技大学硕士学位论文 反应器等许多新技术的开发应用。 1 1 3 高压缩比发动机开发研究 现代摩托车发动机发展方向是高强化性能、高转速、低油耗，低排放。采用 高压缩比是提高汽油机各项性能指标最为有效的途径之一。因为提高压缩比可以 提高循环热效率，减少缸内残余废气，加快混合气燃烧速度和增大稀燃极限，提 高爆发压力。由此提高汽油机的升功率与经济性，同时还可以减低排放水平。 当今，压缩比的高低已经代表发动机的技术水平之一。据统计1 1 ，现代国外 风冷单缸摩托车发动机压缩比一般为9 5 1 0 5 ，而单缸水冷机摩托车发动机则集 中在1 1 6 左右。国内引进的最先进四冲程摩托车发动机的压缩比一般为8 0 左右。 在国外，对高压缩比汽油机进行了大量的应用研究 1 4 1 5 , 1 6 1 7 。德国波许 ( p o r c h e ) 公司花了五年时间，通过对许多燃烧室的改进，进行了将汽油机压缩比 提高到12 5 的大量实验。得出结论：缸径小于6 0 m m 时最佳压缩比为1 2 一1 3 ，且汽 油机最佳压缩比随其标定转速高低而变化，当汽油机标定转速为5 0 0 0 转分时，压 缩比为1 2 1 3 有最佳平均有效压力。f o r d 汽车公司研发的m a y 汽油机压缩比为 1 25 ，而德国大众公司推出的机械增压、直喷汽油机“f u t u r a ”压缩比为】6 ：】。 瑞士的m a y m g 利用强烈的缸内气体紊流来提高火焰传播速度，发明的“火球” 高压缩比汽油机，其压缩比甚至高达1 6 5 。本田公司c v c c 燃烧室( 主副两个燃烧 室) 采用稀薄燃烧技术，副燃烧室里燃气稍浓，使混合气能可靠的着火，副燃烧 室里的浓混合气点燃后，火焰高速喷入主燃烧室，引起主燃烧室里稀混合气的燃 烧。稀混合气燃烧速度慢，燃烧温度也低，使n o 。相应减少。采用这种技术的本田 c a 摩托车发动机压缩比为1 2 j ，且改善了低速区的扭矩。 限制汽油机压缩比提高的主要因素是爆震和噪音。随着压缩比的提高，缸内 燃气的爆发压力、压力升高率都会增大，导致汽油机工作粗暴，噪声和振动加大。 为解决这一问题，现代汽油机上采用大量的新技术来限制爆震的产生。最典型的 控制技术是爆震的电子控制技术。研究表明，汽油机处于轻微爆震运行状态时， 其综合性能最佳【1 81 9 】。爆震传感器监测发动机运行状况，中央处理器根据爆震传 感器信号来控制点火等因素，控制发动机始终运行于爆震边沿，使其有最佳的运 行性能。 一 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! = = 竺! ! ! ! ! = ! ! 竺! ! ! = ! 竺! ! 竺! ! ! = = ! ! ! ! = = 竺竺! ! ! ! ! ! ! 大量研究表明1 2 0 2 1 2 2 1 ，爆震产生主要是离火花塞远端的气体温度、压力过高， ：芷火焰还没到达时就自燃了。通过快速燃烧或缩短燃烧室里火焰传播的距离，在 远端气体温度还没来得及升高到燃气自燃温度时，火焰已经传遍整个燃烧室，爆 ：餮就不会产生。因此快速燃烧技术也是抑制爆震、提高压缩比的有效途径。加快 燃气燃烧速度有许多方法，如增强缸内气体的紊流、二次汽油喷射、采用双火花 塞点火等。汽油机混合气的燃烧是湍流燃烧，它的火焰传播速度是层流火焰传播 ：塞度与湍流火焰传播速度之和，其中湍流火焰传播速度是层流火焰传播速度的数 倍，增加缸内气体的紊流可以使即使很稀的气体也能快速而稳定燃烧，不但减小 爆震趋向，也降低了发动机的排放水平。 国内外对快速燃烧作了有许多应用研究。