（动力机械及工程专业论文）jx493zlq柴油机工作过程仿真与试验研究.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，目前发动机的种 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匹配之问的关系。本文根据直喷式四冲程柴油机工作过程 的特点，运用了先进的发动机性能的模拟软件b o o s t ，建立了j x 4 9 3 z l q 柴油 机计算模型，模拟了发动机的工作过程，优化设计了影响发动机性能的主要参数， 并对增压器进行了匹配计算，对于进一步优化发动机的性能有很好的理论指导作 用。为了验证模拟计算结果，还进行了发动机性能试验，通过理论计算与实验结 果的比较，验证了计算模型的合理性。 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试验 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m c n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , i ti si n e v i t a b l et od e s i g n n e wt y p eo fe n 西n e p r e s e n t l yt h e r el t r em a n yt y p e so fe n g i n e si nt h em a r k e t a n dt h e m e t h o dt oi d e n t i f yw h e t h e rt h ee n g i n ei sg o o do rn o td e p e n d so nt h ev e r i f i c a t i o no n t h e e x p e r i m e n tr i g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n i q u e ，t h eu s eo fc a ei ne n g i n ed e s i g na n d t e s tm a k e sp a r to fd e s i g nw o r ko fe n g i n ea n di ti sb e i n gd i v o r c e df r o me x p e r i e n c e d e s i g np e r i o dp r o g r e s s i v e l y t h ec a ep r o v i d e saf a s ta n dv e r a c i o u sd e s i g nm e a s u r e f o re n g i n e f i r s t l yt h eb a s i cs i m u l a t i o nt h e o r y a n dm e t h o do fe n g i n eo p e r a t i o np r o c e s sa l e i n t r o d u c e di n t h i sp a p e nb a s e do nu l t i m a t eo fe n e r g e t i e s ，g a sd y n a m i c sa n de n g i n e , w e a p p l yc o n v e r s a t i o nl a wa n de q u a t i o n , m a k eu s e o fm o d e mc o m p u t e rt e c h n i q u ea n d n u m e r i c a lv a l u em e t h o dt os t u d yb u r n i n g , h e a tt r a n s m i s s i o n , g a sf l o w , e l e m e n t m o v e m e n ta n dr d a f i o n s h i pb e t w e e ne 1 l g i n ea n dt u r b oe h a r g e n a c c o r d i n gt ot h e c h a r a e l e r i s l j co fd i r e c t 蛳e c t i o nd i e s e le n g i n ew i t hf o n rs t r o k e s ，u s i n ga d v a n c e d e n g i n ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o ns o f t w a r e b o o s t , w es c tu pt h em o d e lo fj x 4 9 3 2 1 o d i e s e l e n g i n et o s i n l n i a t e e n g i n eo p e r a t i o np r o c e s sa n do p t i m i z es o m em a j o r p a r a m e t e rw h i c ha f f e c t t h ee n g i n ep e r f o r m a n c e t h em a t c h i n gc a l c u l a t i o no n t u r b o c h a r g e rw i t he n g i n ei sc a r r i e do u ta n dag o o dt h e o r e t i c a lg u i d ee f f e c ti sa p p l i e d o np e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o no fe n g i n e i no r d e rt ov a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h e s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ，p e r f o r m a n c ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do u t 。t h er e s u l t sf r o m c a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n ts h o wt h a ts i m u l a t i o nm o d e li sr e a s o n a b l e t h es i m u l a t i o ns y s t e mo fd i e s e lo p e r a t i o np r o c e s ss t u d i e di n t h i sp a p e rp l a y s c o n v e n i e n tr o l ei nt h ed e s i g no fd i e s e le n g i n ew i t hs t r o n gp e r t i n e n c y , c o n v e n i e n t u s a g ea n dl o wr e q u e s to fh a r d w a r e k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ，s i m u l a t i o n ，o p e r a t i o np r o c e s s ，p e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t 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，也不包含为获得苤垄盘茔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。 学位论文作者签名：话语浓签字日期：秒。6 年r 月付日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘茔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：j 壬碧礁 签字日期：7 , o o 辞，月，日餐 第一章绪论 1 。1 概述 第一章绪论 1 1 1 仿真软件在发动机领域中的应用 仿真软件已经广泛应用于发动机的数值计算，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、排气污染预测汁算，结构强度计算、 结构强度计算、温度场计算及热癍力计算等。 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、迸气和排气管的结构、涡轮增压器的结构等等。 往往结构参数的轻微变化会带来各工作参数的较大变化，从而使发动机的性能指 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。