（载运工具运用工程专业论文）yc6t型柴油机变工况性能仿真研究.pdf

大连交通大学工学硕七学位论文 摘要 当前柴油机研发中，利用计算机仿真模拟计算作为研发的辅助方法已经越来越被人 们所重视，其在研发中所占的比重也越来越大。计算机仿真模拟计算的方法同传统的研 发方法相比具有研发成本相对较低、研发效率高和耗时相对较短的特点。 本论文利用的模拟计算软件是g t p o w e r ，它是专门用于发动机稳态和瞬态的仿 真计算的软件。在论文中，首先详细介绍模拟计算软件g t - p o w e r 的计算理论和计算 算法，包括缸内工作过程，管内的气体流动、壁温传热、以及燃烧模型和排放模型等。 然后结合实际机型y c 6 t ，用g t - p o w e r 软件建立其虚拟的模型，在模型上分析柴油 机在不同工况下的运行状况。建立的柴油机模型包括气缸、进气系统、排气系统、喷油 器、中冷和增压系统。模拟的工况包括柴油机7 0 0 r m i n 一1 5 0 0 r m i n 之间不同转速下分 别对应的速度特性和负荷特性工况。模型计算的结果要同试验值进行比较，以检验计算 结果的准确性。最后介绍利用柴油机的虚拟模型进行的优化设计工作。利用g t p o w e r 提供的优化模块，最后对y c 6 t 型柴油机的配气相位进行了优化设计，优化的目的是提 高缸内的充气效率、功率和扭矩，降低燃油消耗率。通过计算得出了优化的结果和提出 了优化的改进方案。 利用仿真计算的结果，可以指导厂家进行实机试验，为厂家改进柴油机的性能提供 依据。 关键宇：柴油机；变工况；配气相位；g t - p o w e r a b s t r a c t a b s t r a c t t h em e t h o d ，w h i c hi su s i n gt h ec o m p u t e ra n ds o f t - w a r et os i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h ed i e s e le n g i n e ，i sb e c o m ea l li m p o r t a n ta n da s s i s t a n tr o l ei nm o d e md i e s e lr e s e a r c ha r e a , a n di t sp r o p e r t yi sa l s og e t t i n gb i g g e ra n d a d v a n t a g et ot h et r a d i t i o n a lw a yd u et ot h e e f f i c i e n c yo fr e s e a r c ha n ds h o r tt i m e b i g g e r c o m p u t e rs i m u l a t i o nc o m p u t a t i o ni s l o wc o s to fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，h i g h t h ep u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni sm o d e l i n ga n ds i m u l a t i n gt h ed i e s e le n g i n ey c 6 to n c o m p u t e r t h es o f t w a r ei sg t p o w e r s of i r s t l yi n t r o d u c et h es o f t w a r eg t p o w r e ra n di t s t h e o r ya n da l g o r i t h m ，w h i c ha r ei n v o l v i n gt h eo p e r a t i o np r o c e s si nc y l i n d e r ，a i rf l o wi np i p e s ， h e a tt r a n s f e ro fw a l lt e m p e r a t u r e ，c o m b u s t i o nm o d e l sa n de m i s s i o nm o d e l s t h e n ，u s et h e s o f t w a r eo fg t - p o w e rt oe s t a b l i s ht h ev i r t u a ld i g i t a lm o d e lo nc o m p u t e ra c c o r d i n gt ot h e r e a le n g i n e ，w h i c hs i m u l a t e sa n da n a l y s e st h ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c e sv i ad i f f e r e n to p e r a t i n g c o n d i t i o n s