（动力机械及工程专业论文）柴油机工作过程仿真与实验研究.pdf

中文摘要 随着现代科技的发展，进行新型发动机的设计已不可避免，目自n 发动机的种 类很多，而发动机设计的好坏通常采取的方法主要是靠发动机实验台来检验。随 着计算机技术的发展，c a e 在发动机设计和试验中的应用使一部分设计工作正 逐步脱离经验设计阶段，并提供了一个快速而准确的设计手段。 本文首先介绍了发动机工作过程仿真的基本理论和方法，并且在热力学、 气体动力学和发动机基本原理的基础上，根据守恒定律和经典方程，利用现代计 算机技术和数值方法，研究了燃烧、传热、气体流动、工质热物性、机件运动以 及发动机与涡轮增压器配合之间的关系。本文根据直喷式四冲程柴油机工作过程 的特点，分析了工作介质特性参数的计算方法，建立了c y 4 1 0 2 b z l q 柴油机的 气缸内、进排气系统和废气涡轮增援器的物理数学模型。在柴油机数学模型的基 础上，建立了基于m m l a b 的增压柴油机的零维仿真模型并对其进行了模拟计算， 得到某种方案下的发动机性能模拟参数，通过对模拟计算结果与试验结果比较， 二者吻合良好，误差较小，具有实用性，为研究柴油机各种运行特性和故障现象 打下了良好好的基础。 其次，为了改善c y 4 1 0 2 b z l q 柴油机的动力性、经济性和排放性能，本文 分别设计了高次方凸轮型线、f b 2 凸轮型线和n 次谐波凸轮型线，并进行了多 次计算和优化。选择了不同配气参数的4 种凸轮方案进行了工作过程模拟计算， 并最终在模拟的基础上通过实验验证找到了一种较好的方案。 本文所研究的柴油机工作过程模拟系统，针对性强，使用方便，对硬件要求 低，为柴油机的设计工作提供了很大便利。 关键词：柴油机仿真工作过程性能 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g y , i ts e e m sn e c e s s a r yt h a tt h en e w d e s i g nm e t h o df o rt h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n es h o u l da p p e a r c u r r e n t l y , t h e r ea r e m a n ys o r t so fe n g i n e h o w e v e r , t h eo n l yt r a d i t i o n a lw a y t oe v a l u a t et h ee n g i n ed e s i g n i sb a s e do nt h ee n g i n et e s t b yt h ep a c eo ft h ec o m p u t e rt e c h n i q u e ，t h ea p p l i c a t i o no f c a eh a sg r a d u a l l ym a d et h ee n g i n ed e s i g nc a s t so f ft h ed e p e n d e n c eo ne x p e r i e n c e ， a n dp r o v i d e sah i g h - e f f i c i e n ta n dp r e c i s ed e s i g nm e t h o d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f i r s t l y , t h eb a s i ct h e o r ya n dm e t h o do ft h es i m u l a t i o no ft h e e n g i n ew o r kp r o c e s sh a sb e e ni n t r o d u c e d m o r e o v e r , b a s e do nt h et h e r m o d y n a m i c s ， t h eg a s - d y n a m i c s , t h ei c e n g i 地t e c h n o l o g y , c o n v e r s a t i o nl a wa n di t sc l a s s i c a l e q u a t i o n ，as e r i e so fr e s e a r c ho nc o m b u s t i o n ，h e a tt r a n s f e r , g a sf l o w , t h e r m o - p h y s i c a l ， a n ds oo n ，h a sb e e nc o n d u c t e di nt h eg i v e nc h a p t e r i nr e g a r d i n gt h ec h a r a c t e r so ft h e d i r e c t i n j e c t i o nd i e s e l ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sam a t h e m a t i c s p h y s i c sm o d e l f o rt h e d i e s e lo fc y 41 0 2 b z l q f u r t h e r m o r e ，a c c o r d i n gt ot h i sm o d e l ，az e r o - d i m e n s i o n s i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nm a t l a bf o rt u r b o c h a r g e dd i e s e lh a sb e e nb u i l tu pa n da s i m u l a t i o np r o c e s s ，w i t ht h i sm o d e l ，h a sb e e nc o n d u c t e do ns o m ec a s e so fd i e s e l p e r f o r m a n c e b yc o m p a r i s o nt h es i m u l a t i o nr e s u l tw i t ht h et e s td a t a ，t h e yg r o s s l y m a t c he a c ho t h e rw i t h i nar e l a t i v es m a l lt o l e r a n c e ，a n daf m ef e a s i b i l i t yi sp r o v e d a l l m e n t i o n e da b o v eb u i l d sas u b s t 强t i a lf o u n d a t i o nf o rt h en e x tr e s e a r c ho nt h ed i e s e l f a i l u r ea n dw h o l ep e r f o r m a n c ed m r a c t e r s s e c o n d l y , b a s e do nt h ew o r k sm e n t i o n e da b o v e ，t h i sd i s s e r t a t i o nc o n d u c t sd e e p l y r e s e a r c ho nt l l et r a g e d yo nc h o o s i n gc a ms h a p el i n et y p ef o rt h ed i e s e le n g i n eo f c y 410 2 b z l q ，a n da c c o r d i n gt ot h er e s u l tf r o mt h ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o n ，am o r e i d e a ls o l u t i o n w h i c hi sv e r i f i e db ym e a n so f e x p e r i m e n t ，h a sb e e nf o u n d i ns u m m a r y , t h es i m u l a t i o ns y s t e mo fd i e s e lw o r kp r o c e s si nt h i sd i s s e r t a t i o ni s p e r t i n e n t l ya i m e da te n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，a n dw i t he x c e l l e n to p e r a b i l i t y f u r t h e r m o r e ， i tr e q u i r e sn o ts oh i g hh a r d w a r ec o n d i t i o n sa so t h e rs i m u l a t i o nt o o l s ，a l lo b v i o u s c o n v e n i e n c ef o rd i e s e jd e s i g nh a sb e e na c h i e v e d k e yw o r d s ：d i e s e l s i m u l a t i o n w o r kp r o c e s s p r o p e r t y 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，也不包含为获得叁盗盘堂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。 