（载运工具运用工程专业论文）捷达atk发动机燃烧乙醇汽油混合燃料工作过程数值模拟分析.pdf

摘要 论文以捷达a i k 发动机结构参数为基础，运用一维动力学软件g t - p o w e r 建立了 发动机燃烧乙醇汽油混合燃料的工作过程模型，并经发动机台架试验验证其可靠性。 运用经过验证的模型对a t k 发动机燃烧乙醇汽油的工作过程进行工作特性计算和 变参数研究，分析结构参数和运行参数对发动机综合性能的影响，着重对确定工况下发 动机燃烧乙醇汽油混合燃料时的最大扭矩及对应的参数值进行了计算与分析。 应用f i r e 软件构建气缸几何模型，对其进行网格划分，并利用f i r e 的移动网格工具 f a m ee n g i n e 生成下止点( 1 8 0 0 c a ) 至上止点( 3 6 0 0 c a ) 之间气缸的动态网格，对 发动机压缩过程的缸内流场进行三维模拟计算。 基于上述研究，对点火提前角、进气门迟闭角及空燃比耦合作用下的发动机工作过 程进行优化计算，以发动机的扭矩为目标函数，计算燃用乙醇汽油时三个参数作用下发 动机能达到的最大扭矩及获得最大扭矩时所对应的参数值。 关键词：发动机：数值模拟；乙醇汽油 a b s t r a c t b a s e do nt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fj e t t aa t ke n g i n e ，aw o r k i n gp r o c e s sm o d e lo ft h e e n g i n ew h i c hi sf u e l e dw i t he t h a n o l - g a s o l i n eb l e n d sw a sb u i l tw i t ho n ed i m e n s i o n a ld y n a m i c s o f t w a r eg t - p o w e ri nt h i sp a p e r , a n di t sm l i a b i l i t yw a sr e s t e do ne n g i n eb e n c ht e s t w i t ht h et e s t e dm o d e lt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c sw e r ec a l c u l a t e da n dav a r i a b l e p a r a m e t e r ss t u d yw a sc a r r i e do u to nt h ea t ke n g i n ew h i c hi sf i l e l e dw i t he t h a n o l g a s o l i n e b l e n d s ，s ot oa n a l y z et h ei n f l u e n c e so ft h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n do p e r a t i o np a r a m e t e r so nt h e e n g i n e si n t e g r a t ep e r f o r m a n c e ，m a i n l yt oc a l c u l a t ea n da n a l y z et h em a x i m u mt o r q u ea n dt h e c o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r sv a l u eu n d e r ac e r t a i nw o r k i n gc o n d i t i o n c o n s t r u c tt h eg e o m e t r i cm o d e lo ft h ec y l i n d e ra n d m e s hi tw i t hs o f t w a r ef i r e ，g e n e r a t et h e d y n a m i cm e s hw h i c hm o v e sf r o mt h eb o t t o md e a dc e n t e r ( 1 8 0 。c a ) t ot h et o pd e a dc e n t e r ( 3 6 0 0 c a ) u s i n gt h ef i r e sm o b i l em e s ht o o lf a m ee n g i n e ，a n dc a l c u l a t et h et h r e e d i m e n s i o n a lf l o wf i e l do ft h ec v l i n d e rd u r i n gt h ec o m p r e s s i o np r o c e s s b a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d y , a no p t i m i z e dc a l c u l a t i o no nt h ee n g i n ew o r k i n gp r o c e