t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n si n v o l v e s p e e d c h a r a c t e r i s t i ea n dl o a db e a r i n g c h a r a c t e r i s t i cu n d e r7 0 0 r m i nt o15 0 0 f f m i n t h em o d e lc o m p u t a t i o n sr e s u l tm u s te a r l yo nt h e c o m p a r i s o nw i t ht h ee x p e r i m e n t a lv a l u e ，e x a m i n e st h ea c c u r a c y l a s ti so p t i m i z a t i o nd e s i g n b a s e do nt h i sv i r t u a lm o d e l ，u s et h eo p t i m i z e dm o d u l ep r o v i d e db yt h es o f t w a r et oo p t i m i z e t h ev a l v et i m i n ga n g l e s ，t h eg o a li sp r o m o t e sc y l i n d e r sc h a r g ee f f i c i e n c y ，t h ep o w e ra n dt h e t o r q u e r e d u c e st h e f u e lc o n s u m p t i o nr a t e a c c o r d i n gt ot h ec o m p u t a t i o no b t a i n e dt h e o p t i m i z e dr e s u l ta n dp r o p o s e di m p r o v e m e n tp r o g r a m t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sc a np r o v i d et l l e o r e t i cg u i d a n c ef o ro p t i m a ld e s i g n so fd i e s e l e n g i n e sf o rf a c t o r y k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e , v a r i a b l eo p e r a t i o nc o n d i t i o n ，v a l v et i m i n g ，g t p o w e r i i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太鎏銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蔓褒通太堂口学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太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，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应遵守此规定) 学位论文作者签名：； 秤色 日期：u4 - 年占月日 撇名：髻訇移 日期：w 矿年月2 ，日 学位论文作者毕业后去向o 上海索菲玛汽车滤清器有限公司 工作单位：上海索菲玛汽车滤清器有限公司电话：1 3 5 9 1 3 4 1 7 3 9 通讯地址：上海市青浦区北清路9 7 8 5 号邮编：2 0 1 7 0 7 电子信箱：z h u y i f e i 1 6 3 t o m 大连交通大学学位论文独创性声明 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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 弋献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 畏，也不包含为获得太整銮通太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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 袢色 日期：砷年6 月2 , - 日 第一章绪论 第一章绪论 1 8 9 2 年，德国工程师鲁道夫狄塞尔( r u d o l f d i e s e l ，1 8 5 8 1 9 1 3 ) 发明了压燃式 的发动机，即柴油机。柴油机是热效率很高的热机，广泛应用于轻型、中型和重型汽车， 以及机车、船舶动力、农业机械和国防等国民经济的各个领域，但随着汽车保有量的上 升，由内燃机排放造成的空气污染越来越严重。