学位论文储签名：歹马苏哥 签字日期广2 叫年月，；闩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂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：7 弓芴爷 签字闩期：洲年 月，5 f i 导师签名： 毒之杰， 签字同期：聊年月心同 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 1 1 1 计算机发动机领域中的应用 计算机的应用领域非常广泛，据粗略估计约有三千多种，在发动机领域中计 算机的主要应用是：数值计算、数据处理及自动控制等三个方面：数值计算、数 据处理及自动控制等三个方面。 1 发动机数值计算 应用计算机进行发动机方面豹数值计算，现在已经非常普遍，发动机各种重 要计算都已经有实用程序，诸如：工作过程数值计算、工作过程参数优化计算， 涡轮增压柴油机配合计算、燃烧放热率计算、燃油系统计算、排气污染预测计算、 结构强度计算、结构强度计算、轴系扭振计算、温度场计算及热应力计算等。 2 发动机计算机辅助设计 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd s i g n ) ，简称c a d 。自1 9 6 3 年美国m i t ( 麻省理工学院) 提出c a d 以后，发展异常迅速，应用非常广泛。计算机辅助 设计是计算机图形学、数值计算及数据处理等诸方面结合的产物。发动机设计中 应用c a d 的比重逐年迅速增加。国内发动机设计中应用c a d 较早豹是上海内 燃机研究所，该所研制的“连杆设计系统”只要求输入若干个基本参数，该系统 便自动完成全部设计计算工作，并绘制出连杆零件图。 3 发动机计算机自动控剩 发动机全自动试验台是应用计算机实现发动机试验的全自动化控制。试验台 可对发动机进行多种测试，并将测试中采集的数据由计算机进行分析、计算，最 后绘制出曲线及图表。 1 1 2 发动机工作过程仿真计算的用途 发动机的性能指标取决于各工作参数，如增压压力、空2i 流踅、燃烧过量空 气系数、排气温度、爆发压力、油耗率、涡轮增压器的转速与效率等等。这些参 数是相互关联的，其中一个参数改变，其他参数也会相应变化。而这些参数又取 决于柴油机的设计和机构参数，如柴油机缸径、行程、压缩比、转速、循环供油 量、配气相位、燃烧过程的组织、进气和排气管的结构、涡轮增i 搽的结构等等。 往往结构参数的轻微变化会带来各工作参数的较人变化，从i 盯使发z 力机的州：能指 第一章绪论 标发生较大地变化。常规的工作过程计算是在对许多工作参数根据经验选定的基 础上，对工作过程的几个特征点进行估计，然后求出发动机的其他工作参数和性 能指标。显然这种方法的随意性较大，误差较大，已不能满足对柴油机越来越 高的优化设计和控制的要求。但随着计算技术的发展，计算机的应用为我们提供 了一个快速而准确的计算手段。发动机工作过程模拟计算就是指从发动机有关系 统的物理模型出发，用微分方程对系统的工作过程进行描述，然后用数值计算方 法求解建立的数学模型，得到有关参数的变化规律，进而可以了解其对发动机性 能的影响。在实际工程应用中，发动机工作过程模拟计算主要有以下用途： 1 ) 预测发动机的性能指标。在发动机制造之前，仪根据设计图样提供的结 构参数可以预测其性能指标。如不能满足设计要求则重新进行设计可以缩短 研制周期并提高研制的成功率。 2 ) 对发动机和涡轮增压器的结构进行优化。根据发动机性能指标的设计要 求，确定义主要部件的最优结构参数，如配气相位、进气和排气凸轮型线、气门 的结构尺寸、压缩比、进气和排气管结构构尺寸、涡轮增压器及中冷器的结构尺 寸等。均可进行优化，并为发动机选配合适的涡轮增压器。 3 ) 为发动机的可靠性校核计算提供依据。在发动机的设计阶段，通过工作 过程的模拟汁算、求得缸内示功图、最高燃烧爆发压力、最高压力升高率等、可 以作为动力计算和强度计算的依据；缸内温度变化规律、最高燃烧湿度、排气温 度等，可以作为热负荷计算的依据。 4 ) 进行工作过程分析。可以对许多难以通过试验测取的参数进行分析，如 滞燃期、燃烧持续期、燃烧放热率、泵气损失、排气管压力波等等。 总之，发动机工作过程的模拟计算是研究柴油机性能的有力工具，它将有效 地指导柴油机设计地设计和试验工作向前发展，同时随着研究的深入，这种模拟 计算方法定会同臻完善。 1 2 柴油机工作过程模拟的发展现状 发动机： 作模拟的发展可以追溯到早期用计算机模拟发动机的放热规律。到 了6 0 年代中期，计算机的发展为包括进排气过程在内的整个发动机工作过程模 拟创造了条件。随后，发动机缸内燃烧模型不断完善，进排气系统的数值求解方 法也得到比较大的发展。尤其到了9 0 年代初，一批商用发动机工作过程模拟软 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 国西南研究所的v i p r e 等，标志着发动机工作过程模拟已经达到了实用化的程 度。 m ，发动机工作过程模拟主要朝两个方向发展：足发展和完磐实川的发 第一章绪论 动机工作过程模拟的相关模型和计算方法，为发动机的研制丌发提供可靠、便利 的工作平台：二是利用各中先进的测试诊断设备和合理的假设推理建立发动机的 多维工作过程数学模型，为人们正确认识发动机的燃烧机理进而更好地控制燃烧 过程提供理论依据。 