s sw a s m a d ew h i c hw a sc a r r i e do u tu n d e rt h ec o u p l i n gi n f l u e n c e so ft h ei g n i t i o na d v a n c ea n g l e ，t h e i n t a k ev a l v ec l o s ea n g l ea n dt h ea i r - f u e lr a t i o s e tt h et o r q u ea st h et a r g e tf u n c t i o nt oc a l c u l a t e t h em a x i m u mt o r q u eu n d e rt h et h r e ep a r a m e t e r si n f l u e n c e sa n dg e tt h ec o r r e s p o n d i n g p a r a m e t e r sv a l u ew h e nt h ee n g i n eb u r nt h em i x c df u e l k e y w o r d ：e n g i n e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e t h a n o l - g a s o l i n e 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 盔韭盎些盘堂或其他教育 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 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：幽里确签字日期：耖口7 年月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解壅韭盎些盘堂有关保留、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 壅些盎些盘鲎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，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：铜亚球南 签字日期：z 研年石月罗日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：辽守石1 硇彳厶上大荨 通讯地址： 导师签名： 芦诗罕 签字日期：0 7 年月伽日 电话： 邮编： 1 绪论 1 1 选题背景 1 绪论 发动机从1 8 7 6 年问世至今的一百多年里，凭借其热效率高、热负荷小、结构紧凑 等优点一直是应用最广泛、使用数量最多的动力装置，为人类科技的发展和文明的进步 做出了重要贡献，被誉为2 0 世纪人类最伟大的科技成就之一【l j 。 长期以来，发动机设计主要是依照经验进行的，即根据设计要求，在给定设计参数 ( 如动力性指标、经济性指标、排放性指标、寿命指标等) 和某些条件( 如设计期限、 研制周期、设计费用、材料要求等) 的约束下依照经验进行设计，这种设计方法不仅周 期长、花费大，而且所得结果往往只是满足设计要求的可行性方案，而不是最佳方案： 发动机工作过程的研究也主要是依靠试验的方法，虽然试验对发动机的研究起着巨大的 推动作用，但其研究周期长、成本高，只能提供发动机工作过程中的有限信息i 引。这种 传统的设计和研究方法已暴露出一定的设计盲目性和研究的局限性，不能满足现代高性 能发动机研制工作的需要。因此，追切需要寻找一种新的设计和研究方法。 发动机数值模拟技术从发动机各系统的物理模型出发，用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，用计算机数值求解微分方程，以求得各参 数随时问( 或随曲轴转角) 的变化规律。随着计算机及相关学科的发展，数值模拟技术 在发动机设计和研究中发挥着越来越重要的作用吲。 为了缓解能源紧张和环境污染所带来的压力，乙醇作为替代燃料之一逐渐引起人们 的重视。实际上，乙醇被用作燃料的历史由来已久，早在1 9 0 8 年，就有人做过乙醇燃 料的尝试1 4 l 。2 0 世纪3 0 年代，美国第一次把乙醇和汽油混合用做汽车燃料。同期，德 国、法国、巴西等国也开始应用乙醇汽油混合燃料1 5 1 。 国内外的学者对乙醇汽油进行了大量研究，结果表明：在发动机未作任何改动或优 化调整时，发动机燃用小比例醇类混合燃料时的动力性和经济性与燃烧汽油基本一致， 排放性能得到改善睁1 3 l 。据中国汽车技术研究中心于2 0 0 1 年所做的夏利、富康、桑塔 纳三种轿车车型1 2 辆车、各行驶8 万k m 的车用乙醇汽油与普通汽油的适应性行车试 验表明：使用体积含量为1 0 的乙醇汽油，无论是电喷式或化油器式发动机，在用车辆 不需要对发动机进行改动，即可正常使用：尾气排放中c o 排放明显降低，最大降低率 己达5 5 ，算术平均降低率3 0 8 ；h c 化合物算术平均降低率为1 3 4 1 1 4 1 。郑州、洛 阳、南阳三市试点中也证实了这一点。