2 0 世纪4 0 年代出现在洛杉矶的空气污 染事件，后经证实是氮氧化合物和碳氢化合物在光照产生的化学反应生成光化学烟雾造 成的污染，柴油机是烟气微粒和氮氧化合物的主要来源1 。 近三十年来，内燃机设计的目标之一是控制内燃机对环境的污染，这点可以从国内 外颁布的日趋严格的排放法规中看出。再者，近年来受石油价格的持续上升，人们也越 来越重视内燃机的燃油经济性。同汽油机相比，柴油机因为其较高的压缩比，稀混合气 燃烧以及无进气节流损失等原因，在相同排量的情况下，柴油机的动力性和经济性都比 较高，同时采用增压中冷、废气再循环等新的改进措施之后，柴油机排放出的c o 、n o x 、 c d ，和h c 都比较低弘1 。 在国家提倡建设和谐社会、节约型社会的政策背景下，使用更高效率的动力源不仅 带来经济效益，同时也带来社会效益。鉴于上述种种原因，各国普遍发展柴油机的汽车、 发动机的柴油机化成为近年来汽车的发展趋势之一，这说明，柴油机的发展还是很有意 义的，改进柴油机性能的研究工作还要继续，柴油机的进一步的研究发展的方向之一就 是研究柴油机变工况的问题。 1 1 当前柴油机的研究现状及变工况研究 1 1 1 当前柴油机的研究现状 现代科技的快速发展，使得柴油机的研究方法产生了重大的变革，计算机的硬件和 软件的进步使柴油机的研究全面进入到数字化的程度，其主要的研究的方法和内容也更 加专业化。如果在实验室里进行的前期数字化设计和制造( c a d 和c a e ) 的内容越充 分，则在实际生产中就越能减少缺陷，带来的是直接的经济效益。 仿真技术在各个领域中得到了空前广泛的应用。数字仿真是把研究对象的数学模型 在计算机上进行性能测试的新兴综合技术，用来估计或预测真实对象的性能，利用这种 技术可以去研究一个尚未建立或实现的系统的性能，可以用来比较多种方案以确定最佳 方案。柴油机的研究方法已经逐步过度到应用计算机进行仿真的程度，研究的主要内容 可以分为c a d 造型、有限元强度分析、c f d 流体动力学和发动机仿真计算、磨损计算 大连交通大学工学硕士学位论文 以及运动学和动力学分析等。 设定基本参 数，如缸 数、排量等 通过发动机 图1 1 现代柴油机设计流程 f i g 1 1t h ed e s i g nf l o wo f m o d e m d i e s e l ( 1 ) 计算机辅助设计p 1 ( c a d ) 。c a d 设计是计算机技术在图形和数学建模方面 发展取得的结果。a u t o c a d 、u gn x 、p r o e 、c a t i a 等众多软件成为各柴油机厂家概 念研发阶段的重要工具。计算机辅助设计做出来的模型实际上是在计算机上通过数学模 型所建立的虚拟产品。 ( 2 ) 有限元分析。利用有限元分析软件i d e a l s 、a n s y s 、a b a q u s 等进行零件及组合 结构的应力应变和热负荷分析( 包括线性和非线性) 。 ( 3 ) c f d 流体动力学和发动机仿真计算川。此步骤是柴油机设计制造的重要的一 个内容，可以通过c f d 流体动力学和发动机仿真计算的方法来确定柴油机的一些运行 的参数。无论是在设计的初始阶段，设计的尾部阶段，都可以应用c f d 和发动机仿真 软件进行设计，例如，在初级阶段，当确定了发动机的大致功率，排量( 缸径、行程和 缸数等) ，压缩比等初始参数时，就可以通过发动机仿真软件进行可靠性校核初步计算， 2 第一章绪论 通过模拟计算，求得缸内示功图、最高燃烧爆发压力、最高压力升高率，作为动力和强 度计算的依据，同时求得缸内温度变化、最高燃烧温度、排气温度等热负荷计算的依据， 判断确定是否符合设计指标的要求。在设计的尾部阶段，也可通过c f d 软件进行缸内 的流场分析，在实机造出来之前就已经计算模拟出缸内空气流动、燃油喷射和燃烧、缸 内压力和温度分布、进排气门处的流场等结果。利用发动机仿真软件，可以进行像可变 进气歧管，进排气相位的优化等一系列改进设计，还可以取得滞燃期、燃烧持续角、燃 烧发热率、泵气损失、排气管压力波等等这些难以通过试验测得的参数，在实验室阶段 就能进行模拟实机运行的状态，可以节省不少财力、人力和时间，避免发生一些设计缺 陷带来的浪费和损失。 ( 4 ) 其他方面的计算：包括机体运动学和动力学计算、磨损分析，噪声分析计算等。 本论文进行的变工况的模拟计算研究属于柴油机设计的尾部阶段，在实验室里模拟 计算该柴油机在不同工况和复杂条件下的性能的变化，通过模拟计算，可以知道该款柴 油机能否满足实际运行的需要，同时，通过模拟软件，可以进行一些方面的改进研究， 比如本人要进行的可变配气相位的研究。 1 1 2 变工况的研究现状及内容 内燃机工况就是指它实际运行的工作状态，因而在不同的工作状态下，对应的工况 也不一样，笔者把柴油机在不同工况下不同的柴油机性能称之为变工况性能。研究变 工况实际就是研究柴油机工况变化对柴油机性能的影响，并且能够提出一些改进的意 见。 柴油机发展方向是低排放、高效率、兼顾环保和经济性。