在国内，李继军等【2 3 在一单缸机上 改进燃烧室结构，设计了挤气射流一紊流型燃烧室，提高火焰传播速度，实现快速 燃烧，提高了c a l l 0 2 型发动机压缩比。黎苏等1 2 4 2 5 研制了缩短火焰传播距离、增 ： 口挤气面积和减少挤气间隙的紧凑型燃烧室，实现高压缩比快速稀燃，提高发动 机性能，应用在4 9 2 q 型汽油机上，使用7 0 ：汽油，压缩比达到1 0 2 6 ，无明显爆 震。杜明等 5 3 1 则在4 9 5 g 型汽油机上通过对进气道、燃烧室以及凸轮型线的改进， 提高其压缩比，取得良好效果。国外在7 0 年代末期，p o u o s s g h e y w o o dj b f 2 6 j 一亏m a t t a v i j n 【27 】等对火花塞的位置对火焰传播过程的影响做了大量的研究。研究 表明，火花塞的位置对减轻爆震有很大的影响。火花塞侧置的燃烧室比火花塞中 置的燃烧室更容易产生爆震，紧凑型的燃烧室因能减小最远端表面距火花塞的距 7 葛，爆震趋势也能减小。采用双火花塞点火能减小最远端表面距火花塞的距，缩 豆了火焰传遍整个燃烧室的时间。此时，还可以推迟点火时间，提高了点火时刻 缸内燃气的温度和压力，改善着火性能，同时降低最高爆发压力，使燃烧持续期 减小，后燃现象减弱，降低n o x 的排放。 随着研究进一步深入，以及各种发动机辅助技术的应用，影响提高压缩比的 爆震、噪音等因素已经可以克服，高压缩比发动机已经得到实用。 紧跟现代发动机技术发展趋势，提高现有发动机的设计水平，是赢得国际市 场竞争胜利的保障。在我国单缸四冲程1 0 0 一1 2 5 m 1 摩托车占7 0 以上，这类摩托 军价格适中、可选车型多、适应性强，成为摩托车家族中的主力车型，是我国进 一 4 华中科技大学硕士学位论文 入国际摩托车市场的重点产品。这类发动机排量小、缸径小，受其结构的限制， 进气系统不能才用多气门结构，一般为两气门，也不好采用主副燃烧室形式和多 火花塞点火。受其价格水平的限制，结构一般都很简单化，点火正时和爆震的电 子控制都很少使用。以上几个方面都为提高其压缩比带来一定的影响。在提高这 类发动机压缩比，强化其性能的时候，较好的途径之一是改进其燃烧室的结构， 通过合理选择其结构参数、运行参数，在提高发动机升功率和经济性的同时，抑 制爆震和噪音的产生。 ，1 2 发动机工作过程参数分析 t 2 1 引言 燃烧过程直接影响发动机的基本运行特性，如功率、扭矩、热效率、最大爆 发压力、排气温度和废气排放水平等。而工作过程参数设计对燃烧过程组织的好 环非常重要。因此，合理选择发动机的工作过程参数对改善发动机运行特性是很 重要的，现在有许多发动机工作者研究工作过程参数优化选择方法。 影响发动机燃烧过程的系统参数很多，有燃烧室结构参数( 燃烧室形式、缸 径、行程等) 和发动机运行参数( 点火正时、配气相位等) 等。以前，实验研究 黾进行研究燃烧过程参数分析的主要途径。但要分析众多系统参数对发动机性能 的影响，从中选择合理的匹配，采用实验研究的方法需要太长的时间与费用。为 解决这一问，人们借助数值模拟技术，建立与系统参数相联系的发动机工作过程 ：毁值模拟模型。这样，在发动机工作过程参数分析时，以系统参数作为输入参数， 通过调用工作过程数值模拟程序，计算出与其相应的发动机性能参数。以此来考 察某一参数的变化以及结构参数、运行参数对发动机性能的影响，合理配置这些 参数，获得发动机的最佳性能。由此可见，工作过程数值模拟程序在发动机工作 过程参数合理选择过程中起桥梁作用，它是工作过程参数优化的基础。 1 2 2 发动机工作过程数值模拟及应用1 2 3 。3 i 鉴于工作过程数值模拟在发动机工作过程参数选择中的重要性，吸引了许多 的研究机构致力于开发高级的循环模拟软件。