另外，燃用小比例的乙醇汽油混合燃料，燃料供 给系统无需进行改造，而且混合燃料及汽油可以交替使用，扩充加油站等分配供应系统 的投资也较少，因此体积含量为1 0 的乙醇汽油得到广泛应用。 乙醇作为一种替代燃料，在汽车上正得到越来越广泛的推广和应用，因此深入研究 乙醇燃料在发动机中的应用及其对发动机性能的影响是十分必要的。 随着计算机技术的飞速发展及计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ， a d ) 、计算传热学、化学动力学等基础理论研究的深入，使得建立一种与发动机工作 机理及试验结果相吻合的计算模型成为可能。它可以更好的预测发动机的性能，在短时 间内进行广泛研究，为开发新型发动机和旧发动机改造提供指导。 1 2 发动机数值模拟技术概述 “模拟”是对真实系统( 物理系统) 在不失其物理本质特征的前提下所作的一种 合理简化与高度概括1 1 5 j 。发动机数值模拟计算，就是从发动机各系统的物理化学模型出 发，综合运用热力学、流体力学、传热学、化学反应动力学和数值计算等学科的知识， 用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，用电子计算机 数值求解微分方程，以求得各参数随时空的变化规律1 1 6 l 。计算中可以考虑气缸内的热力 过程、传熟过程、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，使得数值模拟技术在发动机的设计及发动机特性研究中发挥着越 来越重要的作用。 1 2 1 发动机数值模拟技术的发展 “模拟”在发动机工作过程的理论分析及指导发动机发展方向中的应用已有较长的 历史。应用数值模拟来估计发动机的动力性和效率，可追溯到1 9 世纪末发动机发展的 初期，可把这一历史看成是发展更接近实际发动机工作过程的近似计算方法以及发展计 算发动机所用工质热力性质的更精确的计算方法：在计算过程中逐渐可以考虑由发动机 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：也可以更加 准确地描述燃烧前和燃烧后的混合气的热力性质，使得模型能够更加准确的反映发动机 的实际工作过程。 ， 英国的d u g a l dc l e r k ( 1 8 5 4 1 9 3 2 ) 予1 8 8 2 年用空气标准循环分析技术比较了各种 发动机的热效率，被认为是发动机工作过程模拟的首创者。1 8 9 3 年1 8 9 6 年，德国的 r u d o l p hd i e s e l ( 1 8 5 8 1 9 1 3 ) 提出了一系列发动机循环模型，用于发动机的热力过程计 算。但此后的几十年中，在这方面并没有重大的突破，研究工作主要集中在改进未燃和 已燃混合气热力性质的计算精度上。在2 0 世纪6 0 年代中期以前，发动机工作过程的计 算基本上还是建立在理论循环的基础之上，发动机的三大计算，即热计算、动力计算、 强度计算只是一种辅助性的校核计算，由于缺乏现代化的计算工具，当时的设计者不得 不做出许多脱离实际的简化假设，以使计算得以进行。由于在计算中不考虑实际的换气 过程、燃烧过程、传热过程，所以只能做粗略的估算，计算结果的精确性在很大程度上 依赖于经验参数的选取1 1 7 1 。这些模型未能概括很多在实际物理过程中所涉及到的复杂因 素，因而对发动机的研制所起的指导作用十分有限。 随着计算机应用的普及、计算数值方法和c f d 等学科的日益成熟，发动机数值模 拟得到了较快的发展，取得了令人耳目一新的进剧1 8 1 ，具体体现在：可以考虑由发动机 运行状态所决定的内部过程，建立比较符合实际的物理模型，并依靠电子计算机快速求 解，得出定量的结果。应用工作过程数值计算可进行以下工作： ( 1 ) 预测发动机的性能。性能预测的内容很多，如预测发动机的标定工况性能， 部分工况的运行特性，增压发动机的瞬态特性( 变负荷时的响应特性) ，大气状况改变 i 绪论 时发动机的性能，以及有害排放物( n o x 、h c 、c o 等) 的预测等。 ( 2 ) 设计参数的优化。通过模拟计算可以研究各种结构参数、热力参数以及运转 参数对发动机性能的影响，并寻求最佳值【1 9 1 。 ( 3 ) 在发动机调试阶段，利用工作过程的数值计算，可以揭示试验中没有测量或 不可测量的参数大小，指明参数的调整方向，从而减少试验工作量，缩短调试周期。 ( 4 ) 多维数值模拟能够提供空间任意位置和任意时刻的速度、压力、温度和组分 浓度分布，在此基础上进行理论分析，可以为改进发动机结构提供预见性的指导i 训。 汽车工业的飞速发展，对汽车的环保、安全、经济性能等方面都提出了越来越高的 要求，促使我们对发动机的研究越来越深入，涉及的范围越来越广泛。借助于数值模拟 技术对发动机的工作过程进行模拟计算，对于缩短产品研发周期、提高产品设计质量、 降低产品的研发成本等起到事半功倍的效果。 1 2 2 发动机数值模拟技术的应用 随着人们对发动机数值模拟技术认识的不断深入，各国工作者对发动机数值模拟开 展了很多研究工作，从物理模型的简化，数学模型的建立到计算方法的改进和后处理技 术的完善都取得了很大进步，数值模拟技术正日趋走向成熟。1 9 世纪6 0 年代末， r s b e n s o n 利用一维模型计算气道中的气体流动，获得成功1 2 l 】；2 0 世纪年代，世界 许多高校自主开发了发动机数值模拟软件，如英国曼切斯特理工大学的m k - 1 4 源代 码。