排放法规中有关柴油机排 放的部分已日趋严格和科学，比如，排放法规已从单一工况的限制发展到根据工况试验 循环来限定排放值，在1 9 8 4 年以前，美国车用柴油机的排放按稳态1 3 工况法，1 9 8 5 年，美国环保局( e p a ) 制定了车用柴油机的排放瞬态试验规范及相应的排放标准，他 们根据道路情况、驾驶员的驾驶习惯和车辆种类不同，经实地调查统计后得出的试验循 环工况，更能反应发动机的实际的运行情况，因此，制定的排放法规更加符合实际也更 合理p 1 ，即柴油机的排放性能要根据工况变化来测定，上海交通大学、吉林大学在瞬 态工况下研究柴油机性能方向做得工作比较多，得到了比较好的结论，如吉林大学的李 忠长等坤1 在做的c a 6 0 e 1 2 1 k 柴油机的瞬态工况n ox 的排放特性中指出，n o ，的排放 在中低负荷时，瞬态工况值要高于稳态工况的值，这说明在中低负荷情况下，变工况的 性能比稳态的工况性能复杂，研究具有一定的科研意义。 动力性和经济性方面，随着柴油机工况向着低转速和低负荷转变时，柴油机的动力 大连交通大学工学硕+ 学位论文 性和经济性会向着恶化的方向发展，即表现为功率下降过快，燃油消耗率上升，升功率 下降；转速和负荷增加过大时，功率是上升了，但是燃油消耗也上去了，整体上燃油经 济性是下降的，升功率也是下降的。柴油机会随着工况的变化不断地改变柴油机的性能， 鉴于此原因，我们也提出了各种改进柴油机在变工况下工作性能的措施，如采用电子技 术，微机技术和结构设计等技术，实时调整柴油机的参数，只有参数随着柴油机工况变 化而相应的改变，才能使柴油机在每时每刻都处于最佳的工作状态，发挥最大潜能，最 常用的改变柴油机变工况性能的措施是采用可变技术，如采用可变配气相位。可变进气 涡流强度，可变涡轮增压技术等等。上述技术的发展都要基于变工况的研究，要根据交 工况的结果作为依据进行改进。 1 2 柴油机变工况的仿真计算 柴油机的仿真计算这里主要是指模拟仿真柴油机工作过程。柴油机的性能指标取决 于各工作参数，如增压压力、空气流量、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。这些参数都是相互关联的，其中一个参数改变， 其他参数也会相应变化。而这些参数取决于柴油机的设计和结构参数，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。 涡轮增压器的结构等等。而结构参数直接影响着工作参数的变化，传统的常规的工作过 程计算是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，这种方法的误差性较大，随人而异， 不能标准化实施，不能满足对柴油机越来越高的优化设计和控制要求。 1 2 1 对柴油机进行仿真计算的意义 ( 1 ) 预测柴油机的性能指标。在柴油机制造出来之前，在实验室阶段，仅根据设 计图样或者是c a d 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。可以缩短研发周期并提高研制的准确率和目的性。 ( 2 ) 可以提前进行柴油机的结构优化的工作。根据柴油机性能指标的设计要求， 确定主要部件的最优结构参数，如配气相位、进气相位、进气和排气凸轮型线、气门的 结构尺寸等，均可以进行优化，并为柴油机选配合适的增压器。 ( 3 ) 为柴油机的可靠性校核计算提供依据。在柴油机的设计阶段，通过仿真模拟 计算，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 和强度计算的依据；缸内温度变化规律、最高燃烧温度、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得的参数进行分析，如滞燃 4 第一章绪论 期、燃烧持续期、燃烧放热率、泵气损失、排气管压力波等等。 ( 5 ) 缩短设计的时间，节约设计和试验的成本，通过柴油机性能仿真的方法，不 仅可以大幅度的减少研发新款柴油机的所耗时间，而且可以提高研发的准确性，避免在 实机制造时出现的浪费现象。同时，通过发动机仿真模拟计算，可以一定程度地模拟实 机试验，这样就可以减少试验所花费的时间、人力、物力和财力，一定程度减少了试验 的次数，可以为企业节约成本。 总之，柴油机仿真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 设计和试验工作向前发展，同时随着基础理论研究的深入，各种先进算法的提出，这种 模拟计算方法定会日臻完善。同时，各种商业用途的软件的开发出来，使得发动机工作 过程模拟的工作从理论和纯粹计算中走向实用化，比如美国g a m m a 公司的g t p o w e r ， 奥地利a v l 公司的b o o s t 、f i r e ，美国西南研究所的v i p r e 等。 1 2 2 对柴油机进行变工况仿真计算 柴油机变工况的研究大部分还停留在实验室阶段，而研究的方法大部分还是以实机 试验为主，这样做，试验耗时长，还耗费大量的燃油、电力等资源，经济上和效益上都 不是很合算，同仿真技术结合，可充分利用各自的优点，以仿真计算为主要的试验方法， 以实机试验作为辅助的方式，实机试验的结果可以用来检测仿真计算的结果的准确性之 用，验证仿真计算的可靠性。通过仿真计算可以优化柴油机的参数和结构，再用实机试 验的方式来验证优化的效果，这样就能达到事半功倍的效果，这比单纯的实机试验和单 纯的利用计算机仿真计算的效果都好。 目前发动机仿真模拟在发达国家已普遍用于发动机的设计和开发，并产生了可观的 效益。