在国外，工作过程数值模拟的研究 华中科技大学硕士学位论文 苎鼍! 竺苎竺苎苎皇! ! ! ! ! ! ! ! 皇竺! 詈詈竺= ! 詈! ! ! ! ! ! ! ! 詈! ! ! ! 鼍竺竺苎詈竺! ! ! ! 和应用首先开始于大学和研究机构。开始阶段只是用一些经验方程描述燃烧过程 的模型。六十年代末期以来，随着计算机性能的大大提高，加上现代测试技术和 高效的数据采集、数据处理方法的出现，发动机工作过程数值模拟有了很大的发 展1 2 ”。具体表现在：在计算中，可以考虑那些由发动机运行状态所决定的内部过 程：如燃烧过程、气体流动过程、热交换过程等。能建立比较符合实际的物理模 型，通过数学模型予以表达，求得各热力参数随时间变化的规律；也能系统的模 拟结构参数、燃烧规律、配气相位、进排气系统中的流动阻力等与发动机性能间 的相互关系。所以说现代发动机的设计已经由过去比较粗糙的经验、半经验设计 转向了模拟计算、优化设计和发动机c a d 设计，取得了令人耳目新的进展。 由于燃烧过程对发动机性能有至关重要的影响。燃烧过程的模拟也是工作过 程擞值模拟极为重要的一部分，目前常见的燃烧过程数学模型分为三类：零维模 型、准维模型、多维模型。其中，零维模型太过简单，已经没有太大的研究价值； 瑚在国外研究的重心是研究能提供更多有价值的燃烧过程物理细节的多维模型， 其中k i v a 程序的完善开发已成为多维模型研究的主流f 2 9 1 。 在这三类发动机燃烧模型中最成熟的是准维模型，它在国外8 0 年代中后期就 已经进入实用化阶段。准维模型是在零维模型的基础上考虑了某些特定几何特性 ( 如火焰形状、火焰传播过程的长度尺度) 对燃烧过程的影响，将燃烧室分为几 个区域，在不同的区域内考虑性质不同的物理过程，而每个区域内的物理参数则 是均匀的，与空间坐标无关。它主要是双区模型或多区模型。准维模型能建立燃 烧室结构设计参数、运行参数与燃烧过程间的关系，以此预测发动机结构设计参 数和运行参数对燃烧细节的影响。各种准维模型的数学表达式和物理概念可能会 有些不同，但实质上的控制方程是可以相互转换的，都是以能量守衡定理和质量 守衡定理为原则p “”】。 与国外相比，近年来我国在发动机工作过程研究也取得了很大的进展。许多 高校和研究单位都在进行这方面的研究，取得了显著效果，开发了一些模拟计算 程序，并在实际开发研究中应用 3 2 1 但是，把研究成果应用于实践的工作不很普遍，开发的这些模拟计算程序绝 大部分仅限于高校中应用。其主要原因是工作过程循环模拟模型的计算输入参数 一一 6 华中科技大学硕士学位论文 ( 或前处理) 和计算结果的处理( 或后处理) 比较复杂。目前国内还没有能方便 企业使用的发动机工作过程数值模拟解决方案。应用发动机工作过程数值模拟研 究中已经取得的成果到发动机设计、实验过程的实践中，把研究成果变成生产力， 才是数值模拟研究所追求的最终目的。 下图卜1 表示了工作过程数值模拟在现代发动机设计中的应用过程。 工作过程数值模拟计算 进排气系统设计 燃烧系统设计 温度场计算 机械负荷计算 应力场计算 增压器的选配 上 发动机性能计算 排放水平计算 示功图 放热率计算 火焰传播速度计算 热流计算 图1 一l 工作过程数值模拟的应用 所谓设计用途的工作过程模拟计算，就是以设计发动机的工作过程参数、结 构参数为目的的计算。如：通过对进排气系统的模拟计算，可以找到改进其充气 效率的关键因素。通过对燃烧系统模拟，可以为燃烧系统的改进提供方向。利用 循环模拟预测缸内的最高爆发压力及温度，可以进行连杆、曲轴、活塞等零部件 应力分析。利用循环模拟还可以预测燃烧室零部件的热负荷分布情况。 所谓研究用途的工作过程模拟计算，就是对现有机型的工作过程加深了解为 目的计算。