1 2 1 燃烧过程的模拟 缸内燃烧过程的模拟是发动机工作过程模拟的核心部分，直接影响到整个 模拟的可靠性和计算精度。燃烧模型可分为零维模型、准维模型和多维模型。受 计算机条件和多维燃烧模拟复杂性的限制，目前循环模拟中的燃烧模型仅限于零 维和准维模型。 ( 1 ) 零维模型 零维燃烧模型又称热力学模塑它将缸内燃烧过程视为瞬态均匀的过程， 通过对大量燃烧放热过程的统计分斩，找出规律性，用经验公式或曲线拟合豹方 法，建立起一种表达燃烧过程参数问的经验关系式。常见的零维模型有 a u s t e n - l y n 的三角法模型、w h i t e i m 肚s e 的准备率模型和w i e b e 函数模型等，它们 都是在6 0 年代发展起来的。国内王荣生等人在1 9 7 8 年用一个w i e b e 函数和两个 g a u s s 函数的叠加建立了适合小型高速柴油机的放热率模型。由于w i e b e 函数模 型既有一定的理论基础，又用大量的试验数据修正完善，通过选用少量的经验参 数就可获得较为满意的模拟结果，因而具有良好的通用性和实用性，是目前用得 最多的零维燃烧模型。 零维模型是建立在热力学基本方程的基础上，其突出优点是简单，计算费用 少，比较实用，但对燃烧过程有重要影响的流场、喷油方向、燃烧室形状等因素 无法加以考虑。主要用于研究预测与动力性、经济性有关的发动机特性。本文主 要采用零维模型。 ( 2 ) 准维模型 准维燃烧模型又称现象学模型，它将工质的热力参数与气缸流场联系起来研 究燃烧室的能量转换，从而可以考虑发动机的几何尺寸、混合i 的准备和转速等 因素对照燃烧特性的影响。准维模型一般将燃烧空间( 雾柬或火焰) 划分为糟干个 区域，然后计算各个分区内的温度和浓度。由于柴油t ) t 平t l 汽油机在濉合气形成、 燃烧方式上有很大区别，因而没有通用的准维模型。 对柴油机燃烧过程分析方式的不同，目前己发展了多种小同观点、不闻功能、 不同用途的柴油机准维燃烧模型，其中以美国c u m m i n s 公司l y nw r 等人j 1 9 7 5 年提出的“。e 榔噢注燃烧模型”和f f 本广岛大学广安博之等人j 1 9 7 6f ：摊m 的 “油滴蒸发燃烧模型”最具代表性，应用较为普遍，也比较成熟。i 川、wr 等人 第一章绪论 认为：在柴油机燃烧过程中，缸内工质的温度已远远超过燃油汽化的临界温度。 因此，进缸燃油只能以燃油蒸汽状态存在，根据a b r a m o v i c h 稳态气相射流理论， 推导出基本的燃油一空气混合方程，再由实验加以修正；燃烧过程的进展主要取 决于燃油一空气的混合速率，由混合速率方程控制整个燃烧过程。广安博之等人 则从单个油简的蒸发、燃烧规律出发，用以研究整个雾束内的油滴群，油滴问的 相互作用以实验确定的修正系数加以补偿。认为燃烧过程主要取决于燃油的蒸发 速率。上述两种模型仅适合直喷式柴油机，对涡流式柴油机准维燃烧模型的研究 始于7 0 年代本国内外也有不少学者对此进行了专门研究，但出于涡流燃烧室结 构和混合气形成复杂这些模型的通用性差，预测精度并不高。 1 2 2 进排气系统的模拟 进排气系统影响着发动机气流的无量特性，因而对发动机的性能有非常重 要的影响。进排气管数值模拟模型豹复杂程度与其研究目的有关，如果目标是为 缸内过程的具体模型提供输入或边界条件，则不需要很精确的进排气系统模型； 如果管内的流动是闻题的焦点，则模型需要对所发生的非定常气流现象作充分的 描述。目前，进排气系统有以下几种计算模型可供选用：零维模型、一维流动模 型和混合流动模型。 f 1 1 零维模型 零维模型又叫“充满一排空”模型或称“容积法”，它把进排气管系视为一 个零维容器，忽略管内压力波的传播，认为气流状态参数只随时间变化。作为零 维系统，所关心的只是管道进出韶总的流量及总的能量，而不必追究沿管内截面 工质状态分稚或其他细节，对中低速柴油机或在排气管比较短的情况下，特别是 为了求得整机综合热力参数或与涡轮增压器匹配计算等，容积法具有较好的模拟 精度。对于通常的容积法，各容积中气体的状态参数是密度和温度，事实说明在 某些容积( 如m p c 排气管) 中增加流速这个参数能显著提高计算精度，这称为修 正容积法。在发动机循环模拟中，容积法仍是一种有效的进排气系统模拟方法。 本文作者根据本文的实际情况采用零维模型进行模拟计算。 ( 2 ) 一维流动模型 当进排气管较长或发动机速度较高时，若仍采用容积法计算管道内的气体流 动，则会带来较大的计算误差，应考虑压力波传递的影响，采用一维非定常流动 的物理模型，即：假设管截面变化缓慢；管径与管曲率半径相比很小；在每一个 截面上流动参数是均匀的；流动参数仅随管轴向位置和时州变化。求解进排气系 统一维非定常流方程的方法很多，如特征线法、有限差分( 体私! ) 法和仃限元法等。 综观发动机模拟的发展与应f | 1 | ，我们看到，在过去的二l 多年_ j j 鼻! 已经驭 第一章绪论 得了令人瞩目的进展和丰硕的成果。今年来，在新的数理方法的借鉴和应用、数 值方法求解方法的改进和完善以及通用软件的开发和应用等方面，都有不同程度 的突破。 