如果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 1 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，确定主要部件的晟优结构参数，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验证计算提供依据。在发动机的设计阶段，通过工作 过程的模拟计算、求得缸内示功图、最高燃烧爆发压力、最高压力升高率等、 第一章绪论 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 计算方法定会日臻完善。 1 2 柴油机工作过程模拟的发展现状 目前，发动机工作过程模拟主要朝两个方向芨展；一是发展和完善实用的发动机 工作过程模拟的相关模型和计算方法，为发动机的研制开发提供可靠、便利的工 作平台；二是利用各种先进的测试诊断设备和合理韵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。 发动机工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 拟刨造了条件。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o 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。 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，耍接影响到整个 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型，它褥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析，找出规律性，用经验公式或曲线拟合的方法， 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 垃e h o u s e 的准备率模型和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b c 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v i b e 函数模型既有一定的 墨二主堕丝 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。 f 2 1 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、混合气的准备和转速等 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) 划分为着干个 区域，然后计算各个分区内的温度和浓度。由于柴油机和汽油机在混合气形成、 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，目前己发展了多种不同观点、不同功能、 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 n wt ，等人于1 9 7 5 年提出的“气相喷注燃烧模型”和f t 本广岛大学广安博之等人于1 9 7 6 年提出的 “油滴蒸发燃烧模型”最具代表性，应用较为普遍，也比较成熟。l y nw t 等火 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 稳态气相射流理论一 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，油滴间盼 相互作用以实验确定的修正系数加阻补偿。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 年代术国内外也有不少学者对此进行了专门研究，但由于涡流燃烧室结 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 迸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的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； 如果管内的流动是问题的焦点，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 第一章绪论 型和混合流动模型。 ( 1 ) 零维模型 零维模型又叫“充满一捧空”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口总的流量及总的能量，而不必追究沿管内截面 工质状态分布或其他细节，对中低速柴油机或在排气管比较短韵情况下，特剐是 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。 但) 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问变化。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f 体积1 法和有限元法等。 综观发动机模拟的发展与应用，我们看到在过去的三十多年时间里已经取 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，若采用改变上述某参 数丽固定其它参数的方法进行试验，这样不仅要浪费大量人力、物力和时间，而 且有些试验无法进行。 近年来，随着计算技术的迅速发展，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迸行数学描述，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 4 第一章绪论 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茨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 了一些特色的研究成果，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开发。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，特别是为了适应国际市场的竞争，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，建立计算速度快、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，因此选 择了零维模型作为预测发动机性能的燃烧模型。 本文通过系统的应用a v l 公司的b o o s t 软件，结合现有的试验数据，建立 了j x 4 9 3 z l q 发动机仿真模型，成功的利用了b o o s t 进行了涡轮增压器的匹配 选型并结合模型与试验研究，模拟了j x 4 9 3 z l q 柴油机工作过程，得出了柴油 机的气缸压力、温度、过量空气系数、功率，扭矩和比油耗等随发动机转速之阿 的变化规律，同是还通过对发动机的气门正时和气门叠开角进行了模拟验证，试 验结果与模拟结果有较好的一致，也验证了该模型的正确性和利用b o o s t 进行 柴油机仿真的有效性 第二章柴油机缸内工作过程物理数学模壁 第二章柴油机缸内工作过程物理数学模型 2 1 直喷式增压中冷柴油机的计算模型 在涡轮增压中冷柴油机工作过程模拟计算时先把涡轮增压柴油机的计算模 型划分为几个独立的瞬时热力平衡的系统，系统内各个部位的气体压力、温度和 成分都是均匀的，即处于瞬时热力平衡状态；系统和系统之间通过热量与质量的 传递相互联系。一般可划分为以下几个热力系统： 1 气缸子系统 一般假定柴油机汽缸中每一瞬时气体的压力、温度和成分是均匀的，可以作 为一个独立的系统，这对于四冲程柴油机能够满足精度要求。 气缸虽作为一个热力系统，但在不同的丁作阶段所采用的微分方程式不同， 在计算中，按顺序分为以下几个过程分别进行计算：压缩过程、燃烧过程、膨胀 过程、排气过程、扫气过程、进气过程。 2 排气管子系统 指从排气门到涡轮入目的排气道、排气歧管和总管。排气管的计算有两种方 法，即容积怯和一维不定常流动法。容积法忽略排气管内压力波的传播，认为每 一瞬时整个排气管系统内压力和温度均匀，排气管中是一个单纯的充填和排空过 程，由缸内进气，由涡轮端排出，排气管内的压力波动是由于进气量和排气量的 不相等造成的：一维不定常流动法则计及排气管内压力波的传播，因此每一瞬时 捧气管内的压力和温度沿排气管长度方向是不均匀的，计算过程也复杂得多。木 文采用容积法。 3 废气涡轮增压子系统 由压气机，废气涡轮共同组成一个子系统。这个子系统是基于下列假设条件 确立的：在这个子系统内每一工作循环中废气涡轮输出功正好等于压气机消耗 功，即功量保持平衡；流过压气机的空气流量和流过废气涡轮的燃起流量相等； 压气机和废气涡轮转速相等，且在一个循环内转速稳定不变。 4 空气中问冷却器子系统 对于所研究的废气涡轮增压柴油机，在热力系统划分时将中间冷却器划分为 一个子系统。