2 0 世纪9 0 年代初，一批商用发动机数值模拟软件的开发，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 数值模拟已达到了实用化的程度。 数值模拟技术在发动机研究过程中的应用主要体现在两个方面：一方面是应用现有 成型软件对发动机的工作过程进行数值模拟计算；另一方面是自编程序对发动机进行数 值模拟计算。1 9 9 4 年，j c d e n t 和a c h e n 进行了弯曲进气道内稳态流动的试验和计 算研究，他们采用s t a r - c d 程序预测了受可变气门升程和气道形状影响的流场结构，并 验证了模拟结果的可行性1 2 2 1 ；a u g u s t oc m m o r a e s 和j e f f r e yc b u e l l 等提出基于有限元 方法的解决缸内非稳定流的新的数值模拟策略瞄】；j e r a l d 丸c a t o n 采用三区热力学模拟 的方法对点燃式发动机的燃烧过程进行模拟计算，分析了燃烧效率参数对氮氧化物形成 的影响p j 。y o s h i h i r os u k e g a w a , t o s h i h a r un o g i 。y u s u k ek i h a r a 等人开发了一个计算流体 力学程序，对缸内流动进行分析，该程序运用准直接模拟法来处理湍流问题，所以能够 详细描述瞬态的湍流漩涡运动，用统一的正方体网格对研究区域进行离散，通过试验对 模拟结果进行验证，计算与试验结果取得了很好的一致性1 2 5 1 。2 0 0 2 年，i y a v u z 和 i c e l i k 用多区燃烧模型进行了敲缸预测，对发动机爆震问题的研究做出了贡献陋1 ； 2 0 0 4 年，u g u rk e s g i n 应用a v l 的b o o s t 和f i r e 软件对发动机进排气系统进行模拟研 究，并对其进行优化设计【2 7 l 。 中国科学工作者也在发动机数值模拟方面进行了大量的研究，如：李隆键等人应用 c f d 对具有两个进气道的j l 4 7 5 发动机气道内三维可压缩湍流流动进行了数值模拟，得 出了气阀在不同升程下的进气流量系数，并将计算结果与试验结果进行了比较分析，得 东北林业大学硕士学位论文 到了很好的一致性1 2 s 1 ；韩义勇等人用c f d 软件对直喷柴油机螺旋进气道进行了三维数 值模拟，通过气道稳流试验对模拟计算得到的两项评价参数进行验证，得出两者趋势吻 合良好的结论1 2 9 l ：项里程等人应用b o o s t 软件建立电喷发动机加速工况的完整模型对发 动机加速工况进行模拟，并对模拟结果进行了试验验证，模拟结果具有较高的精度1 3 0 1 ； 此外，中国科学工作者对发动机内部工质流动特性、发动机的燃烧产物、着火稳定性等 方面也进行了研究，并根据模拟结果进行优化设计，为发动机中众多问题的研究和解决 提供了有利的手段。 1 3 研究目的和内容 1 3 1 研究目的 体积分数为1 0 的乙醇汽油在汽油机上正得到不断的推广和应用，为了使发动机在 燃用乙醇汽油时的性能得到最大的发挥，应该对影响发动机性能的结构参数、运行参数 进行分析、研究，以确定发动机燃用乙醇汽油时的最佳工况点。然而，目前对乙醇汽油 的研究大多还是以对比试验为主，而在对比试验中发动机的结构参数和运行参数没有进 行任何调整。因此，无法确定发动机的结构参数和运行参数是否使发动机燃烧乙醇汽油 混合燃料时的性能得到应有的发挥。 本文主要利用完善的数学模型，建立捷达朋x 发动机燃烧乙醇汽油混合燃料的工 作过程模型，对发动机的工作过程进行模拟计算，研究燃烧乙醇汽油混合燃料时发动机 的结构参数、运行参数对发动机性能的影响，确定该发动机在燃烧乙醇汽油混合燃料时 性能得到最大发挥时所对应的结构参数和运行参数。 1 3 2 研究内容 本文利用g t - p o w e r 软件建立捷达a t k 发动机燃烧乙醇汽油混合燃料的工作模 型，对发动机燃烧乙醇汽油混合燃料的工作过程进行模拟计算，并通过台架试验对模型 进行修j 下并验证模型的可靠性，在模型可靠的基础上对发动机的工作过程进行变参数研 究，确定发动机结构参数、运行参数对发动机性能的影响。并且，应用a m ，f i r e 软件 对发动机的压缩过程进行三维数值模拟计算，研究在压缩过程中缸内流场变化的影响因 素及其变化规律。具体研究内容如下： ( 1 ) 分析研究捷达a t k 汽油发动机原机性能，通过资料查阅和实际测量获取建模 过程中所需要的参数。 ( 2 ) 根据捷达a t k 发动机结构，利用g t - p o w e r 软件构建捷达a t k 发动机燃烧 乙醇汽油混合燃料的工作过程模型，通过台架试验测取建模过程中需要的参数，并通过 试验对模型的相关参数进行修正。 ( 3 ) 将模拟结果与试验实测结果进行对比分析，验证模型的可靠性。 ( 4 ) 在模型可靠的基础上，对发动机的工作过程进行计算分析，对不同转速作用 下发动机特性进行分析，并借助三维模拟工具对发动机的压缩过程进行模拟计算，对缸 内流场变化进行分析。 ( 5 ) 对a t k 发动机燃烧乙醇汽油时的工作过程进行变参数研究，确定压缩比、点 火提前角等参数对发动机综合性能的影响及规律，寻求提高发动机性能的可能途径，确 定捷达a t k 发动机燃烧乙醇汽油时的最佳工况点。 ( 6 ) 以点火提前角、进气门迟闭角及空燃比为寻优变量，发动机最大扭矩为目标 函数对发动机的工作过程进行多参数优化计算。 2 发动机工作过程数值模拟数学模型及计算方法 发动机数值模拟计算是一个复杂的系统过程，包括对气体交换过程、压缩过程、喷 雾雾化过程、燃烧过程、膨胀过程和排放物生成过程等多方面的模拟内容，所涉及的学 科有流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析、化学反应动力学、燃烧 学、计算机科学及现代的试验技术等多门学科。要想建立发动机工作过程的数学模型对 发动机性能进行模拟计算，需要发动机各个系统数值模拟的结果或试验数据作为边界条 件或作为输入数据。另外。发动机是一个复杂的几何体，因此难以完全确定各点的不稳 定边界条件，这就需要建立各种各样的物理化学模型使方程简化。 发动机工作过程数值模拟技术包括物理化学模型的建立和选择、计算区域离散、控 制方程离散和代数方程求解以及对计算结果进行后处理等几个方面。由于研究目的和层 面的不同，在模拟过程中所涉及到的各项技术有很大的差别。本章主要介绍建立捷达 a t k 发动机工作过程数学模型中涉及到的技术。 2 1 发动机工作过程数学模型 2 1 1 缸内模型 2 1 1 。1 气缸瞬时工作容积 根据活塞连杆机构运动学，可得到活塞位移的计算公式： 工c 妒，- 兰【1 一s 妒+ 去c ，一i 硒，】 c 2 - - ， 式中 s 一活塞行程： 一曲柄连杆比； 妒一曲轴转角。 根据活塞位移可计算气缸的瞬时工作容积： v ( 力一v c + 等d 2 善( 妒) 式中 v c 一燃烧室容积，且v 二k ； 占l v h 一发动机工作容积，且= 等d 2 s ； 一压缩比； d 一气缸直径。 将式( 2 - 1 ) 代入( 2 2 ) 中，得到： 删- 鲁b 小c 0 $ 妒+ 扣廊丽，】 将式( 2 - 3 ) 对舻求导，得气缸容积随曲周转角的变化率，即： ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) z 发动机工作过程数值模拟数学镇型及计算方法 坐。丘i s i n 妒+ a 车墼f ( 2 - 4 ) 却2 l l 分s i n 2 妒j 2 1 1 2 缸内基本热力过程计算 汽油机的工质为均匀混合气，当着火后，假定火焰从着火点以球面波向外传播，实 现预混合火焰湍流燃烧。燃烧过程是发动机工作循环的中心环节，其完善程度直接影响 发动机的动力性能、经济性能和排放性能。发动机的燃烧过程又是一个非常复杂的过 程，它发生在一个随时间不断变化的湍流场中，参与反应的成分有几百种。为此，燃烧 模拟常在简化的基础上进行。根据简化的程度不同，燃烧模型可以分为零维燃烧模型、 准维燃烧模型和多维燃烧模型1 3 1 锄】。模拟过程中采用所谓的双区燃烧模型来描述缸内的 燃烧过程，即把燃烧室分为己燃和未燃两个区，如图2 - 1 所示。在火焰前锋面的前面是 未燃区，由空气、燃油蒸气和残余废气组成；其后为己燃区，其工质成分比较复杂。在 不同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。对两区分别应用热力学守恒方程并考虑两区之阀的质量、能量交换，可得到反 映两区状态变化的控制方程。 发动机气缸内的热力过程是一个极其复 杂的过程，要想对它进行精确的数学描述存 在很大的难度。因此，在根据能量守恒、质 量守恒等原理建立数学模型之前，为使问题 简化，做如下假设： ( 1 ) 未燃区和已燃区的压力达到瞬时平 衡两个区域的压力相同，仅为时间( 或曲 轴转角) 的函数，而温度和工质成分不同， 但每个区域内的状态都是均匀的。 图2 - l 双区燃烧模型结构示意图 ( 2 ) 未燃气体由空气、燃料及残余废气组成，进气门关闭后缸内充量呈均匀状 态，工质无泄漏：已燃气体由c o 、c o z 、h e 0 、h 2 、0 2 、o h 、h ，0 、n 2 、n o 和n 等 n 种成分组成，除n o 与n 之外，各组份处于化学平衡状态，相互间发生7 种化学反 应1 3 4 j ，其组份浓度随时间、温度和压力而变化。 ( 3 ) 已燃、未燃气体每组分均为理想气体，物性参数按经验公式计算，工质特 性按混合气计算。 ( 4 ) 化学反应只在很薄的火焰前锋内完成，火焰前锋反应燃烧区体积忽略不计。 ( 5 ) 着火后火焰由火花塞处开始呈球面向外传播。 ( 6 ) 进气门关闭至排气门开启职间，气缸内工质无泄漏，不考虑狭缝客积影响。 根据以上假设，对封闭燃烧室空间组成的控制容积，运用守恒定律和气体状态方程 建立缸内热力过程的控制方程【3 5 1 ，有： 塑d h 矿d p( 2 5 ) d i p矗妒矗 质量守恒方程： 脚2 小u + 历b ( 2 6 ) 气体状态方程： 堕一盟 d 妒d 妒 _ - i n j r j 乙加 j = u ，b 且v = k + a _ s v d k u 盟 d 妒d 妒d 妒 式中 q 一对系统内工质的加热量； 日一系统内工质焓： y t 质的容积： p 一工质的压力； 丁一工质的温度； m 一工质的质量： u 、b 一分别表示未燃气体和已燃气体。 对已燃区和未燃区分别应用热力学第一定律，得 d ( m b u b ) 一d q b 盟一盟一p 堡+ 鬼盟 d e pd 甲d 甲d 币 d 甲。