1 3 本文研究的目的及主要工作内容 在新设计柴油机或对现有柴油机进行改进提高时，很需要了解柴油机的一些 热力性能参数，以及与增压器的配合运转性能。但柴油机与增压器所能调整和选 择的参数很多，如喷油提前角、配气定时、压缩比、燃烧规律、转速及压气机特 性曲线和涡轮通流特性等，均对柴油机性能有很大影响，若采用改变上述某一参 数而固定其它参数的方法进行试验，这样不仅要浪费大量人力、物力和时问，而 且有些试验无法进行。 近年来，随着计算技术的迅遥发展，电子计算机已在柴油机设计、试验中得 到广泛的应用。电算从柴油机各系统的物理模型出发，假定与实际相近的边界条 件，用微分方程对柴油机气缸内的工作过程、换气过程、热交换、进、排气管压 力变化及废气涡轮增压器与柴油机的配合等进行数学描述，通过联立求解方程 组，得到各参数随时间变化的规律。在柴油机调整试验阶段，它与性能测试相结 合可指明调整的方向，对影响柴油机性能的参数作较准确的选择，从而缩短调试 周期，减少试验工作量。同时，模拟计算还能预测柴油机在某些参数变化时对性 能指标的影响，较准确、迅速地对工作过程进行多方案的比较，以确定最佳的参 数，为调整试验和提高性能提供理论依据，缩短老产品的改进提高和新产品的设 计周期。 目前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刀：发，并产 生了可观的效益。我国开展发动机工作过程模拟研究的时问并不晚，而且也取得 了些特色的研究成果，但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丌发。如前所述，柴油机工作过程模拟是预测分析柴油机性 能的重要的现代化工具。在改造老产品和开发新产品时，它都能发挥很大的作用。 为了满足国内市场对柴油机的更高要求，特别是为了适应困际市场的竞争，柴油 机制造企业迫切需要改进现有产品和发展新产品。因此，建立汁算速度快、预测 精度能满足要求而且尽可能廉价的柴油机工作过程模型是十分必要的。 发动机零维燃烧模型简单、省时，并能较准确的预测发动机的性能i 剽此选 择了零维模型作为预测发动机性能的燃烧模型。 本文在总结前人工作的基础上，结合模型研究与试验研究成果，矬j ) ：了直喷 式增压中冷柴i l l 【机r ：作过程模型，利用m a t l a b 编制了a 喷增j ! 柴_ | i 机零维仿 真计算程序，对4 1 0 2 b z i ，e 柴油机工作过程进行了仿真训竹，甜小j 7 柴汕j - jl f i f 三r 时，为亚临界流动，亚临界排气期的排气流量变化率为： 等一1 6 n 弦c - 击。 d 母 。 j r t 式中麒：排气门流量系数； p 、t 、女：气缸内工质的压力、 p ，：排气门后的排气管压力。 ( 2 4 0 ) e ：排气门瞬时的几何流通截面积 温度、绝热指数： 2 5 4 3 几何流通截面积 气门几何流通截面积，是随气门升程而变化的，气门升程曲线h 可由配气 凸轮升程曲线计算得到。f 通常按垂直于气门座的截锥台侧面积计算。其计算公 式为： f = z - 石风c o s ( d 。+ h 。s i n c o s f l ) ( 2 - 4 1 ) 式中z ：每缸的进气门( 或排气门) 数； h v ：进、排气门瞬时升程，按配气凸轮升程曲线计算： ：气i - 】座锥角；d 一气门座侯口赢径。 25 44 流量系数 将：实际流艟1 ，理论流量的差异都归结到流量系数“之- 扎它卜要墩决上气门 升程，是。i 门丌程| | 勺函数： 第二章柴油机缸内工作过稃物理数学模，觯 = 厂( 鬼( 伊) ) 通常a 值用实物或模型的静吹风试验测得。在没有试验数据的情况f 好的中高速柴油机可以采用下列经验公式： 纠m 以， 对设计较 f 2 4 2 ) 第三章进、排气系统热力过程计算 3 1 概述 第三章进、排气系统热力过程计算 废气涡轮增压柴油机进、排气系统热力过程计算时，将进、排气系统划分为 两个独立的子系统；进气管子系统和排气管子系统。进气管子系统从中冷器出口 至进气门止，包括进气总管、进气歧管及气缸盖进气道。排气管子系统从排气门 起至废气涡轮止，包括气缸盖排气道、排气歧管、排气总管及涡轮废气蜗壳。 柴油机进、排气管中的实际热力过程是很复杂的。为了简化计算，对进、排 气系统按不同的要求分别简化处理。稳定工况下运行时，进气总管的压力通常认 为不随时间而变化，视为常数。恒压系统中，因排气管的总容积大，压力波动较 小，近视认为压力不变。当排气管容积较大或长度较短时，或是进行发动机整机 综合参数与增压器的配合计算时，忽略压力波在排气管内的传播、反射、叠加， 将排气管视为一个容器，这个的容器的容积正好等于排气管的总容积，排气过程 近视为排气对这个容积的填充与排空过程。这简化计算模型，将实际不稳定的 流动过程作为准稳定流动过程处理。此时，排气管内的压力变化过程可用一组常 微分方程表达。这种计算方法称为容积法。这种方法大大简化了计算过程，运算 时间可大幅度缩短。 3 2 排气管内热力过程计算( 容积法) 3 2 1 容积法的基本假设 排气管热力过程计算时，所作的简化假设如下： ( 1 ) 排气管的容积是个常数。