它以己知的实验结果为输入参数，并以此推演出工作过程中更深内涵、 不易测量的参数，帮助设计者了解发动机工作过程的一些内部起因、机理和规律。 甲甲 华中科技大学硕士学位论文 - _ _ - - - - _ - _ _ - - - - ! ，蔓舅! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 1 1 i 口：以燃烧室或进排气管道的结构参数输入，计算发动机的性能指标参数( 功率、 压力等) 和排放水平，以此预测各种物理现象之间的关系。还有由示功图来推算 放热率；由缸内温度场计算来缸内的热流：由燃料性质、运行条件计算火焰传播 速度等m 】。 】2 3 工作过程参数分析的发展现状 发动机的工作过程参数匹配有其自身特点。首先，发动机的设计要求众多， ；茸功率、油耗、排温、最大爆发压力、机械负荷、噪音震动等各方面的要求。一 般来说，要寻找满足所有这些设计要求的方案是很困难的。所以参数选择只能是 各个设计目标之间的折衷处理。其次，由于发动机结构参数、运行参数( 缸径、 行程、点火正时等) 与性能参数( 功率、扭矩、比油耗等) 之间没有直接数学解 析关系，而只是一种隐式的关系。 目前，国内外许多研究者开始在发动机工作过程参数合理选择这一领域进行 研究。主要参数分析方法有两类【3 4 3 5 3 6 1 。 1 ) 把结构参数、运行参数与发动机性能参数之间的隐式关系转化为显式解析 关系。利用少量的实验数据或模拟数据结合非线性回归分析，把结构参数、运行 参数与发动机运行性能之间的关系用显式的数学表达式表示出来。这样，在参数 分析过程中就不再需要调用工作过程模拟程序，大大简化了计算过程。这种方法 在处理多目标问题时，一般用加权数来把多目标问题简化为单目标问题求解。解 析法经过数学方法的处理使问题简化，从方法上来说，是解决问题的一种途径， 但这样的处理显得简单。 2 ) 利用单纯形法或正交实验结合神经网络等方法来求解参数间的合理匹配。 利用神经网络强大的学习功能，以较少的正交实验数据来训练网络，减少正交实 验方法的水平数。从实际使用来看，利用神经网络的参数分析方法也有其难以克 服的缺点，主要原因是，它需要大量的实验来训练网络，且对训练标本( 即实验 数据) 的敏感性很强。 合理选择工作过程参数的最简单方法是直接分析法。它直接改变结构参数和 运行参数，调用发动机工作过程模拟程序计算，比较计算结果，寻找合理的结构 参数、运行参数。这种方法既可以解决发动机性能参数与系统参数之间隐式关系 一 r 华中科技大学硕士学位论文 问题，又不需要简化处理优化函数，可以减小误差。在提高老产品性能时，由于 可变的参数不多，参数变动范围也不大，此时采用直接逐个分析参变量的方法， 既简单，又实用。 需要说明的是，在实际发动机的开发与改进工作中，要根据具体的情况来使 用不同的参数分析方法。由于利用数学工具进行参数分析过程中需要作许多的简 化处理，不可避免的会带来了一些误差。所以，在研究发动机工作过程参数匹配 时，分析方法的完善不如工作过程数值模拟自身的完善来得重要。 13 本课题的研究内容 本文针对嘉陵工业股份有限公司与华中科技大学的合作研究项目“嘉陵 c l b l o o 单缸四冲程汽油机强化”进行高压缩比摩托车发动机中的参数分析研究。 嘉陵c u b ! 0 0 汽油机压缩比为7 5 2 ，升功率为6 3 k w l ，与国内同类发动机比较 来说，其水平是先进的，但与国外先进水平的差距不小。为提高c u b l 0 0 汽油机的 性能选择提高其压缩比作为主要手段之一。 文中分析发动机工作过程的各参数对发动机运行性能的影响。