d 甲 雩掣一譬+ 譬一p 冬吨粤 一十一一口一一n d 妒4 妒d 9d 妒d 妒 式中孥 d d q “ d 埘 碉。 d 旷 d o d 口 一燃烧放热量： 一已燃区的壁面传热量7 一未燃区的壁面传热量o 已燃区向未燃区传播的热流量； 凡竺一已燃区工质增加的焓值： 4 口 ! 一未燃区工质流向已燃区所带走的焓值。 d 口 ob i i 可用下述公式予以计算： o 。口。型邋蚪 j c v u m + c o , r o b 式中 a b u 一两区之间的传热系数： e v a 一未燃区工质定容比热容； c v b 一已燃区工质定容比热容。 将上述的各微分方程联立，并结合下面介绍的燃烧子模型和传热子模型， 发动机工作过程中缸内的热力学参数。 8 ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 即可求得 2 发动机工作过程数值模拟数学模型及计算方法 2 1 1 3 燃烧模型 火焰传播是汽油机燃烧的重要特征，强烈地受缸内气流湍流运动的影响。燃料的燃 烧速度与湍流火焰传播速度有很大的关系，湍流火焰传播速度是指平均火焰前锋面沿其 法线方向向未燃混合气的传播速度。g t - p o w e r 软件中提供了多种燃烧模型，考虑汽 油机的湍流燃烧特性，本文选用e n g c y l c o m b s i t u r b 模块来描述缸内的湍流燃烧过程， 这里将对湍流燃烧模型进行介绍。 汽油机燃烧室内的气流总是处于湍流状态，由于湍流燃烧的复杂性，精确计算湍流 火焰传播速度比较困难，通常认为湍流火焰结构是层流火焰面，而湍流脉动使火焰面发 生弯曲、皱褶，甚至破裂。燃烧的湍流性质，燃烧模型常常要和描述湍流的湍流强度、 特征长度尺度等物理量发生联系，以此建立发动机设计参数和运转参数与燃烧过程之间 的关系。湍流火焰燃烧模型有多种表述形式，这里介绍的模型主要基于b a l i z a r d 和k e c k 的工作，该模型充分考虑了燃烧室几何形状对燃烧过程的影响，广泛应用于两区热动力 模型自从1 9 7 4 年第一次提出后已经得到了很大的发展。 湍流火焰燃烧模型的基本思想是湍流燃烧过程，把燃烧过程模拟成一个面积为a f 的 火焰前锋面( 通常假设为一球面) ，以湍流燃烧速度向未燃混合气传播，当火花塞点 火后，燃烧过程可以按下面两个控制方程的步骤进行f 3 6 j ； 质量卷吸率； 譬p 以品 ( 2 1 4 ) 且 s r a s l + 妇。 质量燃烧率为： 譬生丛p 。彳，s l ( 2 1 5 ) 口 式中 l n c 一卷吸入火焰中混合气的质量； 气一未燃气体密度； 4 一火焰面积； 一湍流强度； 吒一燃烧的特征时问； s l 一层流燃烧速度； a 、b 一为常数。 当燃烧开始的时候，未燃混合气将按照式( 2 - 1 4 ) 的速率被卷入火焰前锋面，然后 按照式( 2 - 1 5 ) 的燃烧速度进行燃烧。式( 2 1 4 ) 说明质量卷入率与火焰前锋面的面积 和卷入速度成正比，而卷入速度是湍流强度和层流速度之和。 试验证实，t a y l o r 尺度对发动机的燃烧起较大作用，并认为在t a y l o r 尺度进行的燃 烧为层流燃烧。层流火焰传播速度与可燃混合气的压力、温度、燃料性质、混合气 浓度等因素有关，不少学者都提出了各自的计算公式，但目前真正能具体描述发动机内 燃烧速度的公式还没有，这里层流燃烧速度的计算公式为【3 7 l ； s t “m + ( 吉) ( 专) ”2 喇研m 酬一1 q 郴， 式中 s t a 一层流火焰在参考状态下的燃烧速度； p 坷一参考压力； z 膏一参考温度； d i l u t i o n 一未燃区内的残余废气质量分数； d 删一d i l u t i o n 的指数因子； a 、夕一为经验常数。 且 s l o 一丑。+ 也( 一矿m ) 2 口- 2 1 8 一o 8 ( 庐- 1 ) 芦一一0 1 6 + 0 2 2 ( 驴一1 ) 式中 痧一当量空燃比： 妒。、b 。、占，一与燃料有关的常数。 2 1 1 4 传热模型 气缸中的炽热气体通过活塞顶面f l ，气缸盖底面f 2 及气缸套的瞬时传热面f 3 进行热 量传递，其中f l ，f 2 固定不变，传热面f 3 则随曲轴转角变化。显然，各点的壁温和表 面传热系数存在差异，为简单起见，通常将整个传热表面分为活塞、气缸盖及气缸套3 部分，用这3 部分传热面的平均壁面温度及按位置平均的瞬时表面传热系数进行传热量 的计算【4 l ，其计算公式为： 鲁- ；| ；等一丢善3 以e 叮 沼m 式中 f i 一传热面积( i = l 活塞；i = 2 气缸盖：i = 3 气缸套) ； r 一缸内气体温度； z k 一传热表面的平均温度； h 。一传热系数。 为了能够应用式( 2 1 7 ) 计算发动机热力过程中工质向燃烧室周壁的传热量，必须 首先知道燃气与换热壁面阃的传热系数也，由于燃烧室内燃气的温度、压力和局部气流 速度是一个瞬变的过程，换热面积也在不断改变，因此通过周壁的传热量在个循环中 是不断变化的，且变化幅度很大。燃气向周壁的传热规律十分复杂，要从理论上解决传 热规律的计算十分困难。从1 9 2 3 年德国热物理学家，现代传热学的奠基人之一w 努塞 尔( w n u s s e l t ) 提出著名的努塞尔公式以来，许多学者对发动机传热问腹进行了研究， 并提出了一系列的经验公式和表达式来计算传热系数。