等于气缸排气道、排气歧管、排气总管及 涡轮进气蜗壳容积之和。 ( 2 ) 认为排气管中的状态参数只随时间f ( 或妒) 而变化。并且在足够小的计算 步长口内，把排气管g , j 不稳定流动简化为准稳定流动，即把排气过程视为排气 对容积为圪的容器准稳定流入和排出的过程。 ( 3 ) 排气从气缸经排4 i 门流入排气管，总是由n 个气缸依次流入同一根排气 管。 ( 4 ) l 于实际排。t 成分变化很小，假定排气过程中排气成分不f ：i f 叫问变化即 d a d o = 0 。 第j 章进、排气系统热力过程计算 ( 5 ) 实际排气的气体常数屹变化很小，故取r 。= 常数。 ( 6 ) 在排气管内，排气不对外作功。 3 2 2 排气管内的基本微分方程 排气管内的基本微分方程，包括能量守恒方程、质量守恒方程和理想气体 状态方程。排气管状态在前述的简化假设条件下，用三个基本微分方程表达如下： l ，能量守恒方程 掣= 孙hd 万m e 卜等一等 ， 2 质量守恒方程 等；喜( 等l 一万d m t z ， 3 状态方程 朋= 。如瓦 ( 3 - 3 ) 参照推导气缸内能量守恒方程的方法，可以推导出得排气管中排气温度l 随p 的变化率的关系式为： 等= 寺 喜卜芳j ，也等一警一m 矗等j 协。， 上述各式中为排气管内排气质量，“。为排气的比内能，f 、。为排气的定 容比热容；下标分别为：b 表示排气管，7 1 表示废气涡轮，p 表示气缸排气。 对式( 3 - 2 ) 、式( 3 - 3 ) 、式( 3 - 4 ) 联合求解，可解得排气管内排气得三个状 态参数：p 。、五、m 。 3 2 3 排气系统的散热 排气系统中的散热量( k 由三部分组成：气缸盖中排气道散热量q 。，排 气管散热量如和涡轮进气口水冷蜗壳散热量巩，。排气系统散热量q 。的实际 计算比较复杂，不同情况按不容方法处理。针对本文情况，型! 丛只需计算气缸 d 口 盖排气道散热量。排气道散热率型! 基的计算式为： d 百d q w a k = 等( 丁吸) 去 ( 3 - 5 ) 式中 c ，。：排气的定压平均比热容；t ：气缸内工质温度： 兀。：排气道出口处排气温度；n ：发动机转速。 7 1 。用卜式确定： 第三章进、排气系统热力过程计算 耻卜引e 坤f _ 鞋 + 排气道总散热面积 口。：排气对排气道的换热系数，可按下列公式计算： 以z ，卜，爿( 封瓦t b 5 1 7 式中：h 。：排气门升程；d v ：排气门座内径； d 。：排气道的平均直径；：排气管内排气温度。 3 3 排气温度计算 ( 3 6 ) 排气温度是发动机t 作过程重要参数。非增压柴油机排气温度在一定程度上 可反映发动机的热负荷。增压柴油机用排气温度计算排气能量，由此计算废气涡 轮功率。计算时排气管中的排气瞬时温度毛可由( 3 4 ) 式求得。在增压柴油机 工作过程计算中，涡轮前废气平均温度有两种计算方法，一种是以时间计的平均 排气温度毛： 乃r2 去l 却( 3 - 7 ) 另一种是以能量计的排气平均温度： 1 一，：堕釜竺 b 。， v - = 2 lj 。6 i f 。，面d m s 如 3 4 进气系统参数计算 发动机在稳定工况下运行时，只要进气总管及进气歧管的直径足够大，进气 总管中压力波动是很小的。因此，稳定工况下发动机特性计算中进气总管压力一 般视为常数，即进气管压力不随时间( 或曲轴转角) 而变化。 采用容积法对进气系统参数进行计算，计算方法与排气管计算类似，将气缸 盖上的进气道、迸气歧管、进气总管等简化为一个容积为，的容器。下面列出 进气系统汁算的基本方程。 1 进气管质量守恒方程 d i n s 2 ：竺堑一d i n s 3( 3 - 9 ) d妒d妒d9 从进气管依次流入气缸的质量变化率为： 第二章进、排气系统热力过程计算 等= 喜【割 。， 式中下标、屯、屯分别表示进入进气管前、迸气管、流出进气管后的状态。 2 进气管的状态方程 n 2 一2 = m ，2 r s 2 r 2 ( 3 - 1 1 ) 3 进气管能量守恒方程 掣地t 等一孙锐+ 等 上式可以经过整理得到能量守恒方程的另种表达式： 等2 去 芳喜( 割+ 警等j b 联立求解方程式( 3 9 ) 、式( 3 i i ) 、式( 3 1 3 ) 便可求得进气管内进气压力 只：、温度i ：及质量等他：各项参数。 3 5 中冷器的计算 中、高增压柴油机通常采用空气中间冷却器，简称中冷器。自压气机出口的 增压空气经中冷器后温度下降，使气缸在相同的进气压力下增加新鲜空气的充 量。中冷器计算纯属于一般的换热器计算。中冷器出口空气温度t 的计算公式为： i = 咒一瓦。 c ：。( 五一t + 瓦。一7 k ) 百d m w - ( 一) + 瓦， 其中中冷器冷却水温度乙计算公式为： d m ! r 。q ，+ ( 瓦训 d t 。” 除以上方法外，引入中冷器冷却系数珥后t 亦可按下式计算 l = 瓦一叩c ( & 一瓦，) 式中，砚= o ，7 l0 9 ，视中冷程度而定。 增压空气流过中冷器时压力损失可按下式计算： 匈，= 妒，o d i n , d t m s o 础 式1 5 ，甑。，为1 1 冷器礼：设计工况时的压力损失，一般取印。 