以此研究在提 高压缩比，合理选择c u s l 0 0 四冲程汽油机的燃烧室结构参数与运行参数的情况下， 发动机的性能变化。在提高发动机压缩比的同时，减轻爆震现象的产生。 本文的主要内容包括： 第一章绪论部分，系统扼要地分析了国内外摩托车发动机技术发展现状，发 动机工作过程数值模拟技术发展及应用，以及发动机工作过程参数分析的方法。 第二章建立准维循环模拟模型，并结合实验验证模型。并介绍准维循环模拟 程序的可视化工作。 第三章应用准维循环模型研究嘉陵c u b l 0 0 汽油机的工作过程系统参数对其性 能的影响。 第四章在分析c u b l 0 0 汽油机燃烧室结构的基础上，提出燃烧室结构的改变方 案，提高其压缩比，并预测提高压缩比后发动机性能特性。 第五章介绍c u b l 0 0 汽油机的实验设计情况，主要是其示功图和外特性曲线的 测量。 第六章是全文工作的总结。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 准维循环模型及其验证 2 1 四冲程汽油机准维循环模拟3 7 - a o 2 1 1 引言 四冲程汽油机循环模拟是研究包括进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等连续工 作过程的模拟。发动机气缸内的工作过程是一个包含物理、化学、流动、传热及 传质等现象的复杂过程。为了描述气缸内工质状态变化，视气缸为一个热力系统， 系统边界由活塞项、缸盖及缸套壁面组成。系统内工质状态由压力、温度、质量 这三个基本参数确定，并用能量守恒方程、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。 2 1 2 准维循环模型基本假设 在汽油机中，火花塞点火后，火焰向四周传播，进行湍流预混合燃烧，燃烧 反应区受湍流影响，火焰前锋面形状发生皱折甚至破碎。在汽油机准维循环模拟 中，为了简化计算，认为火焰前锋面将燃烧室划分为两个区域，锋前未燃区和锋 后已燃区，即双区模型。建立准维循环模型时，考虑传热的影响，将己燃区进一 步分为绝热核心和边界层，并作如下基本假设： 1 汽油蒸汽和新鲜空气在火花塞点火前已形成均质的可燃混合气，在燃烧过程 工质总质量保持不变； 2 点火后，火焰前锋是一个以火花塞为球心的球面四周传播，火焰前锋面把气 缸分为已燃区和未燃区两个独立热力学系统，两区压力出于瞬时平衡状态、 温度不同，两区之间不进行热交换，考虑两区容积及质量流率，计算两区的 热力状态； 3 燃烧为湍流预混合燃烧，燃烧反应区受湍流影响，火焰传播速度为层流燃烧 速度与湍流燃烧速度之和。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 i i 2 1 3 缸内工质的热力学分析 由上面的假设，通过能量守恒方程、质量守恒方程及理想气体状态方程来计 算缸内气体压力、温度随时间的变化情况，基本方程如下： 缸内工质的能量守恒方程式为： 宫= m h 一反一咖 ( 2 1 ) 其中，立= ( 石 ) 一( p p ) ：能量变化率 ( 2 - 2 ) m h ： 焓的净流入率 绒： 缸壁的散热率 咖= 口y ：系统作功率( 2 - 3 ) 如果新鲜空气和残余废气都是理想空气，混合物有下列相关的性质， h = x lh l + 。2h2 ( 2 - 4 ) r = x 1r l + x2r2 ( 2 - 5 ) 理想气体性质方程为： p | p = t | t 七p | p j r r | r h 2x h ，r = 工t r ，向t 2 c p t + c p ( 2 6 ) c p ；( 历。