（动力机械及工程专业论文）ty3100非道路用柴油机整机系统建模与仿真.pdf

摘要 能源和环保是当今世界发展的两个主题。随着经济社会的发展，非道路用 柴油机的污染物排放问题日益得到人们的普遍关注。世界主要国家均制定了非 道路用柴油机的排放法规。柴油机整机系统建模仿真，在柴油机设计、性能改 进方面发挥了越来越重要的作用，而且有着实验无法比拟的优越性。因此，本 文对t y 3 1 0 0 非道路用柴油机进行整机系统建模仿真，为改善该柴油机性能提供 依据。 本文首先探讨了基于g t - p o w e r 软件的t y 3lo o 非道路用柴油机整机系统建 模方法，主要包括以下内容：介绍了柴油机整机系统仿真的数学模型，详细分 析了所采用的物理模型，包括缸内燃烧、传热及气体交换模型、管道摩擦损失、 压力损失和传热模型等；探讨了模型中各模块参数的确定，包括：进排气系统 的结构参数、迸排气门升程及流量系数、燃烧和传热模型参数、摩擦损失等。 利用所建整机系统模型，对该柴油机的外特性进行了模拟计算，结果表明，模 拟结果与实验数据吻合良好。在此基础上，详细讨论了进气道管壁温度、传热 系数、摩擦系数、压力损失系数等参数对计算结果的影响程度，有助于把握建 模精度。 其次，对标定工况( 2 3 0 0 r m i n ) 、最大转矩工况( 1 7 0 0 r m i n ) 的性能进行了全面 分析，包括缸内工作过程、进排气流动特性。分析结果为t y 3 1 0 0 柴油机的性能 研究和改进设计提供了必要的数据及理论依据。 另外，本文还在以下几个方面开展了深入的模拟研究：( 1 ) 在迸气系统方面， 考察了进气系统管路的长度和直径对发动机进气性能的影响；为改善各缸进气 均匀性，重新设计了进气歧管，比较了进气歧管各出口流量以及各缸充气效率。 ( 2 ) 在排气系统方面，分析了排气歧管的长度和直径对充气效率、排气压力波动 的影响；为改善排气性能，加长且加粗排气歧管，大大改善了排气过程中出现 的排气倒流的现象。( 3 ) 在研究压缩比时，主要探讨了压缩比变化时的仿真计算 方法；还考察了喷油正时对发动机性能的影响规律。( 4 ) 在研究配气系统时，考 察了配气相位( 进气门迟闭角度、排气门开启角度、气门叠开角度和气门间隙) 对发动机性能的影响。计算结果表明，进气门迟闭角度、气门叠开角度和气门 间隙对充气效率影响明显，而发动机转矩、油耗随排气门开启角度变化较大。 通过对模拟结果的分析，为t y 3 1 0 0 非道路用柴油机的改进设计和性能优化提供 重要的理论依据。 关键词：非道路用柴油机，整机系统建模，性能优化，g t - p o w e r a b s t r a c t e n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a v eb e c o m et w om a i nt h e m e so ft h e c o n t e m p o r a r yw o r l d a ss o c i e t ya n de c o n o m yd e v e l o p i n g , t h ep r o b l e mc a u s e db y n o n r o a dd i e s e le n g i n ee m i s s i o nh a sb e e nw i d e l yd r a w i n gp e o p l e sa t t e n t i o n ，a n dl o t s o fc o u n t r i e sh a v ee s t a b l i s h e dn o n r o a dd i e s e le n g i n ee m i s s i o nr e g u l a t i o n c o m p a r e d t oe x p e r i m e n t ，i n t e g r a t e ds y s t e mm o d e l i n go fd i e s e le n g i n ei so fg r e a ta d v a n t a g ea n d p l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nd i e s e l s d e s i g na n dp e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t t h e r e f o r e ， i n t e g r a t e ds y s t e mo ft y 3 10 0n o n r o a dd i e s e le n g i n ew a sm o d e l e di nt h i st h e s i si n o r d e rt op r o v i d er e f e r e n c e sf o rp e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t f i r s t l y ，i n t e g r a t e ds y s t e mm o d e l i n gm e t h o do ft y 3 10 0n o n - r o