我国在这一领域开展工作的时间并不晚，而且也取得了一些特色的研究成果，但 这些成果大部分集中在高校和科研院所，还不能服务于真正的发动机产品研发的各柴油 机厂家。随着中国加入世界经济大家庭中，国外的各种先进的成熟的商用软件不断地涌 入，当然也包括发动机仿真计算软件，这使得我国各企业能够方便的使用国外先进的技 术，把发动机仿真计算带入实用的阶段。 应该指出的是，市面上能进行发动机仿真模拟计算的各款商用软件的内部算法都是 目前流行和公认的算法和理论，但是，由于各种理论并不是十分的完美和柴油机工作过 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悼1 。 由于对某些复杂问题还不够了解，因此建立数学模型之前首先要对实际系统进行概括和 抽象，引用己知的物理定律，通过某些假定略去次要因素以突出主要过程。计算中有的 还须借助于经验或半经验公式，以使计算得以进行( 例如，流量系数、传热系数、放热 5 大连交通大学t 学硕士学位论文 规律模型等) ，这些都使计算结果与实验结果有一定偏差。好在，我们有实机试验的方 式可以帮助我们消除部分的误差，同时各款商用软件都在不断地发展和完善的过程中， 计算结果也在不断的提高精度之中。 本章小结 本章介绍了当前柴油机研究现状、研究的方法和内容。接着介绍对柴油机进行变工 况仿真计算的意义和内容。对柴油机进行变工况的研究是当前柴油机研究的热点问题之 一，利用计算机进行柴油机的仿真模拟计算是当前研究的重要方法。本论文结合当前柴 油机的研究的热点问题和研究的重要方法，技术创新，方法独到。 6 第二章计算理论及数学模型 第二章计算理论及数学模型 本论文利用g a m m a 公司的g t s u i t e 软件，该软件集成了当今世界有关内燃机仿 真计算的优秀算法，g t - p o w e r 是其中的一款软件，它的主要功能包括模拟计算发动 机的性能、噪声的仿真计算和发动机电子控制功能的设计等等。 2 1 缸内工作过程的基本微分方程式 缸内工作过程的基本微分方程是整个仿真模拟计算所遵循的最基本的方程。在 g t p o w e r 中，缸内工作过程的基本微分方程为其计算的核心方程，其他方面的计算 是以它作为展开的，包括各种燃烧模型和排放模型的计算等。在软件的运行过程中，也 以基本方程计算的结果来判断流量系数和压力系数是否收敛。下面来具体探讨该方程建 立的基本过程。 内燃机气缸内的工作过程是很复杂的，它是包含物理、化学、流动、传热、传质等 的综合过程。为了模拟计算内燃机缸内的工作过程，我们必须对其现象进行简化，引入 数学描述，方便建立守恒方程。为了描述气缸内工质状态变化，通用的方法是视气缸为 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，如图2 1 所示。系 统内工质状态由压力p 、温度t 、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t 及质量m 三个基本参数。 d q 0 d p 图2 1 柴油机气缸热力系统 f i g 2 1t h et h e r m o d y n a m i cs y s t e m o fd i e s e lc y l i n d e r 7 大连交通大学工学硕+ 学位论文 2 1 1 缸内过程的基本微分方程4 ，8 捌 2 1 1 1 基本假设 为了便于计算，对缸内热力过程计算问题进行了一系列的简化： ( 1 ) 气缸内工质的状态均匀，即同一瞬时气缸内各点的压力、温度和浓度处处相 等。并假定在迸气期间，通过系统边界进入气缸内的空气与气缸内的残余废气实现瞬时 的完全混合。 ( 2 ) 工质为理想气体，其比热容c 、内能甜、焓h 等参数仅与气体温度丁及气体成 分( 瞬时过量空气系数) 有关。 ( 3 ) 气体流入或流出气缸的流动过程为准稳态流动过程，即在足够小的计算步长 a q , 内视为稳定流动。 ( 4 ) 工质进、出口处的流动动能忽略不计。 假定系统边界内同一瞬时各点热力状态、化学成分完全相同的系统称为零维系统。 显然零维系统内压力、温度、浓度等各项参数不随空间坐标而变化，只随时间( 或曲轴 转角矽) 而变化。为了简化计算，上述所作的基本假设又称为零维假设。按照这些假设， 零维系统内的状态变化可用常微分方程来描述。这种把内燃机的实际工作过程假定为一 个或多个零维系统来进行数值计算的数学模型称为零维模型。 2 1 1 2 基本方程 3 3 - 3 4 1 缸内过程的计算的基本方程源于自然界物质运动的基本规律，如：质量守恒原理的 连续方程、牛顿第二定律于动量矩方程、能量守恒原理的能量方程，即热力学第一定律 和热力学第二定律的熵方程等等。 ( 1 ) 能量守恒方程 d u = d + 坦+ 乃d m ， ( 2 1 ) 式中：u 一系统内能； 形一作用在活塞上的机械功； q 一通过系统边界交换的热量5 h i 一比焓； h ，d m ，一质量咖，带入或带出系统的能量。 而d u ：d ( 聊”) - - u d m + m d u ( 2 2 ) 式中：，r 系统内工质质量； 8 第二章计算理论及数学模型 z 广比内能。 方程式中的正负号，作统一规定：加入系统的能量、质量为正值；从系统取出的能 量、质量为负值。