这里，采用目前国内外发动机热 力循环模拟中应用较为普遍的沃希尼( w o s c h n i ) 公式f 3 8 j ，即： k - 1 2 7 9 3 d ”p ”r ”【c l c 。+ c 2 三告( p p o ) 】0 8 ( w m 2 k ) ( 2 - 1 8 ) p l 1 式中d 一气缸直径( m ) ： p 一气缸内工质压力( b 酊) ： r 一气缸内工质温度( k ) ： 岛一活塞平均速度，m s ； p l 、t l 、v l 一某种标准状态下迸气门关闭时缸内的压力，温度、容积； v h 一气缸工作容积； p 0 一发动机倒拖时的气缸压力( b a r ) ； c l 、c 2 一常数，由工作状态决定。 2 发动机工作过程数值模拟数学模型及计算方法 2 1 2 进排气管中流体模型 发动机进排气管内的气体流动是非常复杂的，具有明显的三维流动特性。由于管轴 向几何尺寸比径向几何尺寸要大得多，轴向流动效应比径向流动效应也要大得多，从而 认为管内气体流动是一维的，为了数值模拟的方便，在推导气体流动的基本方程时假 定：对于每一流体变量。简化为在相应管截面上的平均值；管内流动参量随时间t 变 化，因此可以认为管内流动是非定常的。g t - p o w e r 采用一维交错网格，将汽油机进 排气系统分成若干控制体积，应用有限体积法进行数值计算，标量在网格中心计算，如 压力、温度等：矢量在网格的交界面计算，如速度、质量流量等。根据质量守恒、能量 守恒和动量守恒定律，可以推导出描述管内一维非定常流动的基本方程式【3 9 l ： ( 1 ) 连续性方程： a m 。琴坍绺 ( 2 1 9 ) 出岛 ( 2 ) 能量方程： 掣- p 警+ 磊+ 日) - h s a 一) ( 2 ( 3 ) 动量方程： 、 竽t 附+ 磊吣一蜂譬警- c p 0 2 2 川d x ( 2 2 1 ) 式中m f x 通过边界的质量流量。 彳一流通面积； e ，日一分别为内能和总焓： g 一传热系数，进排气管内传热系数的计算基于c o l b u r n 类推法； v ，u 一分别为体积单元的中心速度、边界速度； c f 一表面摩擦系数； d 一当量直径； ( 一压力损失系数。 2 1 3 发动机摩擦模型 在进行工作过程模拟计算时，需要估计不同工况下摩擦的平均压力值来计算机械效 率n 。，目前已经提出的估算公式很多，这里采用c h e n - - f l y n n 模型来计算发动机的平 均摩擦压力1 3 7 1 ； f m e p c l + c 2 p 硼x + c 3 n + c 4 n 2 ，( b a r ) ( 2 2 2 ) 式中p m 。r _ 缸内最大压力( b 缸) ； c l 、c 2 、c 3 、c 一常数。 2 2 发动机缸内三维模拟数学模型 发动机在压缩过程中气缸内进行着非常复杂的湍流运动，但不管流动多么复杂， 气缸内的流体运动都受到三个基本物理守恒定律以及气体状态方程的支配，这三个基本 守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，它们是进行缸内流动模 拟的基础。 为了考察湍流脉动的影响根据雷诺的观点，把湍流运动看作由时间平均流动和瞬 时脉动流动叠加而成l 枷，物理量的瞬时值、平均值和脉动值之间有如下关系： 妒一石+ 妒。 ( 2 2 3 ) 式中 妒一变量的瞬时值； 孑一变量的平均值； 一变量的脉动值。 用平均值和脉动值之和代替流动变量代入流体运动控制方程，并对时间取平均，得 到湍流时均流动控制方程如下( 为方便起见，除脉动值的平均值以外，下式中去掉了表 示时均值的上划线符号“一”) 。 质量守恒方程： i o p + 砉( 俨j ) i o ( 2 2 4 ) 动量守恒方程： p 等+ 舢，盖。店r 一詈+ 毒h 鼍+ 面8 u j j 2 吨0 u k 6 ，厂p 丽】 能量守恒方程： p 滢毒) l 腭。+ 鲁+ 毒b j ) + 毒嚣) 气体状态方程： p - p r 。t 其中p 一流体密度： u 一流体瞬时速度o g i 一重力加速度在i 方向的分量。 p 一流体动力粘度； o u k a x k 一速度散度； 6 日一克罗奈克符号( 当i = j 时，6 l j = l ；当i j 时，6 ；j - - - o ) ： q | 一热流量； ，一因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的应力； 一气体状态常数。 ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) 从式( 2 - 2 5 ) 可以看出，在时均流动的方程里出现了一丽项，定义该项为 r e y n o l d s 应力项。r e y n o l d s 应力项的出现使得描述流体的控制方程组中未知数的数目超 过了独立方程的数目，方程变得不再封闭。因此，要对流场进行模拟计算，就需要建立 2 发动机工作过程数值模拟数学模型及计算方法 新的湍流模型，使方程组封闭。从而对控制方程组进行求结。 为了使控制方程组封闭，需要通过某些数值方法对湍流流动进行模拟。目前的湍流 数值模拟方法有直接模拟方法和非直接模拟方法。