a dd i e s e le n g i n e b a s e do ng t p o w e rw a sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h em a i ni t e m si n c l u d et h e f o l l o w i n g ：t h em a t h e m a t i cm o d e l sa p p l i e d t os i m u l a t i o nw e r ei n t r o d u c e da n d a p p r o p r i a t ep h y s i c a lm o d e l sa d o p t e di nt h i st h e s i sw e r ea n a l y z e di nd e t a i l sw h i c h i n c l u d ec o m b u s t i o nm o d e l s ，h e a tt r a n s f e ra n dg a se x c h a n g em o d e l si n s i d et h e c y l i n d e r , f r i c t i o nl o s s ，p r e s s u r el o s sa n dh e a tt r a n s f e rt h r o u g hp i p e sa n ds oo n t h e n t h em o d u l ep a r a m e t e r so ft h em o d e lw e r ed i s c u s s e da tl e n g t hs u c ha st h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r so fi n t a k ea n de x h a u s ts y s t e m ，l i f tp r o f i l ea n dd i s c h a r g ec o e f f i c i e n to f v a l v e s ，t h ep a r a m e t e r so fc o m b u s t i o na n dh e a tt r a n s f e rm o d e l ，t h ef r i c t i o nl o s se t c t h ee n g i n ep e r f o r m a n c ew a ss i m u l a t e da n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa g r e e dw e l lw i t h t h ee x p e r i m e n td a t a i no r d e rt oi m p r o v et h ep r e d i c t i o na c c u r a c y , t h es e n s i t i v i t i e so f s o m ep a r a m e t e r sw e r ei n v e s t i g a t e ds u c ha si n t a k ep o r t sw a l lt e m p e r a t u r e ，h e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，p r e s s u r el o s sc o e f f i c i e n ta n ds oo n s e c o n d l y , t h es i m u l a t i o n su n d e rr a t e dc o n d i t i o na n dp e a kt o r q u ec o n d i t i o nw e r e c o n d u c t e d t h em a i np e r f o r m a n c e sw e r ea n a l y z e dw h i c hi n c l u d ew o r k i n g - p r o c e s s i n s i d et h ec y l i n d e ra n df l o wc h a r a c t e r i s t i ct h r o u g hp i p e s t h ea n a l y s i sc a np r o v i d e r e f e r e n c e sf o rt h er e s e a r c ha n di m p r o v e m e n to ft h ed i e s e le n g i n ep e r f o r m a n c e t h i r d l y , t h ef o l l o w i n ga s p e c t sw e r e a l s on u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t e d ：( 1 ) t h ee f f e c t s o fp i p e sd i a m e t e ra n dl e