中间冷却器从热力过程看实际上是一个节流，降温的换热器件，主 要是计算空气流经中间冷却器是的压力损失和计算空气流过中间冷却器后的散 热量。 第二章柴油机缸内工作过程物理数学模型 5 进气管子系统 一般假定进气管的容积足够大，其中压力和温度均匀且不随曲抽转角变化， 即进气道内进气门处气体的压力和温度就是中冷器出口之值；对于进气诣振系 统，则应考虑进气管内的压力波动按一绝不定常流动进行计算 若上述五个子系统均满足零维假设，即在子系统内各参数不随空间坐标而变 化，则子系统内各点的状态参数、工质成分处处相同；各参数只随曲轴转角而变 化；各子系统之间通过质量、能量进行交换：各子系统之间的工质流动可视为稳 定流动状态。在工作过程模拟计算中，建立子系统的能量守恒方程、质量守恒方 程和理想气体状态方程，联合求解这些微分方程组，就可得到压力等参数的变化 规律，进而计算发动机的各项性能参数。 2 2 气缸内工质特性参数计算 发动机在工作过程中气缸从外界吸入空气加上供给的燃油，最后以废气形式 排出，其间工作介质经历了许多变化。工质特性非常接近于理想气体特性，计算 中可近似地假定为理想气体。目前常用地计算方法有半经验公式、化学反应平衡 方程式两种方法，本文所研究地内容采用下述地半经验公式，用来分析计算工质 成分、气体常数、比热容、绝热指数、内能、焓等工质特性参数随柴油机工作过 程的进行而发生变化的情况。 2 2 1 工质的成分 在柴油机工作过程计算时，通常把实际循环的工质看成是有纯燃烧产物( 过 量空气系数d ；1 时的燃烧产物) 和纯空气两部分组成。在任意时刻，只要知道 该瞬时纯空气和纯燃气的成分含量和各自的热力性质，就可得到工质的热力性 质。 本文采用瞬时过量空气系数吒( 2 k 称广义过量空气系数) 来表示工质的成 分。其定义为某瞬时缸内实际存在的空气量与缸内该瞬时前缸内已完全燃烧的燃 油理论上燃烧所需的空气量的比值。即： 口。l 竺塑。三旦一； ( 2 1 ) 9 工0m 日- l ol o 1 口上0 式中m ：气缸内的工质总质量；m ，：气缸内的实际空气质量； m 。：某瞬时前气缸内已完全燃烧的燃油质量； k ：理论空气量( k = 1 4 3 k g 空气k g 柴油) 。 瞬时过量空气系数随曲轴转角的变化率为： 堕。l f 丝一生堕1 ( 2 2 ) d 妒m 口l o ld 妒 n bd 妒j 一个工作过程循环中柴油机气缸内的吒是不断变化的，其变化情况分析如 下： 苎三童矍塑垫坚塑三垡垫壁望里塾兰堡型 一 压缩阶段中，气缸内无新工质流入，又无燃烧，工质成分保持不变，塑d e 【三一o ， - 常数，若假定为纯空气，则= m ，实际计算是通常取口，1 0 4 a 燃烧阶段中，燃烧开始的瞬问，。为定数，随m 。而变化一 膨胀阶段中，气缸内工质成分不变，一常数，鲁。o 单纯排气阶段中，气缸内工质成分不变，一常数，d d o 口t - o 。 单纯进气阶段中，假定气缸内燃油质量m 。一定数， 4 m 。4o l 0 堕一望堕 d 9m 。l od 妒 2 2 2 瞬时相对分子质量心与瞬时气体常数心 发动机工作过程数值计算中，瞬时相对分子质量及瞬时气体常数视为随曲轴 转角而变化的变数。本文采用由基南凯( j ，k c e n a n & k a 弘) 气体表用晟小二乘法 回归的公式为： 心- 2 8 ，9 7 0 5 + 0 0 4 0 3 ( 2 3 ) 只。9 8 1 x ( 2 9 2 6 4 7 0 0 4 0 2 a , ) j ( k g 目 ( 2 4 l 2 2 3 瞬时绝热指数及瞬时比热容 瞬时绝热指数的串山公式为： k 。- 1 4 3 7 3 - 1 3 1 8 x 1 0 4 t + 3 1 2 x l o - 8 玎2 4 8 x 1 0 2 ( 2 _ 5 ) 当r 、l 值求得后，由热力学公式可知，亦可按下述方法计算比热： r c 5 k - 1 r 墙 。，。孬 2 2 4 内靛h 丰口熠h 理想气体的内能和焓之前的关系，可用热力学恒等式表示：h 一“+ r t 理想混和气体内能是温度和瞬时过量空气系数的函数，h ，“叮，) a 根据尤 斯蒂比热表数据整理的解析式为： 删艄s h 唧“0 矿0 4 8 5 1 尸刮3 枷。卜+ 荸卜冽x 1 0 4 + 【勰9 s + 警卜脚1 0 - 2 + 1 3 5 6 8 j 眨- 6 第二章柴油机缸内工作过程物理数学模型 2 。3 缸内热力过程基本微分方程 发动机缸内的工作过程复杂，它是包含物理、化学、流动、传热、传热、传 热、传质等综合过程。为了描述气缸内工质状态变化，视气缸为一个热力系统， 系统的边界活塞顶、气缸盖及气缸套诸壁血组成。