通过系统边界交换的各种能量随曲轴转角妒的变化率有下列各项： 机械功：_ d w = - - p _ d v d ( o d 汐 按上述正负号规定，压缩时向系统加入的功取正值， 故容积变化所作的功必须加上负号。 撼 军等= 面a q , + 等 ( 2 3 ) 此时容积减小，d v 为负值， ( 2 4 ) 进、排气带入( 或带出) 的能量： 莩乃等= 吃等+ 吃等 ( 2 5 ) 式中： 一缸内工质压力3 峨缸工作容积； 料在气缸内燃烧放出的热量； 印卜通过气缸诸壁面传入或传出的热量； l i l j ! 厂流入气缸的质量； 抛一流出气缸的质量； 瓜知一进气门处和排气门处工质的比焓。 通常情况，气缸内的比内能u 和质量1 1 1 同时发生变化，故有： 一d u ：塑! 生u 塑+ m 坐 ( 2 6 ) 一= 二一二+ 一十一 l 么d j d 9d 9d r pd 9 对于柴油机，内能可简化为温度丁和广义过量空气系数口。( 表征工质的成分) 的函数， 即u = u ( l 口。) 。将u 写成全微分的形式： 鱼：丝堡i 鱼一d t z , 4 1 , - f ( 2 7 ) 一= 一 k 厶j d 9 o t d 9a 瑾，d 9 故式( 2 6 ) 可写成： 垡! 竺! 尘：u 塑+ 所f 丝塑+ 旦堕l ( 2 8 ) 二- 二= 一+ 所l 一+ 一二l l 么石， d 妒 d 缈 ia 丁d oo o t 9却j 将式( 2 3 ) 、式( 2 4 ) 、式( 2 5 ) 代入式( 2 1 ) ，可整理成下列能量守恒方程： 垫型：垫+ 盟一e a r + 办。堕+ 乃。堕 ( 2 9 ) 一= 一十一一十仃- 一十月- 一 、厶j ， d 9d 9d 9d 9 2 d 9d 9 9 大连交通大学t 学硕士学位论文 将式( 2 8 ) 代入( 2 9 ) ，并注意到券= c ，则得到温度t 对曲轴转角伊的微分方程： 孥：上f 孥+ 一d q w p _ d v + 办。堕+ 而。堕一甜塑一聊鱼堕1 ( 2 1 0 ) d 缈 历c ，i ( 劬 咖 1 d 妒 5 d 伊 8 d 缈d 缈 。a 口妒d ej 若忽略口9 对u 的影响，即善生= 0 ，则式( 2 1 0 ) 可简化为： d a 。 孥= 上f 孥+ 孥一p 孚+ 玩堕+ 吃堕一材塑1 ( 2 1 1 ) d 9m c v d 9d 9 l d 9 s d 妒 e d 9d 9 ) ( 2 ) 质量守恒方程： 拿：孕+ 孕+ 孕 ( 2 1 2 ) d 9d 9d 【pd 9 式中：脚表示系统内工质质量； 聊。表示流入气缸的空气质量； 巩表示流出气缸的废气质量； m 。表示喷入气缸内的瞬时燃料质量。 由于在实际的计算和模拟中我们所已知的变量往往不是直接的质量数值，若已知柴 油机的循环喷油量为g ，( k g c y c ) ，气缸内燃料燃烧百分数x = 堕1 0 0 ，则式( 2 1 2 ) g f 就可转化为： 瓦d m = 等+ 等+ g l 筹 ( 2 1 3 ) d 9d 9d 9d 9 ( 3 ) 理想气体状态方程： p v = m r t ( 2 1 4 ) 式中，p 、v 、t 分别表示系统内工质的压力、体积和温度，犬表示气体常数。联 立上述三个基本方程可以求出气缸内工质的压力，温度，和质量。 2 2 管内气体流动模型p 1 g t p o w e r 是一维的流体计算软件，属于计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ，c f d ) 软件范畴。计算流体力学是用数值方法通过计算机来求解各类流动问 题偏微分方程组的- - f 分支学科。直接数值求解的偏微分方程组有各种方法，如有限差 分法、有限元法、有限体积法等。 1 0 第二章计算理论及数学模型 以前内燃机一维非定常流动求解采用特征线法。特征线是通过找出流场中的特征线 方程组，沿着特征线，把偏微分方程组转化为常微分方程组求解。特征线法曾在内燃机 一维非定常流动计算中处于主流地位。但特征线方程往往是在一定的简化条件下得到 的，且需要处理复杂的内部边界条件。随着计算流体力学分析方法的逐渐成熟和广泛应 用，直接离散求解流动偏微分方程组的计算机数值解法逐渐成为内燃机流动求解的主流 方法。下面为其中有限差分法的模型方程。 2 2 1 建立数学模型 同缸内的基本控制方程组一样，也有连续方程、动量方程和能量方程。见式( 2 1 5 ) 、 式( 2 1 6 ) 和式( 2 1 7 ) 。 连续方程： 动量方程： 望+ p 丝+ v 望+ 丝一d a ：0二+ p + v 二+ l 一= a t3 瓠 a xa 叔 丝+ u 丝+ 鱼+ g ：0 一+ u + 三- + “= 钟 缸p o x ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 能量方程：( 鲁+ 。罢) 一里pr 、, 望a t + u 警 一c r 叫p c 弓+ 阳，= 。 ( 2 - 7 ， 式中：a 一截面积o g - 一流体内部比摩擦力( 剪切力) ，气体流通质量5 p 一密度； p 一一压力； d 速度； q - - - - 比传热率； c - - 等熵指数，值为2 ，即比定压热容除以比定容热容。 