增卜空。i 流过一扣冷器后出i _ ：j 压力按下式计算： p 、= p 。一匈i ( 3 1 4 ) ( 3 一1 5 ) ( 3 一1 6 ) ( 3 1 7 ) o 3 i0 5k p a 。 ( 3 18 ) 第四章废气 ；呙轮增乐器计算 第四章废气涡轮增压器计算 自由废气涡轮增压器是由压气机和燃气涡轮组成，压气机通常采用单级离心 式、径向叶轮和无叶扩压器，而燃气涡轮的型式取决于增压器的大小。小型涡轮 增压器的废气涡轮一般采用径流式涡轮，大型废气涡轮增压器则采用单级轴流式 涡轮。 废气涡轮增压器在稳定运行过程中必须满足涡轮与压气机能量平衡、流量平 衡及转速相等三个条件，这三个条件在涡轮增压器子系统数值计算中用以下三个 基本方程表达： 1 涡轮与压气机的能量守恒 睇= 取 ( 4 一1 ) 2 通过涡轮与压气机的流量平衡 嘲t=嘲【+嘲b(4-2) 式中如：涡轮流量；畹：压气机流量；：相应的燃油流量。 燃油流量廊。一般为空气流量的2 3 。有些计算中，认为增压器泄漏的 空气、燃气量大致和燃油流量相当，因此可近似认为： 坼= 机 ( 4 3 ) 3 涡轮与压气机的转速相等 盯7 = ”r = 一7 ( 4 4 ) 在计算中假定稳定工况下柴油机一个工作循环内增压器涡轮转速n ， 压气机转速及涡轮增压器转速斗w 保持恒定不变 4 1 压气机特性参数 自由废气涡轮增压器通常是单级离心式压气机。压气中空气流经径向工作叶 轮( 包括导风轮) 、无叶扩压器、出气蜗壳，此时空气由进口压力压缩至出口 匪九p 。 4 1 ，l 压气机的主要参数 爪气机1 作状况1 4 ：1 下列四个参数确定：压气机空气流鞋廊。，i ；7 机转速，7 ， 压气机进总爪i ，；，压气机进口总温巧( 或称迟滞温度) 。压。e 机i ? 能和1 一f 1 ：状 第四章废气涡轮增斥器计算 况随这四个独立参数而变化，故它们又称为压气机工作参数。表征压气机特性的 参数为增压比( 简称压比) 和压气效率r r ( 又称等熵效率) 。 1 增压比( 压比) k 压比是压气机出口压力与进口压力之比。压力一般采用总压，在书写时加 上角标“+ ”表示总压，以下如无特别说明均采用总压，但为简便书写将角标“+ ” 省去不写，记为： 厅，：丝：丝( 4 5 ) “ 厩岛 当考虑摩擦损失及撞击损失时按下式计算： 坠：墼：坠+ 1 盼吉咖| ( 4 6 ) 2 流量r h 流量表示压气机的通流能力，流量有三种表示形式：质量流量i h 。( k g i s ) ， 容积流量吱( s ) ，折合流量，函o ( 堙s ) 。压气机工作或试验可能在不同大气条 件下进行，为了便于比较需要将试验结果换算到标准海平面的大气条件 ( p o = o 1 0 1 3 2 5 m p a ，五= 2 8 8 1 5 k ) ，此时折合流量为： m ：业塑p l ( 4 - 7 ) n p2 m k l - v 衰矗 一 3 转速 压气机转速用每分钟转速或折合转速表示： 每分钟转速：n k p m i n ) ： 折合转述 。= n k ( 4 8 ) 乳：器：剖 ， 4 1 2 压气机等熵压缩功和压气机出口空气温度巧 j i i 气桃等嫡j k 缩功畋。，为： 第四章废气涡轮增压器计算 击嘲一t 压气机实际消耗功畋可用下式计算： 肌：鳖 “ 空气经压气机压缩后，温度由升高至。出口温度为： + 瓦p ， 去 式中r 考虑向外散热的冷却系数，r ：1 0 4 1 1 。 4 1 _ 3 压气机特性线图的数值表示 ( 4 一l o ) ( 4 一l i ) ( 4 一1 2 ) 增压柴油机配合计算中，需在压气机特性线图上确定配合运行点。为了使程 序能自动寻找配合运行点，要求将实验得到的压气机特性曲线用数值表示，并输 入计算机中储存。压气机特性线图的数值表示方法有以下两种：网格法( 数组存 储法) 和分析计算法。下面介绍常用的网格法。 用证交网格法离散压气机特性线图上的等嫡效率曲线和等转速曲线，读取每 个网格上的张和n ，x 值，并输入计算机中存储。压气机特性中，r i k = 石( r h 。，巩) ， ”，。= 五( r h 。，巩) 。计算中根据已知的及值用拉格朗日- - ；元3 x 3 点插值求出对应的 值。 4 2 径流涡轮特性计算 废气涡轮增压中的涡轮计算，主要是算出涡轮输出功。计算的方法有简化计 算法及理论分析法两种。理论分析计算法一般只在应用特征线法计算排气压力波 时才使用。增压器配合计算中常采用简化计算法。 4 2 1 径流涡轮效率特性 径流涡轮效率叩，是速比“c 0 的函数，r l ，= f ( u c o ) 。由于径流涡轮中流体 受离心力场作用，速度比“c o 对坼的影响较大，相对地7 ，对协的影响则较小。 根据几台径流涡轮的试验数据，得到如下的经验公式： l ：- 0 1 0 5 + 2 6 8 5 f 旦1 一o 7 6 f 旦1 2 - 1 1 7 f 旦 3 ( 4 - 1 3 ) 仍。lc 0 jlc 0 lc o j 式q ，。“涡轮最商效率，视涡轮的性能情况选定； ： ii 作叶轮外径处的圆周速度： 第四章废气涡轮增压器计算 c 0 ：由p ，绝热膨胀至p r o 的总焓降算得到理论流速。 