n g t ho nv o l u m e t r i ce f f i c i e n c yw e r es t u d i e df o rt h ei n t a k e i i m a n i f o l d i no r d e rt o i m p r o v ei n t a k eh o m o g e n e i t y , t h e s t r u c t u r eo ft h ei n t a k e m a n i f o l dw a sr e d e s i g n e d ；d i s c h a r g er a t ea n dv o l u m e t r i ce f f i c i e n c yo fe a c hc y l i n d e r w e r ec o m p a r e d ( 2 ) t h ee f f e c t so fp i p e sd i a m e t e ra n dl e n g t ho np e r f o r m a n c e ( e s p e c i a l l yt h ee x h a u s tp r e s s u r ef l u c t u a t i o n ) w e r es t u d i e df o r t h ee x h a u s tm a n i f o l d ；i n o r d e rt oi m p r o v ee x h a u s tp e r f o r m a n c e ，e x h a u s tm a n i f o l d sw e r ed e s i g n e dl o n g e ra n d t h i c k e rw h i c hc a np r e v e n tb a c k - f l o w i n gf r o mh a p p e n i n gi nt h ee x h a u s tp r o c e s s e f f e c t i v e l y ( 3 ) w h e nc o m p r e s s i o nr a t i ow a ss t u d i e d ，h o wt os i m u l a t et h ei n f l u e n c eo f c o m p r e s s i o nr a t i oo nd i e s e l sp e r f o r m a n c ew a sr e s e a r c h e d ；a l s o t h ei m p a c to f i n j e c t i o nt i m i n go np e r f o r m a n c ew a si n s p e c t e d ( 4 ) w h e t lv a l v et i m i n gw a ss t u d i e d ， t h ei n f l u e n c e so fi n t a k ev a l v ec l o s i n g ，e x h a u s tv a l v eo p e n i n g , v a l v eo v e r l a p p i n ga n d v a l v el a s ho np e r f o r m a n c ew e r ea n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a ti n t a k ev a l v e c l o s i n g ，v a l v eo v e r l a p p i n ga n dv a l v el a s ha f f e c tv o l u m e t r i ce f f i c i e n c yal o t ，w h i l et h e i n f l u e n c eo fe x h a u s tv a l v eo p e n i n go nb r a k et o r q u ea sw e l la st h ef u e lc o n s u m p t i o n w a sm o r eo b v i o u s t h ea n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t sc a np r o v i d ei m p o r t a n t t h e o r e t i cg u i d a n c ef o ri m p r o v e m e n ta n do p t i m a ld e s i g n so ft y 310 0n o n r o a dd i e s e l e n g i n e k e yw o r d s ：n o n r o a dd i e s e le n g i n e ，i n t e g r a t e ds y s t e mm o d e l i n g ，p e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o n ，g t - p o w e r i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。 尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它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。 一一i 譬日 签名ji 塾 日 学位论文使用授权书 期：坦巡 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关 机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一j 阜 导师躲翌 武汉理t 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文研究的目的及意义 非道路用柴油机是指工程机械、农业机械f 包括林业机械、渔业机械、场院 机械、农副产品加工机械1 等非道路片 机械所配备的柴油机。非道路用柴油机作 业条件较差( 无迎j ) ( l 面、冷却条件差) 、工作环境大多比较恶劣( 受冲击和振动、 飞尘大、负荷重) ，比车用柴油机使用的功率范围更宽广，所使用的机油质量难 咀保证，要求储备较大的转矩，对发动机的可靠性、加速性、经济性、启动性 有较高的要求。 随着经济的持续高速发展非道路用柴油机的使用越来越多。城市化进程 加快，大规模城市建设使用了大量的工程机械；农业的发展，特别是农业机械 化进程的加快，增加了农业对柴油机的需求，截至2 0 0 4 年底，全国农业机械总 动力达到6 4 亿千瓦，比上年末增长了6l 。非道路用柴油机尾气排放对大气 污染的贡献率越来越大。图1 1 为美国各种移动污染源对排放贡献比例图【1 l ，非 道路用柴油机对n o ，排放贡献达1 6 。在其他污染物的排放中，非道路用柴油 机也做出了不小的比例。 图1 - 1 美国各种移动污染源对n o ，排放贡献 非道路用柴油机的排放门益得到人们的重视，各国先后制定了非道路用柴 油机排放法规。车用柴油机的排放控制技术有了比较深入的研究，但是针对非 道路柴油机的排放控制技术研究相对较少。虽然用丁车用柴油机排放控制技术 i i 例懈 三三 j j 蛐m懈雠帅蜘= = _ 武汉理工大学硕十学位论文 可用于非道路用柴油机，但因其高成本，限制了在非道路用柴油机上的应用。 发动机研发采用传统的试验研究方法不但周期长、费用高、适应性差，而 且往往不能得到有关的详细信息。随着计算机技术的发展，预测模型的不断完 善，采用商业软件( 如g t - p o w e r ) 进行发动机整机系统仿真在发动机研制和开 发中得到了广泛的应用，不仅解除了设计者的繁重劳动，还可以大幅度缩短研 制周期，因此发动机整机系统仿真已经受到国内外的高度重视。 目前国内用于拖拉机和中小型工程机械配套动力的非道路用柴油机由于价 格较低，非常有必要降低研发成本，采用包括发动机整机系统仿真在内的c a e 技术可以发挥其作用。因此，本文应用发动机性能仿真分析软件g t - p o w e r 对 t y 3 1 0 0 非道路用柴油机进行整机系统建模仿真，探讨将循环模拟计算应用于非 道路用柴油机设计和改进的关键技术；并对计算结果进行深入的研究，分析提 高该柴油机性能的方法，为t y 3 1 0 0 非道路用柴油机的改进设计和性能优化提供 理论依据。 1 2 发动机工作过程分析研究的进展与现状 发动机整个工作过程主要包括复杂的进、排气系统和缸内工作过程，涉及 到极其复杂的气体流动、喷雾、燃烧及有害废气生成等，直接影响到内燃机的 动力性、经济性、可靠性、燃烧噪声及排放性能等，是发动机研究者关注的焦 点。 对于发动机工作过程的研究可以采用实验和数值模拟方法。采用实验方法 对工作过程进行研究，不但周期长、费用高、适应性差，而且往往不能得到有 关的详细信息。就实验来说，虽然在其它领域发展了许多流动的测量方法，如 利用激光多普勒技术研究缸内气流的速度场、湍流特性流量计法中的皮托管法、 偏流法、热线法、热膜流速法。显示方面有壁面轨迹法、丝踪法、示踪法、纹 影法、激光全息干涉法等【2 】。但由于柴油机工作过程被完全封闭在机体内部，气、 液体流动、喷油雾化和燃烧放热等机理十分复杂，这使得很多工作过程如三维 流动与喷雾燃烧问题异常难做，尽管如此，实验作为一种研究工作过程的有效 手段仍然被采用。但随着计算机和计算流体力学的发展，柴油机工作过程的数 值模拟已经受到国内外专家的高度重视。 发动机缸内工作过程不但涉及复杂的三维非稳态流动，还涉及燃油的喷射、 2 武汉理工大学硕士学位论文 雾化及燃烧等。对缸内工作过程的数值模拟研究一般分为零维模拟、准维模拟 和多维模拟。零维模拟是把整个气缸处理为均匀场，进行整体分析计算，主要 分析整体性能。准维模拟是将缸内分区进行计算，这样将空间非均匀性能引入 计算，使缸内计算能更准确。采用零维、准维模拟方法进行模拟的软件主要有 g t - p o w e r 、b o o s t 等。然而要想了解和掌握缸内各参数随时间和空间的分布和变 化规律，从而进一步洞察缸内过程详细机理，就必须采用多维瞬态数值模拟才 能实现。目前已有的比较成熟的缸内工作过程多维数值模拟软件有f i r e 、 s t a r - c d ( e s i c e ) 、k i v a 等。