系统内工质状态由压力p 、温 度r 、质量r t l 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r 及质量m 三个基本参数。 2 3 1 基本假设 直喷式柴油机缸内热力过程的零维数学模型把气缸视为一个零维系统。为 了描述这个系统，特作如下基本假设： 1 缸内工质状态均匀，即同一瞬时气缸内各点的压力、温度和浓度处处 相等。并假定进气期间，通过系统边界进入气缸内的空气与缸内的残余废气实现 瞬时的完全混和； 2 工质为理想气体，其比热、内能和焓等参数仅与气体温度及气体成分有。 关： 3 工质流入或流出气缸内的流动过程视为准稳定流动，即在足够小的计算 步长a 妒内视走稳定流动； 4 工质进、出口的流动动能忽略不计； 5 把燃料燃烧释放化学能的过程，看成是外界按已知的表现放热规律向系 统内工质加热的热力学过程。 2 3 2 基本微分方程 1 ，能量守恒方程 百d ( m u ) 一等一等+ 吃等叩瓦d v 一也等 d 妒 d 妒d 妒 d 妒d 妒d 妒 ( 2 - 7 ) 通常情况f ，缸内的比内能“和质量m 同时发生变化，故有 ac m u ) 。“粤+ m 粤( 2 - 8 ) d 妒d 妒d 妒 对于柴油机内能可简化为温度和瞬时过量空气系数的函数，即 n 。“( r ，) 。将“写成全微分的形式； 一d u 。一o u d t + 旦堕 ( 2 9 ) d 妒a 1 d 9o c t 。d 妒 将式代入式中，并注意到等t q ，则温度r 对曲轴转角妒的微分方程为： 9 一一 蔓三雯墨垫垫堡蝗三堡塾堡望堡垫兰墼型 堑。土f 堕一盟p 坐+ 见堕妇，堕。塑一m 旦堕1 ( 2 1 0 ) d 妒m - c v id 尹d 中d 妒d 妒。d 中 d 妒 a d 妒j 上述各式中p ：缸内工质压力；矿：气缸工作容积； g ：燃料在气缸内燃烧放出的热量； 瓯：通过气缸诸壁面传入或传出的热量； m 、。：流入、流出气缸的工质质量； t 、趣：迸气门、排气门处工质的比焓。 2 质量守恒方程 dmd m s d i n , _ + 堕 ( 2 1 1 ) d 俨d 妒d q , d q , 式中m 。一喷入气缸内的瞬时燃料质量。 若已知发动机的循环喷油量为g ，( 船i c y c ) ，气缸内燃料燃烧的百分数 x ；塑1 0 0 ，则譬；g r 竺 g r 妒 口矿 燃料燃烧放出热量随驴的变化率为： 等嘶筹嘶仇 ( 2 _ 1 2 ) 式中 以：燃料低热值，对于柴油机见一4 1 8 6 8 x 1 0 3 ；仇：燃烧效率，计及不 完全燃烧的影响，其值取决于燃烧状况。通常为了简化计算。取吼t l 。 质量守恒方程式写为： 塑。堕一堕r 坚 ( 2 1 3 ) d 妒d 妒d 妒。d c p 3 理想气体状态方程 p v 。m r t ( 2 - 1 4 ) 能量守恒方程式、质量守恒方程式和状态方程式，三个方程联合求解即可 得到确定气缸内状态的三个参数：压力p 、温度r 、及质量m 上述三个方程中 所含的d y 、嘏、d 蜴、d m , 、d 鸭等微分变量是微分方程求解的边界条件，它 们的计算公式将在后面介绍。 2 4 气缸内各阶段的热力过程分析 在气缸内，微分方程组的求解计算是分阶段进行的，阶段划分如图所示，通常 选择实际压缩始点，即进气门关闭时刻作为计算始点，循环至下一个循环的进气 门关闭时刻结束。各阶段的起止时刻由配气正时控制，配气正时角度值作为已知 数据输入。 第二章檠油机缸幽工作过程物理数学模型 从j i i 一 ，p 止- 甑t 点下止点 l 匕a下上匕点 妒 避气r 1 关 # 气门开进气1 开爿#弋f 1 关进q门关 圈2 ，1 气缸内工作蛙程计算备阶段捌分示意田 ( 1 ) 压缩及膨胀阶段 压缩阶段由进气门关闭时刻起至着火燃烧开始时刻止。膨胀阶段由燃烧终点 起至排气门开启时刻止。此阶段迸、排气门关闭，无燃料喷入气缸，气缸内工质 质量不变。 质量守恒方程式简化为：d _ m 。0 4 0 能量守恒方程式简化为：_ d t ! 一( 生墼一p 孚) ( 2 1 5 ) a 妒m c ，4 妒口妒 ( 2 ) 燃烧阶段 燃烧阶段由燃烧开始时刻起至燃烧终点止。此阶段中进、排气门皆关闭，但 有燃料逐步喷入气缸，故质量守恒方程式简化为： 一d m d r a b g r 坚 ( 2 1 6 ) d 9 4 妒 。d 9 能量守恒方程式简化为； 一d t 。上( 监+ 监一p d v 一“塑一m 旦堕) ( 2 1 7 ) d 妒m c ，、d 妒d 妒d 妒d 妒a 口。d 妒 忽略a 。对u 的影响， z d t 上( 譬+ 孥一p 坐一“为 ( 2 - 1 8 ) d 中m c ，d 甲d 甲。d ed 妒。 ( 3 ) 进、排气过程 此阶段中，有新气进入气缸，同时又有废气流出气缸，无燃烧反应， 穹生。o ，孕。0 ，质量守恒方程式为： d 伊4 尹 塑；堕+ 堕( 2 1 9 ) d 甲d 9d 节 能量守恒方程式为： l 】 第二章柴油机缸内工作过程物理数学镤跫 筹一志c 等一p 面d v 吨等吨等一“筹一m 嚣面d o f f , ，( 2 - 2 0 ) 两式整理得： 嚣- 志等一p 筹地) d 万i n s 地训等 沼z d 对缸内的热力过程进行分析计算，主要是确定热力过程各阶段工质状态变化 的规律及能量转换的情况。在气缸内，微分方程的求解是分阶段进行的。通常选 择实际压缩始点，即迸气门关闭时刻作为计算始点，一直逐步计算到下一个循环 的进气门关闭时刻为止。整个循环可以分为压缩、燃烧、膨胀、纯排气、进排气 门叠开和纯进气等六个阶段。各阶段的起止时刻由配气正时控制，配气正时角度 值作为己知数据输入。在不同阶段中，能量守恒方程式、质量守恒方程式可作相 应的简化。下面分各个阶段进行分析。 2 4 1 压缩阶段 压缩阶段是从进气门关闭至燃烧开始时刻止。此阶段进排气门均处于关闭状 态，若不计漏气损失，并假定在燃烧开始才有燃料喷入气缸，故压缩阶段中气缸 内工质质量保持不变，譬。0 ，孕。0 ，皇鍪0 。 盯舻d pa 妒 质量守恒方程式简化为： dm：0(2-22) d 田 压缩阶段，既无气体流入、流出气缸，又无燃烧反应，因此工质成分不变， 瞬时过量空气系数。等于定值，即考孑一o 。由于无燃烧反应，故等。o ，这 样能能量守恒方程式( 2 - 1 0 ) 简化为： 面d t - 熹mf - 警- p a ( 2 - 2 3 ) d 矿 q l d 妒1d 中j 2 。4 2 燃烧阶段 燃烧阶段从燃烧开始时刻至燃烧终点止。此阶段中，进、排气门处于关闭 状态，但有燃料逐步喷入气缸，故质量守恒方程( 2 1 3 ) 简化为： 粤。錾略华 ( 2 - 2 4 ) 面。苟吖，石 必 在燃烧阶段，能量守恒方程式( 2 1 0 ) 简化为： 苎三童鉴鎏垫篁堕三生堕堡塑垄鍪兰壁型 监 塑；上f 监一盟一。塑一p 坐一一。旦堕1 ( 2 2 5 ) d 妒 肺。c v ld 妒 d 妒d 矿。d 妒o d 妒j 2 4 3 膨胀阶段 膨胀阶段从燃烧终点至捧气门开启时亥4 止、此阶段与压缩阶段类似，进、排 气门关闭，气缸内工质质量不变，但数量上比压缩阶段增加了一个循环的喷油量 g ，即 d r n _ _ l 。0 丝；0 垃。0 ，堕。o 。 ( 2 2 6 ) d 矿d 妒d 妒d 妒 质量守恒方程式( 2 - 1 3 ) 、能量守恒方程式( 2 1 0 ) 都简化为与压缩阶段相 同的形式。 2 4 4 换气阶段 在这一时期，气缸内无燃烧反应，故粤蔓。0 ，但通过系统边界有质量传递。 盯印 根据质量传递情况，将换气期分为纯排气、气门叠开、纯进气三个阶段。 在纯排气阶段无气体流入气缸，但有废气排出缸外，工质成分不变，即 亟。o ，堕。0 ，孥，0 ，因而此阶段质量和能量方程简化为： 痒妒d 妒d 妒 塑。! 堕 ( 2 2 7 ) d 妒d 驴 一d t 上f 蝗一盟一p 坐妇，堕一m 堕1 ( 2 - 2 8 ) d 驴 圻q id 妒 d 妒d 尹d 妒d 妒j 纯进气阶段中，譬：0 ，皇 0 ，质量守恒方程和能量守恒方程简化为： 口驴口妒 d m 。d m , ( 2 - 2 9 ) d 口d c p d t ，土f _ 盟一p 坐+ 。堕。塑一。堕堕1 ( 2 3 0 ) d 妒 所氐l如 1 矗中5 矗妒d 妒 8 口f 如j 进排气门叠开阶段中，既有新气进入汽缸，同时又有废气流出气缸。此阶段 无燃烧反应，皇墼，0 ，粤生。0 ，因而此阶段质量和能量方程变为： 笙三童鳖塑垫篁塑兰生垫堡塑望墼兰塑型：。 塑。皇生一d i n , ( 2 - 3 1 ) d 妒d 妒d 妒 筹。志( - 等一p 筹+ 等一心等一筹一毒等1 q 。z ， 从上述分析可知，考虑各阶段特点后得到的简化了的微分方程，分阶段进行 求解，这将使计算工作量明显减少。 2 5 缸内工作过程计算的边界条件 2 5 1 气缸工作容积 发动机工作过程计算巾，发动机的主要结构参数如气缸直径d 、活塞行程s 、 连杆曲柄比a 、压缩余隙容积k 、压缩比等均作为已知数据输入的，根据这些 数据即可算得瞬时气缸工作客积随曲轴转角变化的规律。 瞬时气缸工作容积为： y 一等睁沁扣( 刮一i 1 冈炉， 式中，曲轴转角矿( ? c 卅) 从曲柄在上止点时取妒一。算起。 气缸工作容积随曲轴转角的变化率为： d v 口2 ，d 2 s d 8 x 1 8 0 s i f 旦矿1 + 兰 l i s o 7 2 式中。