，c r ；( 锄印) ， p = ( o p 们。r + ( 勿印) ，p 联立上述等式得到压力变化率： ；一旦一j 生生王。一( 3 p i l l r + 鱼m 一旦l ( 2 _ 7 ) 1 ( 印印) ，1 r 1 p mv j 回到基本能量方程( 2 - 1 ) ，应用方程( 2 - 2 ) 和方程( 2 - 6 ) ，在相同温度和相同压 力情况下，由两种理想气体组成的开式系统的温度变化率为： j _ = 齐( 华+ 孚) + i m ( 1 - 矽h 一号+ 去( 石 切1 s ， 舯似，十篱( 扣州1 - 酬忡怫x z ：蝴的质量百分 一 l l 华中科技大学硕士学位论文 数( f - 1 新鲜冗量，2 2 残余废气) 、m 缸内工质质量、y 工质体积、丁工质温度、 p 为工质密度、p 为工质压力、h ：焓、r ：通用气体常数、c ，、c 。为比热容。 方程( 2 - 8 ) 现在可以应用到四个工作过程。结果表达式为： 进气过程温度方程： 于= 和半+ 学) + 旁h 一吾+ 丽i ( 祝k 赢啦。) l 。) lj 压缩过程温度方程： 于= j b 一矿v 一裔) ( 2 - 1 0 ) 燃烧过程温度方程： i ) 未燃区： 于。：争 旦一一冬) ( 2 - 1 1 ) 4 x b 一1 吒且朋。 i i ) 已燃区： 址百b bt i x b ”毕一告一舄) 蚴 排气过程温度方程： 于：墨卜堡v 丝) ( 2 1 3 ) 彳、mvb m 。 其中下标表示缸内未燃气体参量、b 表示缸内已燃气体参骨。 2 i 4 换气过程分析 缸内气体流动是影响汽油机燃烧过程的主要因素之一，它对传热也有显著影 响。准维循环模型对进气、排气系统的模拟重点不在于研究气道里的气体流动， 只是提供缸内气体燃烧过程模拟的输入与边界条件，计算每循环进出缸内的工质 质量。准维循环模型采用采用一维准定常可压缩流模型研究气缸与进、排气歧管 问的质量交换，质量流量方程如下： rr1 、l ，2 拓c 一磕厨 击旧p o2 一c 州“j j 1 2 华中科技大学硕士学位论文 - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ l _ l l l - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ o ! ! ! ! o o i l m l l - - _ _ - ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 其中：进气过程：质量流量为正，p 。为进气系统压力，p ，为气缸压力： 排气过程：质量流量为负，p 。为气缸压力，p ，为排气管压力、a 气阀流通 面积、g 流量系数、矗：上游滞止温度、k ：比热比、r ：气体常数 任意时刻，缸内质量m ( ，) 为： m ( ，) = m 。+ f ，；，md t 一石“d t ( 2 15 ) 其中，：循环始点，。时的缸内质量，_ i ，。进入缸内质量，进入缸内质量。 在压缩、燃烧、膨胀过程中缸内工质质量假设为不变。 2 1 5 湍流燃烧 汽油机的火焰传播主要为湍流形式。用三个长度尺度表示湍流的特征。第一 个尺度为积分长度尺度j 它是流场中的最大湍流结构尺度的度量。迭加在大尺度 湍流上有许多很小尺寸的涡，这些小涡是较大涡流不断破裂形成的。由于小涡流 在局部流型中变化更快，所以小涡流更趋向于同向性。在小涡中发生湍流能量耗 散，分子粘性作用使动能耗散为热能，这一最小的湍流结构尺度用k o l m o g o r o v 尺 度 来表示。第三个尺度为t a y l o r 微尺度九。 