通过模拟可以分析整个工作过程缸内流动的详细 情况，用于优化内燃机进、排气道及燃烧室结构；对于喷雾发动机进行燃油喷 射数值模拟可以得到整个喷雾燃烧过程的燃油组份及喷雾粒子的空间分布，用 于优化喷嘴结构及喷油规律；对于火花点火发动机，通过计算可以找出最佳点 火位置。 目前，内燃机的整机工作过程数值模拟的研究工作十分活跃，通过整机数 值模拟对内燃机开发、改进以及对性能参数进行优化匹配已有大量的报道。而 且要想真正解决问题，应采用整体与系统的观点，实现综合性的数值模拟计算， 从而使整个内燃机的工作性能达到最佳，为内燃机设计提供更为有利的支持。 1 3 发动机循环模拟计算的发展概况 所谓发动机循环模拟计算，就是从发动机各系统的物理模型出发，用微分( 常 微分或偏微分) 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， 用计算机循环求解微分方程，以求出气缸内各参数随时间( 或曲轴转角) 的变化规 律。计算中考虑到气缸内的热力过程、传热过程、燃气性质、气体流动、充量 更换过程、废气涡轮增压器的特性及其与发动机的配合等问题，所以计算结果 比较符合实际情况【3 1 。 因此，对发动机进行整机性能循环模拟计算可以建立起发动机的各种结构 参数和性能指标间的数量关系，从而在设计阶段可以预测发动机的性能和排放， 根据预测结果改进设计方案，进而节省大量的中间试验环节，降低成本，达到 优化设计的目的。目前，发动机整机性能循环模拟计算在发动机研发、改进设 计等方面得到了广泛的应用。 武汉理工大学硕+ 学位论文 1 3 1 发动机循环模拟计算国内外研究现状 发动机循环模拟计算包括进、排气系统，配气系统的循环模拟和燃烧，传 热及气体交换循环模拟等多方面的模拟内容。这就需要建立各种简化的数学和 物理模型使方程简化，通过发动机各个系统循环模拟的结果或实验数据作为边 界条件和参数作为输入数据进行性能模拟计算。一般来说，发动机性能的循环 模拟技术包括数学和物理模型的建立及选择、模拟计算求解、实验验证等几个 方面。下面就本文所涉及到的发动机性能循环模拟计算的几项关键技术的发展 和应用状况进行介绍【4 1 。 ( 1 ) 气体交换模型 气体交换模型的主要内容就是对气体流动进行综合模拟。包括缸内工质流 动和迸、排气系统的工质流动的循环模拟，其中本文主要是对进、排气系统的 工质流动进行了研究。 描述进排气管系气体流动特性的数学模型有零维模型、一维模型和多维模 型。零维模型也即容积法，其基本思想是：气体在管系内的流动过程被认为是 准稳态的，管系被视为一个容器，在所研究的容器容积内，忽略压力波传递所 需要的时间，各状态参数只是时间的函数，与空间位置无关。该模型可用于流 程很短、波动传递时间可以忽略的管道计算，特点是计算速度快，但对于长的 管系或多缸高速发动机由于顺序发火而引起的压力波动就不太适用。 一维模型考虑了沿管长方向上压力波传递的时间影响，认为管内压力波的 传递不但随时间变化，而且在同一时刻，沿管长方向不同位置处压力波动也是 不同的。该模型能反映管路轴向尺寸变化的影响，可以比较不同管系对发动机 性能变化的影响。 多维模型能充分反映几何形状对流动的影响，一般能提供空间任意位置和 时刻的速度、压力、温度和组分浓度分布，在此基础上进行理论分析，可为改 进发动机结构提供预见性的指导。多维模型在发动机工作过程模拟计算中已广 泛被尝试，国内外研究人员在此方面做了大量的研究工作【5 ，6 1 。 ( 2 ) 燃烧模型 燃烧过程循环模拟的研究主要经历了单纯的放热规律计算、零维燃烧模型、 准维燃烧模型和多维燃烧模型四个阶段。 燃烧放热规律的计算，是指由缸内压力数据，根据能量守恒方程和经验传 4 武汉理工大学硕士学位论文 热公式，推算燃油燃烧的放热过程，用以分析内燃机的燃烧。这种方法比较简 便、直观，对诊断燃烧有一定作用，但难以反映细节，因此作用有限。 零维燃烧模型是将燃烧过程假设为瞬态的均匀过程，假设研究对象的场函 数与空间无关。利用实验参数，选取合适的函数去逼近燃烧过程，可以提供发 动机燃烧过程的总体信息，预测放热率，从而能从总体上掌握燃烧室内进行的 过程及其有关参数随时间的变化关系。零维模型一般有以下特点：假定系统 边界内各点的热力状态和化学组分完全相同，各参数只随时间变化。假定燃 油完全燃烧，放热规律用若干经验公式或半经验公式描述，通过其参数调整可 使模型的放热率与实际放热曲线基本吻合，更为重要的是模型的某些工作指标， 如功率、燃油消耗率、最高燃烧压力等必须与实际燃烧过程相符。零维模型计 算简单、求解容易，能预测一些参数的变化对发动机性能的影响，但是，零维 模型对实验的依赖性较大，且由于把缸内工质假定为均匀分布，无法描述喷雾、 油滴蒸发、混合、卷吸及工质运动等重要物理过程以及非均匀温度场对有害排 放物的影响，故不能用于有害废气预测，不能分析喷雾、蒸发、混合等过程对 燃烧过程的影响。零维燃烧放热模型很多，较常用的有w e i b e 模型和w a t s o n 。 准维模型就是在热力学模型的基础上考虑喷雾及火焰传播等物理过程的长 度尺寸，把燃烧室按火焰位置或喷注空间分布形态分成两个以上的区域，分别 考虑喷雾分散、油滴蒸发、混合与卷吸、燃烧与火焰传播及已燃区燃烧产物变 化等子过程，组成燃烧模型预测缸内不同区域的燃烧温度，并针对不同机型侧 重不同的子过程，使放热率更接近实际，并且能预测有害排放物浓度。