c y 初始条件为初始时刻管内的流动状态，式( 2 1 5 ) 的求解需要给定p 、d 和p 等的 初始条件。方程的边界条件为管进出口边界截面的流动状态随时间的变化规律。 2 2 2 网格划分及方程离散化 差分求解的第一步，是将连续的求解域用有限的离散点来代替。如图2 2 所示，可 将求解域划分成若干规则的等距网格，其x 和t 方向的网格间距分别为，和缸。纵横 直线的交点称为差分节点，其坐标为 大连交通大学工学硕士学位论文 i 。a xx j 一 歹，r t f l yi 如 。| 1 ，) ( ，糟) 歹1 ，疗) f 。w 。“一、 ： 豸 j ，| l x j = 地 j = 0 , 1 ，2 ，j f 。= n a t n = 0 , 1 ，2 ，n 图2 2 有限差分网格 f i g 2 2f i n i t ed i f f e r e n c eg r i d 任一节点( j ，n ) 表示空间的点( j a x ，n a t ) ，其上的物理量及对应的导数分别用 矿= 矽扭肚) 和( 割，= ( 割黜菰伽或h 相应的网黼q 做边腻n o 的点为初始点，其他的点称为内点。边界上及初始时刻的解已知，即问题变为如何求内 点彤。 设计好网格后，就可以把连续域上的微分方程离散为有限个网格点上的差分方程。 2 2 3 差分方程的建立 有限差分求解的第二步是将微分方程写成差分方程。微分方程记述了流动物理量等 的各项偏导数之间的关系。当偏微分方程离散为差分方程时，它的各项偏导数将离散为 差商。差商的形式称为偏导数的差分格式。由各差商项组成的差分方程的形式，则称为 微分方程的差分形式。 ( 1 ) c o o c o t 的向前、向后和中心差分格式 现以式( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 中的一阶偏导数项c o o c o t ，讨论它可能的对时间t 的差分 格式。d ( ，缸，门出) 随t 变化的曲线如图2 3 表示。 1 2 图2 3 差分近似格式示意图 f i g 2 3s c h e m a t i cd r a w i n go f d i f f e r e n c ea p p r o x i m a t ef o n i l 很明显确定中点p 处的切线斜率有许多近似方法。一般有 詈2 舰( 警) 黜( 爿黜 c 2 z 8 ， ( 2 ) a v o x 的向前、向后和中心差分格式 。式( 2 1 5 ) 和( 2 1 7 ) 中的一阶偏导数项a u 苏，对空间x 的差分格式，也有类似 的： 。 孑一”：业+ d )(219)a l 叙，x p u 1 驯 否舻b ”：华+ d ( 缸)(220)x l，缸 一p vu “w 惦( 斟= 警埘 汜2 ，) 式中：d 沁) 差分离散的截断误差。 若流动控制方程中存在二阶导数a 2 d 锄2 ，也同样可用中心差分，即 咖：生掣a 圳 (222)x 、7、- 1 3 大连交通大学丁学硕十学位论文 2 3 缸内壁温传热模型1 1 1 】 工质向气缸盖底面，活塞顶面和气缸套的内表面等燃烧室诸壁面的换热量瓯是能 量守恒方程中的一部分。根据工质对燃烧室周壁面的瞬时平均换热系数和壁面的平均 温度瓦，可以计算出瓯。按传热学中的牛顿公式，单位曲轴转角的换热量可写成： 鲁：壹警：去壹4 ( r 一乙，) ( 2 2 3 ) d 缈智d 缈缈智8 ”7 式中：缈一角速度； 口。一瞬时平均换热系数； 么一换热面积； 丁一气缸内工质瞬时温度； 瓦一壁面的平均温度； i = 1 气缸盖； i = 2 一活塞； i = 3 气缸套。 由于燃烧室内燃气的压力、温度和局部气流速度是一个瞬变过程，换热面积也在不 断改变，因此通过周壁的传热量在一个循环中不是一个常量，而是一个变量，且其变化 幅度很大，而计算工质和燃烧室诸壁面的瞬时换热量的关键是确定瞬时平均换热系数 口g 。在内燃机传热方面的研究，世界范围内许多学者对内燃机瞬时平均换热系数口g 提 出一系列的经验和半经验公式，在我们所使用的软件中，采用了w o s c h n i 公式来计算瞬 时换热系数。 a g = 8 2 0 p n s t - 。 5 3 d - 。 2 - + c 2 爱风) j ，咿k ) ( 2 2 4 ) 式中：p 气缸内工质压力； r 一气缸内工质温度； d 一气缸直径； c 卅一活塞平均速度； 见、瓦、圪一压缩始点时的气缸内工质压力、温度、气缸容积。 形一气缸工作容积； 岛一发动机倒拖时的气缸压力； 1 4 第二章计算理论及数学模型 q 一气流速度系数： c , = 6 1 8 + 0 4 1 7 乙c m u c , = 2 2 8 + 0 3 0 8 l ( 7 m , c 2 一燃烧室现状系数： ( 进、排气阶段) ； ( 压缩、膨胀阶段) ； c = 3 2 4 x1 0 - 3 ( 直喷式燃烧室) ； c = 6 2 2 x1 0 _ 3 ( 分隔式燃烧室) ； e 一稳流吹风试验时，风速计叶片的切向速度。 通过此式求出瞬时平均换热系数之后，带入换热量方程式就可以求出整个工作过程 气缸与外界的换热量。 2 4 气缸燃烧模型 在近4 0 年时间内，有关内燃机工作过程和燃烧过程数学模型的研究突飞猛进地向 前发展，先后经历了放热率计算、零维模型、准维模型和多维模型这样4 个阶段。