堡当：压缩比； 矿 2 5 2 气缸周壁的传热 v , - 三d 坻：气缸工作容积 ( 2 3 4 ) i 质向气缸盖底面、活塞顶面和气缸套的湿润表面等燃烧室诸壁面的换热量 见是能量守恒方程( 2 - 1 2 ) 的一部分。根据工质对燃烧室周壁的瞬时平均换热 系数和壁面平均温度瓦，按传热学中的牛顿公式，可以计算出见。单位曲轴 转角的换热量可写成： 等；去扛4 ( r 剖 s s ， 第二章柴油机缸内工作过程物理数学模型 式中：”柴油机转速，r r a i n ： q 瞬时平均传热系数，d 印2 j j p ； 4 换热面税，r a 2 ； z 气缸内工质瞬对温度，k ； z ，壁面的平均温度，k ； it l 2 ，3 分别指气缸盖、活塞和气缸套。 气缸套的湿润表面 随9 的变化值，可按活塞位移公式计算出。活塞位移随 舻的变化为： 咖，诽甘h 副+ 万1 ( 2 3 6 ) 气缸套湿润表面面积丘为； 4t z d s o + x ( 引1 ( 2 3 7 ) 式中：只_ 余隙高度。 因为本论文计算的是直喷式四冲程增压柴油机，所以燃烧室周壁的瞬时平均 换热系数口。采用_ y o s c h n i 公式计算，即： 中8 z 哕矿3 卟q + c 2 蛩( p 晶) 协3 8 ) 式中：只气缸内工质压力，m p a5 正气缸内工质温度。k ； d 气缸直径，m ； c ：活塞平均速度，m s ； e 、k 压缩始点时的气缸内工质压力( 挺阮) 、温度( k ) 、 气缸容积( ) ； k 气缸工作容积，m 3 ； 只发动机倒拖时的气缸压力，m p a ； c 稳态吹风试验时，风速计时片的切向速度，m s ； e 气流速度系数： c 1 c 1 # 6 1 8 + - 2 2 8 + ( 进、排气阶段) ；( 2 3 9 ) ( 压缩、膨胀气阶段) ； ( 2 4 0 ) c 2 燃烧室形状系数，c 2 - 3 2 4 x 1 0 。 旦q 鱼q 7 8 l 0 4 3 n 0 第二章柴油机缸内工作过程物理数学模型 2 5 3 燃烧放热率计算 气缸内燃料燃烧的瞬时燃烧放热率按下式确定： 等啊帆吖筹( 2 - 4 1 卜 气缸内燃料燃烧百分数石是表示某一转角时，累计燃烧掉的燃料量m 。与循环喷 油量g ，之比，即： z 。监x 1 0 0 ( 2 - 4 2 ) g 式中 a x d 舻：燃烧速率，或称放热率 由于发动机的燃烧过程极为复杂，婴；，和) 与燃烧的物理、化学过程，发 口。 动机的结构参数及运行参数等众多因素有关，很难用一个精确的数学方法来描 述。目前常用的方法有用实测示功图计算、用半经验公式模拟两种方法。 本文采用单韦伯曲线来模拟燃烧放热规律，如图2 1 所示。 瓜夕 = = 一 譬、 t - f i |毫i 7 谌 = 2 s 正 琦 崔 一叠鬯；，氍=o崔 线 孔 叫蛾 淼 嚣 绷嘣 蚋单 淬e ：暑 淼 攀 荔 黧；瓤1景式)擞鳓慧擗隋撇判 放 名 潞枷 聂一 第二章柴油机缸内工作过程物理数学模型 高比亦越大： k 常数，一般取6 9 0 8 ； 以燃烧开始角； 妒燃烧持续角。在标定工况正常燃烧情况下一般取5 5 。8 矿之间 在非标定工况下的放热率与标定工况时的不同，在用韦伯半经验公式计算 时，m 、吼及a 尹的值与标定工况时不同 进行变工况计算时，、妒，、f 等值仍保持原标定工况时的值不变。 下列参数需作修正，其中，扩散燃烧持续角为： - 。( 詈厂( 詈厂 c z t t ， 式中口：燃烧过量空气系数：n ：发动机转速；下标0 ；标定工况( 下同) 。 ( 24 5 ) 式中g ，：循环喷油量；巳：在着火提前角( 从上止点算起的燃烧着火角) 2 5 4 进、排气流量计算 通过进、排气门流入或流出气缸的流动过程视为准维流动过程，即当计算步 长足够小时，一个步长内的流动过程认为是稳定流动过程。进、排气门的侯口相 当于一个流通面积随时间而变化的孔板，并假定为一维等熵绝热流动。这时，在 d 妒曲轴转角内，流过气门的流量d m 为： 1f d m 一二卢，f 羔土妒d 妒 ( 2 - 4 6 ) yq 式中 n ：发动机的角速度：t ：流量系数；f ：瞬时几何流通截面积： 妒：流动函数； a ：气门前工质压力；码；气门前工质比容。 2 5 4 1 经进气门流入气缸的流量变化率 进气阀处( 用下标s 表示进气管状态) 的流动均属于亚临界流动，进气流量变 化率为： d 矿m 一1 6 n 舭南 d 妒一5 、慷- t 式中n ：发动机转速； 隔 以：进气门流量系数 、j 生丛钉 ； 芦 珂 q 撇 驴 燃的烧燃& 口混预 第二章柴油机缸内工作过程物理数学模型 ：班气i 】胖时的儿1 q 新l 通截面积； 见、t ：进气门前( 进气管状态) 工质的压力及温度； 是、匙：进气门前(