各种准 维燃烧模型有：汽油机的准维燃烧模型：汽油机准维模型中最简单的是两区 模型，它是将燃烧室以球面为边界划为已燃区和未燃区，二者各自处于热力平 衡状态。同理，准维模型还有多区模型。而在准维模型中质量燃烧率的计算是 半经验性的，一般考虑缸内气流湍流运动的影响。常用的方法有湍流燃烧速度 模型、湍流卷入模型。柴油机的准维模型主要有三种：以广岛模型为主的喷 注雾化模型、以c u m m i n s 模型为代表的气态射流模型、以池上模型为主的概率 工程模型【7 】。面对准维模型的蓬勃发展，国内内燃机工作者对国外提出的各种模 型也进行了发展和完善【8 9 j 。 多维模型是在遵循质量、动量和能量守恒的基础上，进一步考虑了燃烧室 中压力、温度、工质成分和流体速度等的三维结构，通过求解支配燃烧现象的 物理、化学过程的基本微分方程，可以确定工质的流动特性及有关燃烧产物的 武汉理1 二大学硕士学位论文 组分、浓度等参数的空间分布。多维燃烧模型全面考虑了内燃机的工作过程， 包括多维、多组分气体流动，油束的形成和发展，预混燃烧和扩散燃烧，所涉 及的领域包括湍流、多相流、燃烧化学反应、传热等。目前，多维模型己发展 到一定的规模，可以模拟计算内燃机缸内的气体流动、柴油机油束的发展、预 混燃烧和扩散燃烧各过程【1 0 】。 近年来k 吨湍流模型、r n gk - 湍流模型、d d m 喷雾模型、n o x 反应模型 以及l e s 大涡模拟等新的计算方法得到广泛应用，国内外有关多维模型的论文 成倍增长【1 1 , 1 2 , 1 3 】。目前，人们已广泛地认识到了多维模型的可行性，并坚信多维 模型是模拟技术发展的必然归宿，其最终将以速度高、应变力强、经济有效等 优点，成为内燃机研究与设计的一种基本手段。 ( 3 ) 传热模型 2 0 世纪2 0 年代n u s s e l t 就提出了著名的内燃机气缸内传热公式，随后 b r i l i n g 、e i c h e l b e r g 、p f l a u m 、w o s c h n i 等，先后在各自的试验基础上建立了气 缸内传热系数公式。目前这些公式大致可分为三类：第一类是以n u s s e l t 公式 为基础，认为影响传热过程的因素为工质的压力、温度和活塞平均速度；第二 类以相似准则为基础，考虑到工质的物理特性；第三类考虑放热系数沿受热零 件表面不同位置的分布。放热系数不仅与工作过程有关，而且与结构参数也密 切相关。不同的学者对以气缸内温度和压力作为主要影响因素并不怀疑，但对 于气缸内工质流动速度如何正确反应到传热公式中争议较大。虽然一般用活塞 平均速度来表征气缸内工质流速的影响，但各学者对其影响程度的估计存在差 异【7 1 。 ( 4 ) 计算方法 循环模拟模型研究的关键之一是对其一阶拟线性偏微分控制方程的数值求 解问题，现已发展应用的主要计算方法有：特征线法、有限差分法和有限容积 法。几种离散求解方法各有优缺点【l4 1 ，比较如下： 特征线法算法成熟，物理概念清楚，在边界条件方面积累了大量的经验， 但其缺点是质量流量误差较大，在温度较高、压力变化较为剧烈时尤为明显。 由于特征线法不如直接求解偏微分方程组方便，所耗机时也较高，因此已逐渐 被精度更高、速度更快的直接求解偏微分方程组的有限差分法和有限容积法所 替代。 有限差分法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，数学 6 武汉理工大学硕+ 学位论文 概念直观，表达简单，是发展较早且比较成熟的循环方法。其计算速度和计算 精度优于特征线法，且网格生成可以使有限差分法应用于不规则区域。但是对 区域的连续性等要求较严，对不规则区域处理繁琐。因此在处理缸内流场的气 道与燃烧室一类的结构时很难获得相应的精度。 有限容积法又称为控制体积法，是近来内燃机进排气管系非定常流动计 算研究中广泛应用的方法，其基本思路是：将计算区域划分为一系列不重复的 控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个 控制体积积分，便得出一组离散方程。因此，这种方法便于用来计算具有复杂 边界区域的流体运动。由于内燃机气体流动计算的计算域边界非常复杂，近年 来有限容积法在内燃机气体流动模拟的数值计算中得到了越来越广泛的应用。 本文对发动机进行循环模拟时采用有限容积法进行计算。其具体计算理论及方 法可参考相关文献【1 5 j 。 总之，经过几十年的发展，发动机整机工作过程的数学模型已初步形成， 并且随着计算机软、硬件的飞速发展，发动机整机性能循环模拟计算取得了长 足进步【1 6 1 7 ，l8 1 。 1 3 2 发动机循环模拟计算国内外应用现状 在国外发动机循环模拟的研究和应用首先开始于各大学和研究机构，其中 比较著名的有英国的u m i s t 大学、b a t h 大学、德国的r u h r 大学、美国u w 大 学、r i c a r d o 公司和p e i 公司。如英国曼彻斯特大学( u m i s t ) 开发了m k - 1 4 ( 原代 码) 。我国从2 0 世纪8 0 年代初起，即紧跟国际潮流开展了这一领域的研究工 作。1 9 8 5 年，清华大学内燃机教研室引进了英国u m i s t 的m k - 1 4 程序，并 使之简化用于小型计算机上，以适应当时的国情。