所谓 放热率计算是根据实测的压力数据( 示功图) 估算实际放热率。这种计算一般不涉及严 格意义的数学模型。但它是研究内燃机燃烧模型，特别是研究零维和准维模型的一个重 要基础，并且在特定情况下可以在循环过程计算中起燃烧模型作用。 零维模型和准维模型都是用热力学原理分析燃烧过程，对所涉及的流体动力学过程 不予考虑，或只做极简单的处理，其控制方程是以时间为唯一的自变量的常微分方程。 零维模型把整个气缸视为均匀场，不考虑参数随空间位置的变化；准维模型则对空间作 分区处理，各区之间参数互不相同，从而能在一定程度上反映缸内参数随空间的变化。 对于特定的机型，零维和准维模型可以较准确的预测其燃烧过程的主要性能参数，准维 模型由于燃烧空间上的分区，还能在一定程度上预测排放。这两类模型方法简便，计算 成本低，目前在工程上应用较多。 多维模型是用数值方法求解描述燃烧过程的质量、动量、能量和化学组分的守恒方 程。这是一组多自变量的偏微分方程。根据空间坐标数，又可分为一维、二维、三维模 型。 g t p o w e r 软件提供包括了零维模型和准维模型的多种模型。其中的零维模型， 软件中应用的就是韦伯模型了。 大连交通大学工学硕士学位论文 2 4 1 零维燃烧模型 零维模型的建立并不涉及燃烧过程的细节和真实机理，只能对其宏观的整体效果做 出有一定精度的模拟和预测。零维模型简单点说是热力学模型，因为其参数在整个气缸 内均匀而不随空间变化，而且是以热力学的质量平衡和能量平衡关系作为全部计算的基 础。 零维模型经过3 0 多年的发展，目前已相当成熟并已广泛应用于工程实际。迄今公 开报道的零维模型是多种多样的，但基本上不外乎两大类。一类为含有一定物理意义的 半经验模型，另一类为偏重数学技巧的经验模型。这里我们选用后一类中的韦伯函数模 型来讨论。 2 4 2 燃烧过程数学模型的建立 在零维模型的主要内容是针对放热率的研究，先给出燃烧过程的基本方程： 一c l o b ：丝+ 堡4 - 盟 ( 2 2 5 ) d q , d e d 妒d e 其物理涵义是，气缸中燃烧放热率等于气缸内工质内能变化率、做功变化率及散热 率的总和。 迄今为止，关于零维燃烧放热模型很多，在进行放热率的计算上，较常用的是w e i b e 模型和w a t s o n 模型。在这里，我们采用的就是w e i b e 模型，w e i b e 模型形式简单，采 用由化学反应动力学推导出的半经验公式： 川一p 删爿“( 2 2 6 )x = l p l 讫j ( 2 ) 将上式两端对矽求导得， 坚- 6 9 0 8 盟丫盟 m e - - 6 9 0 8 【引 ( 2 2 7 ) d 伊 纯i 仍 式中：x 燃料燃烧百分数； _ d x x 随曲轴转角的变化率； d 缈 m 燃烧品质指数； 矽一瞬时曲轴转角。 纪一燃烧持续角，纯= 一； 燃烧起始角； 体燃烧终点角。 1 6 第二章计算理论及数学模型 整个燃烧过程由三元韦伯函数来表示，即有三条韦伯函数曲线叠加而成。将燃烧过 程分为预混和燃烧、主燃烧和后燃烧，三份燃烧的燃烧起始角相同，每一份燃烧都有自 己的燃烧品质指数和燃烧持续期( 占整个燃烧期的比例) 。这与传统的单韦伯模型或者 双韦伯模型相比，燃烧过程模拟的更加细致。 2 5 排放模型 对发动机燃烧所产生有害污染物的模拟和预测，是燃烧模型最重要的任务和目标之 一，笔者把它单独列出来加以说明，因为排放模型既是整个燃烧模型的一个有机组成部 分，它属于准维模型，又有其自身独具的特点。其中主要一点是化学动力学的处理。我 们知道，燃烧模型中有关燃料氧化和燃烧部分通常都避开详细的化学动力学机理，以便 把重点置于详细地计算流体运动和输运过程，因为它们对燃空混合、火焰传播、放热率 等都具有关键的作用。但是对废气排放模拟而言，目标是预测发动机所排放废气中有关 化学成分的浓度。通常这些浓度都是受化学动力学机理和反应速率的控制。因此在排放 模型中不同于其他子模型，化学动力学起着决定性的作用。然而，也正是这一点上，排 放模型的发展遭遇到很大的困难。这是因为迄今为止，除了氮氧化物之外，其他各种污 染，如h c 、c o 、碳烟和其他微粒等，其形成过程的详细机理人们还都缺乏透彻而全面 的了解。因而，对内燃机排放物的模型和预测，目前较多地还是基于经验性的现象模型。 g t p o w e r 软件中的e n g c y l c o m b d i j e t 模板，是属于准维的排放模型，它计算氮 氧化物的算法是基于扩充的z e l d o v i c h 机理，而计算碳烟颗粒是基于广安模型的算法。 2 5 1 氮氧化物排放模型列 2 5 1 1 概述 n o x 的生成是一种非平衡现象，它取决于已燃气体中的温度梯度。但由于在发动机 中高温高压的环境下，燃料中烃键部分的氧化过程进行得十分迅速，再者，尽管湍流火 焰锋面可以同时延伸到若干个涡团上，反应区仍然是很薄的。因此，可以近似地认为已 燃气体是处于化学平衡状态。d ，生成的速度远远低于燃烧速度，大部分们，是在燃烧 完成后才完成的。因此我们可以把n o , 的生成过程与燃烧过程分开。在燃烧已达平衡态 的假设下，就易于算出加，的生成率。 2 5 1 2 扩充的z e l d o v i c h 机理 n