所谓直接模拟方法就是直接求解瞬时 湍流控制方程，此种方法对计算机的内存空间及计算速度的要求非常高，目前还无法用 于真正意义上的工程计算：而非直接模拟方法就是不直接计算湍流的脉动特性，丽是设 法对湍流作某种程度的近似和简化处理。 本文采用标准高雷诺数k s 双方程模型对缸内流场的湍流特性进行数值模拟。 k e 双方程模型属于r e y n o l d s 平均法中的涡粘模型，该模型中引入了湍动粘度 ( t u r b u l e n c tv i s c o s i t y ) 的概念，把r e y n o l d s 应力表示成湍动粘度的函数。双方程模型 ( k 一模型) 通过平均流来描述湍流的产生和消耗，即认为湍流运动可用湍流脉动动能 k ( t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y ) 和湍动能耗散率c ( t u r b u l e n td i s s i p a t i o nr a t e ) 来表征。k f 双方程模型具有计算稳定性高，对计算资源的要求和花费低的特点，是目前研究的比较 成熟的一种湍流封闭模型，经过不断的修正和改进，现已成为比较完善的模拟发动机中 多维流动现象的模型，其具体表达式如下： k 的输运方程： p 芸慨毒- p + g - s + 刹 u t a x k l 倍2 f 的输运方程： p 崇。( c ，崛，“k 警勘肛磊0 舻( * , i o e ) 眩2 9 ， 愀m l 净三跨霄) m 贼s - 蔼囝 式中p 一由于平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项： g 一由于浮力产出的湍动能k 的产生项： l l 。一湍动粘度，可表示为七和的函数，即地p c 。壁 f 式中未加说明的符号为一些常数，其取值见表2 - 1 。 表2 - 1k 一双方程模型中的常数取值 2 3 计算方法 基于守恒定律建立的控制方程，具有封闭性，非线性、联立耦合性和形式相同性的 特点，这些方程理论上是有精确解的，但是由于所处理问题的复杂性( 如复杂的边界条 件或者方程自身的复杂性等) ，一般很难获得方程的真解。因此，就需要通过数值方法 把计算域内有限数量位置( 网格节点或网格中心点) 上的因变量当作基本未知量来处 理，从而建立一组关于这些未知量的代数方程，然后通过求解代数方程组来得到这些节 点值，而计算域内其它位置上的值则根据节点位置上的值来确定。由于应变量在节点之 间的分布假设及推导离散方程的方法不同，形成了有限差分法、有限元法和有限体积法 等不同类型的计算方法。 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d 。简称f d m ) 是数值解法中最经典的解法。 它是将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方 程的导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。求差分方程组 的解，就是微分方程定解问题的数值近似解。这是一种直接将微分问题变为代数问题的 近似数值解法，这种方法发展较早，比较成熟，较多的用于求解双曲型和抛物型问题。 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 是将一个连续的求解域任意分成适 当形状的许多微小单元，并对各小单元分片构造插值函数，然后根据极值原理( 变分法 或加权余量法) ，将阅题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程，把总体的极值作 为各单元极值之和，即将局部单元总体合成。形成嵌入了指定边界条件的代数方程组， 求解该方程组就得到各节点上待求的函数值。有限元法的基础是极值原理和划分插值， 它吸收了有限差分法中离散处理的内核，又采用了变分计算中选择逼近函数对区域进行 积分的合理方法，是两类方法相互结合、取长补短的结果，具有很广泛的适用性。但因 其求解速度较有限差分法和有限体积法慢，因此在商用c f d 软件中应用并不普遍。 有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，简称f v m ) 是近年发展非常迅速的一种离散 化方法。其基本思想是将计算域划分为一系列控制体积，将待解微分方程对每一个控制 体积积分，从而得出一组离散方程。离散方程的物理意义，就是因变量在有限大小的控 制体积中的守恒定律，如同微分方程表示因变量在无限小的控制体积中的守恒原理一 样。有限体积法的关键是在导出离散方程的过程中，需要对界面上的被求函数本身及其 导数的分布做出某种形式的假定。由于有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特 性，而且离散方程系数物理意义明确，计算量相对较小，因而计算效率高。 本文应用g t - p o w e r 和a ，f i r e 软件对发动机的工作过程及缸内流场进行模拟计 算时采用的都是有限体积法。 2 4 发动机性能指标计算 由缸内过程数值求解得剑的气缸地力随衄轴转角焚化致琚( 即p - 巾不功图) ，即j 计算整机的性能指标，为了方便，先将发动机的几个主要性能指标计算公式介绍如下： 平均呦：一毕 ( 2 )