在2 0 世纪8 0 - - 9 0 年代，这 些程序陆续在当时的第一汽车制造厂、第二汽车制造厂、北京内燃机厂等大型 企业中应用。二汽6 1 0 0 q 和北内4 9 2 q 汽油机利用此程序改进后的进、排气系 统，都使整机充气效率得到明显提高。 2 0 世纪9 0 年代以来，一批商用发动机循环模拟软件的开发，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 、美国西南研究院v i p r e 等，标志着发动机循环模拟已达到实用化的程度。发动机数值模拟的应用领域 相当广泛：应用热力测量和计算进行发动机工作循环分析，包括燃烧放热分 7 武汉理工大学硕士学位论文 析、摩擦损失分析、气体交换分析( 充气效率、空气分配、泵气损失等) 。通过 一维气体动力学计算进行进排气系统以及气门正时的优化。增压系统的匹配。 新发动机运行特性的预测。采用三维模拟对部件进行优化。发动机与整 车模拟相结合。 随着研究工作的不断深入和相关技术的迸一步发展，发动机循环模拟技术 在国内也得到进一步的发展和应用。目前，国内一些汽车和摩托车企业也开始 进行相关研究及应用，并取得了一定的成果。如东风e q 4 9 1 化油器改电喷机型 对进排气系统改进时，应用g t - p o w e r 软件进行进气管总容积、进气歧管长度的 优化匹配以达到谐振进气的效果；优化排气歧管长度减少压力波对扫气的干扰； 确定三元催化剂在排气管上的布置位置【1 9 , 2 0 】。第一汽车集团公司技术中心对高原 机、内部e g r 、复合增压、发动机制动、排气制动、活塞运动规律分析、气体 流动噪声等方面应用此软件进行了尝试【2 l 】。华中科技大学应用g t - p o w e r 的图形 化前处理程序和各种噪声与声学分析模块对消声器进行辅助设计，不仅预测消 声器特性，并反应出不同结构消声器对发动机性能的影响【2 2 】。上海交通大学采 用a v l b o o s t 软件进行了配气相位对发动机性能影响的模拟计算，并对原型发 动机的配气相位进行了优化，最终通过实际试验验证了优化结果【2 4 】。江苏大学 利用a v l b o o s t 软件建立了增压柴油机整机计算模型，探讨分析柴油机增压器 型式、排气管结构、压缩比以及供油提前角等参数对整机性能的影响【2 5 1 ，江苏 大学还采用g t - p o w e r 研究废气再循环对柴油机性能和排放的影响。经实验验 证，使用g t - p o w e r 软件建立的模型能够准确预测柴油机性能和排放【2 6 】。大连理 工大学利用g t - p o w e r 软件探讨了金属燃烧室壁面温度、喷涂绝热材料壁面温度 以及镶嵌绝热材料壁面温度变化对柴油机传热、性能和排放的影响【2 7 】。此外， 应用g t - p o w e r 进行气门升程曲线和正时的优化、涡轮增压器，废气旁通阀的匹 配、气缸部件的热分析、燃烧分析、排放分析，增压器的响应分析、瞬态空燃 比分析以及与s t a r c d 耦合进行流动三维的研究在国内发展也很成熟。 发动机循环模拟计算仍存在一些不足之处： 首先，目前它仍离不开物理模型，因为一般要借助于物理模型或相似模型 的研究来建立和检查数学模型，并需要通过实验来确定一些边界条件和系数， 因而它还不是一种独立的研究手段。 其次，由于发动机工作过程的复杂性，因此它还不能准确、详尽地描述出 实际过程各阶段的物理现象和本质。由于对某些复杂问题还不够了解，因此建 武汉理工大学硕士学位论文 立数学模型之前要对实际系统进行概括和抽象。计算中有的还须借助于经验或 半经验公式，这些都增加了数值解法的误差。 最后，有些计算所采用的经验公式( 如滞燃期、传热系数等) 都是来自不同 条件和不同类型发动机的实验结果，还不能通用，使用时要恰当选择。 总之，尽管发动机循环模拟计算目前仍存在某些不足，但是由于它在发动 机研究中的特殊地位和广泛用途，仍使其不失为发动机性能和实验研究的一种 有力工具，它将有效指导发动机的设计和实验工作向前发展【2 8 】，同时随着研究 的深入，这种模拟方法定会日臻完善。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要研究工作是以t y 3 1 0 0 非道路用柴油机为研究对象，综合内燃机学 理论、发动机循环计算方法及实验测试等手段，利用g t - p o w e r 软件对t y 3 1 0 0 非道路用柴油机进行整机系统建模仿真，研究了部分参数对发动机性能的影响， 并探讨了循环模拟计算的应用。 ( 1 ) 介绍了柴油机整机系统仿真的数学模型，详细分析了采用的物理模型， 包括缸内燃烧、传热及气体交换模型、管道摩擦损失、压力损失和传热模型等。 ( 2 ) 将t y 3 1 0 0 柴油机分解成若干个容易处理的子系统，利用g t - p o w e r 软件 建立了t y 3 1 0 0 柴油机的整机系统工作模型，给出各部件主要参数和边界条件。 利用该模型，对外特性( 主要考虑动力性和经济性) 进行模拟计算，并与实验数据 进行对比，验证仿真模型的可靠性。 ( 3 ) 为了提高建模准确性，把握建模精度，详细讨论了进气道管壁温度、传 热系数、摩擦系数、压力损失系数等参数对计算结果的影响程度。 ( 4 ) 通过模拟计算对t y 3 1 0 0 柴油机标定工况( 2 3 0 0 r m i n ) 及最大转矩工况 ( 1 7 0 0 r m i n ) 的性能进行了全面分析，包括缸内工作过程、进排气流动特性，为 t y 3 1 0 0 柴油机性能研究提供了必要的数据及理论依据。 ( 5 ) 对t y 3 1 0 0 柴油机的部分结构、控制参数进行了探讨：研究了进、排气 系统结构对发动机性能的影响；为改善进气不均匀，对进气歧管进行改进设计； 改进了排气歧管，解决了排气过程中出现废气倒流的问题；分析了压缩比、喷 油定时、配气相位( 进气门迟闭角度、排气门开启角度、气门重叠角度以及气门 间隙) 对发动机性能的影响，为该柴油机性能改进提供依据。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章柴油机工作过程的数学物理模型 2 1g t - p o w e r 软件简介 g t - p o w e r 是一款包括高级发动机设计概念在内的发动机仿真分析软件，应 用范围非常广阔。它基于一维流动理论，由零部件单元组成( 如气缸、增压器、 气门、曲轴箱、控制单元等) ，包括传热、燃烧、喷油等热力学、流体力学、化 学动力学模型。应用有限差分原理、质量守恒原理和能量守恒原理解决非稳态、 可压缩、非线性的一维流动。 g t - p o w e r 可模拟点火式发动机、压燃式发动机、二冲程或四冲程机、增压 机等多种活塞式发动机。可用于预测稳态或瞬态的发动机性能，如：所有管路 段的流量和流速，工质的温度和压力，发动机充气效率、功率、转矩，燃烧率 模型，汽油机n o x 的排放，柴油机n o x 和微粒排放，催化剂化学反应，传热， 麦克风测量的外部噪声，倍频分析等；还可以预测进排气管、活塞、气门等部 件的温度，同时集成了活塞、连杆、曲轴部件的机械力学模型，可计算飞轮处 的瞬时转矩和瞬时转速等。g t - p o w e r 可详细模拟空气和燃料混合、气相和液相 混合、燃烧产物混合，以及喷油产物和燃烧产物在排气系统中流动等现象所产 生的影响。用户可在非常宽泛的范围内按任意比例模拟合成n 2 、0 2 、h 2 0 、c 0 2 、 c h 、甲醇、乙醇、h 2 等真实气体，并且可考虑环境湿度的影响。 g t - p o w e r 主要应用于进、排气管路设计，气门升程曲线和气门正时优化， 涡轮增压系统开发，e g r 系统设计，缸内热力学分析，燃烧分析，开环、闭环 控制系统设计，进、排气噪声分析，谐振腔和消声器噪声控制，瞬态涡轮增压 反应等。g t - p o w e r 软件可与s t a r c d 三维软件耦合，实现某些零部件单元( 如 进气管道、气缸、消声器等) 真实复杂三维尺寸模拟，这对发动机噪声学分析研 究十分重要。g t - p o w e r 也可与m a t l a b s i m u l i n k 进行耦合，采集循环过程中的 各参数( 如压力、温度、转速等) 输出给电控单元，经程序计算后将指令输出给执 行部件，实现喷油量、喷油正时、喷油压力、点火时刻、节气门角度等控制【2 9 】。 l o 武汉理t 大学硕士学位论文 2 2 数学模型基本原理 2 2 1 基本控制方程 g t - p o w e r 基于一维非定常流动原理，流动模型包括连续方程、动量方程和 能量方程。作为一维算法，假定发动机中工质为理想气体，管路中的气体状态 在同一截面上是相同的，气体状态只与时间和沿管长方向的位置有关。 其相关原理方程如下： 连续方程：i d m = ，；l ( 2 1 ) 能量方程：了d ( m e ) = ( 历h ) + p 警一似( 一) ( 2 - 2 ) 焓方程：d ( _ p h 厂v ) = ( 砌日) + ya 协p 一媳( 一) ( 2 - 3 ) 动量施掣：竺二坠兰掣兰二生塑! ( 2 - 4 ) 上述公式中： r h 为边界处的质量流量，是边界处有效面积、密度和速度的乘积，m 为单 位体积的质量，y 为体积，p 为压力，p 为密度，彳为流通面积，么。为传热表 面面积，e 为总比内能，等于内能与动能之和，日为焓值，h = e + 兰，h 为传 p 热系数，1 ，为边界处的速度，c ，为表面摩擦系数，c 。为压力损失系数，d 为当 量直径，出边界处沿流动方向流体流过的距离增量，和为经过d x g 巨离的压力差 3 5 1 o 上述方程考虑了管截面的变化、流体与管壁面的摩擦和传热以及熵的改变 等对气体流动特性的影响。这组偏微分方程用一般的数学方法求不出其解析解， 必须采用适当的算法。在g t - p o w e r 软件中，采用有限容积法对进排气管内气体 的一维非定常流动进行求解。 2 2 2 控制方程的离散与求解 计算方程( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) 需要设定时间步长，理论上应该设定较 小的时间步长，应小于等于压力和流动经过某一网格的时间( 一般选择其o 8 倍) 。离散化是将大部件分割成小部分以提高计算精度。通常，粗糙的离散化导 武汉理工大学硕士学位论文 致较大的时间步长和较短的处理时间，精细的离散化可以提高计算精度，不过 需要较长的处理时间