准维循环燃烧模型以湍流火焰模型为基础，假定大小为泰勒微尺度九的湍流涡 被有限厚度的湍流火焰前锋卷吸，相对于未燃气的卷吸速度为甜。涡以层流火焰 速度s ，在特征时间t 内燃尽，t 等于t a y l o r 微尺度九除以层流火焰速度咒。涡流场 的湍流强度集中于大小为k o l m o g o r o v 尺度t 1 的涡管内，假设涡管特征间距为 t a y l o r 微尺度九。假设反应锋面以层流形式在涡管间传播。湍流假设表明沿大涡的 传播速度等于层流火焰速度s ，与当地湍流强度“之和。九是关于发动机转速、燃烧 室几何形状和尺寸以及点火提前角的函数：s ，是关于化学当量比、燃料种类、残 余废气系数、混合气密度及点火提前角的函数。 2 1 6 传热 汽油机传热主要是缸内气体与燃烧室壁的对流传热。准维循环模型中，假设 对流是唯一的传热方式，忽略辐射传热和排气口处的热损失。传热率表示为： q 。= h a ( c t ) ( 2 一1 6 ) 其中，h ：对流传热系数 一 1 3 华中科技大学硕士学位论文 a ：传热面积 l ：燃烧室内壁温度 i ： 工质温度 2 i 7 燃烧室几何模型建立 汽油机准维循环模拟采用双区燃烧模型。从准维循环模型的建立过程可知，燃 烧模型需要火焰前锋面积值以计算火焰对未燃气的卷吸率，为准确计算燃烧期间 未燃区和已燃区的不同传热率，也要知道不同曲轴转角、不同火焰传播距离对应 的已燃气、未燃气与燃烧室壁面的接触面积( 湿壁面积) 。因此，在进行准维循环 模拟计算之前，需要先进行火焰传播和燃烧室的几何相关性的计算。 汽油机火花塞点火后，火焰形成一个近似球形的火焰前锋面向整个燃烧四周传 播。火焰面的前方是低温未燃混合气，后方是高温燃烧产物。化学反应集中在火 焰前锋内进行，其边界上产生很大的温度梯度和浓度梯度，有强烈的热量交换和 质量交换，这将引起锋面附近未燃混合气的化学反应，形成化学反应区的空间传 播。这种一层层地扩展至整个可燃混合气空间的燃烧现象称为火焰传播。 在已知发动机燃烧室结构和火焰半径时就可以计算出火焰前锋面积，已燃区接 触面积，未燃区接触面积等。如图2 - 1 ： 火焰扫过的燃烧室面积。火焰前锋面积，已燃区体积，来燃区体积计算 图2 1 火焰前锋面积，已燃区体积，未燃区体积计算 汽油机准维循环模型能建立发动机设计、运行参数与燃烧过程间的关系。通 过对火焰传播过程的模拟计算，准维循环模拟模型可以方便的分析燃烧室结构变 一 1 4 华中科技大学硕士学位论文 化对燃烧过程的影响，其运算速度快，适合于用来进行工作过程变参数分析。在 进行c u b l 0 0 摩托车四冲程汽油机的工作过程参数优化匹配时，用准维循环模型作 变参数分析和性能预测的工具。 2 2c u b l 0 0 汽油机准维循环模型的验证 2 2 1 模型验证背景 为验证准维循环模型对发动机燃烧过程模拟的合理性，p o u o s s g l 3 s 】进行了 一项研究。在该研究中五个发动机运行参数( 发动机转速、空燃比、进气管压力、 e g r 、点火正酬) 从各自基本运行点变化并记录其对燃烧过程的影响。研究结果表 明模型对发动机性能的预测无论在变化趋势还是在数值上，都能和实验所测的数 据较好的吻合。 但是，四冲程汽油机准维循环模型是一个普遍适应性模型，它适应于不同型式 的四冲程汽油机。各种四冲程汽油机的结构差异很大，缸内气体流动也不尽相同。 即使同一发动机，在不同运行工况下其工作过程的具体细节也有变化。如：汽油 机的缸径、行程和燃烧室型式( 半球形、盘型) 不同所带来的混合气体燃烧过程 差异：进、排气道形状和进、排气门大小对气体流动湍流强度、进气管内真空度 的影响等。 由此可见，应用该普遍适应性模型到特定发动机，以及发动机的不同运行