4 2 2 径流涡轮的流量系数 径流涡轮流量系数肌的变化规律比较复杂，是速度比“g 及膨胀比口，的函 数，肼= f ( u c 0 ，研) 。随着“c o 增大，涡轮流量成线性减小，即，减小。涡 轮流量鸭及流量系数所亦随变化而变化。在数值计算中为了得到采用修正涡轮 膨胀比的方法，具体处理过程如下： 按卜式定义修正涡轮膨胀比刀舀： ：p o t - - p ：研f 1 - 当j ( 4 - 1 4 ) p o t ol 肌7 式中石，涡轮实际膨胀比；岛r p o ，o ：涡轮进口、出口总压： 如：考察涡轮转速影响( 即旋转速度头影响) 的压力修正值。 垒：坐 风，风r 式中：涡轮绝热焓降：风r ：涡轮进1 = 1 焓。 将上两式整理后得： ( 4 1 5 ) 式中：工作叶轮外径处( 进口处) 轮周速度。 经过上述修正处理后，可得到如下近似式： 一，s ，一上2 0 z r 氅+ 等鼯型f 1 6 - 10 1 )一 一 一1 8 【_ 1 4 2 3 径流涡轮流量特性 径流涡轮质量流量廊，可用下式计算 哺- 吒焘 式中，流量系数：咒。等效喷嘴通流面积： r e , 修正涡轮膨胀比。 4 2 4 涡轮输出功 t 流涡轮输f n 功彬l r 用下式计算： 7 2 0 ( 3 6 0 ) = d = o ( 4 17 ) ( 4 1 8 ) 煮 一 第四章废气涡轮增乐器计算 毗”毗扣弓闩 2 7 ( 4 1 9 ) 第无章c y 4 1 0 2 b z l q 柴油机i ：作过群仿贞 第五章c y 4 10 2 b z l o 柴油机工作过程仿真 前面各章已经分别介绍了废气涡轮增压柴油机各子系统的数学模型，并具体 叙述了工质特性，气缸内热力过程，进、排气系统热力过稃，涡轮增压器等计算 方法。下面以四缸、四冲程、一级涡轮增压c y 4 1 0 2 b z l q 柴油机为例，将工作 过程的仿真计算过程作综合说明。 5 1 计算方法及步骤 5 1 1 计算方法 废气涡轮增压柴油机各予系统中主要有饥d 妒、旭d 妒、d m d 尹、 起8 d 妒、d x d 伊、t i t d e 、蛇。| 却、d z t d 绎、do i ，d , 、d m 8 d 妒、d t n d p 、 d m ，d e 等1 2 个微分变量，相瘦有1 2 个阶常微分方程，联合求解这些微分方 程组，逐个步长进行求解便可以得到增压柴油机中p 、t 、肌等各参数随步长妒 的变化曲线，进而算得柴油机整机各性能参数。 常微分方程的数值解可采用改进欧拉法或龙格一库塔法。龙格一库塔法的优 点是计算精度较高，但计算时间较长。改进欧拉法虽然计算精度稍差，但计算时 问短。工作过程计算中采用改进欧拉法或采用龙格一库塔法，可视具体要求选定。 本文选用龙格一库塔法。 具体计算过程中为了方便起见，一般选择压缩始点作为计算始点，对四冲程 柴油机一个循环7 2 0 。c a 逐个步长进行数值计算。考虑到各个阶段工作过程特点 不同，将整个工作过程计算分阶段进行，根据各个阶段的特点用对应的一组常微 分方程表达。如前面第二章所述，通常一个循环分为以下六个阶段：压缩阶段、 燃烧阶段、膨胀阶段、纯排气阶段、扫气阶段、纯进气阶段。计算过程中上述各 个阶段起止时刻由配气f 时确定，配气正时值作为已知数据输入。 5 1 2 计算步长 在计算中，各阶段可根据不同的特点选择各自的计算步氏p ，这样做既能 保证计算精度的要求又能节省计算肘间。具体地说，扫气阶段巾参数变化大，应 选择小的计算步长，本文计算中选用p = 0 2 5 。c a 。燃烧阶段小参数变化也很 大估计算步长办不能过大，一般可选择妒= 0 5 1 。( ，本文计算 选择 妒= 0 5 。( 。其余各阶段中参数变化比较平稳，可选择步k 为妒= 1 2 。c 。 本文计算q j 选用a r p = 1 。c “。 第五章c y 4 1 0 2 b z l q 柴油机1 作过稃仿真 5 1 3 迭代计算 如前所述，一个循环的计算是由压缩始点开始的，在第一个循环计算时其 初值条件，即压缩始点压力儿以及增压压力p 。、循环喷油量g ，等是根据经验数 据粗略估计的。当进行一个循环的积分后回到压缩始点，首先检验此时的缸内压 力p ，是否满足计算精度要求，若不满足要求则重新迭代计算，每次迭代是把当 前的p 1 作为下一步循环计算的初值，直至收敛。之后继续往下计算可得本循环 的增压压力p 。并检验算得的值与初始值是否满足精度要求，若不满足要求则 重新迭代计算。为了加速迭代计算的收敛，可用弦截法对p 。进行修f ，经修币 后的p i k 值作为下一循环的迭代初值。之后继续往下计算可算得柴油机各项综合 性能参数。但是，计算精度不宜过高，否则会使迭代次数加多，计算时问急剧增 加，有时甚至不能收敛。 5 2 计算程序与输入输出 根据前三章所论述的涡轮增压柴油机工作过程模拟计算的内容，利用 m a t l a b 编制了c y 4 1 0 2 b z l q 稳态工况仿真计算程序。 5 2 1 计算程序框图 计算程序框图如图5 1 所示。 5 2 2 初始数据 该机型仿真计算中，主要输入的初始参数值见下表5 一l 。 表5 - 1 输入参数数据值