（动力机械及工程专业论文）495电喷汽油机进气过程仿真及试验研究.pdf

摘要 随着我国汽车产量和保有量的不断攀升，以及越来越严重的能源危机和不 容忽略的环境污染问题，对汽车提出更高的节能和环保的要求。为了节约能源 和满足排放要求，目前使用的汽油发动机大都采用了电控喷射方式，以提高空 燃比的控制精度，但是要满足更高的节能和环保的要求还需要对汽油发动机的 空燃比进行更精确的控制，基于模型的空燃比控制是目前国内外研究的热点问 题。精确计量汽油机的迸气空气流量是实现这种控制方法的前提。本课题的主 要任务就是对汽油发动机的进气过程迸行研究。 本文对目前汽车机进气过程的研究现状进行了综述，确定了研究方案。建 立了汽油机进气歧管状态一维均和二维均值模型，然后在m a t l a b s i m u l i n k 环 境中对所建立的模型实现了仿真计算，比较了一维和二维模型的精度。 本文还建立了汽油机的非均值模型，其中涉及到的模型有汽油机的进气过 程模型，燃烧模型、燃油喷射模型及其燃油蒸发模型等等。然后在r i c a r d ow a v e 仿真环境以及在r i c a r d ow a v e 与m a t l a b s i m u l i n k 的联合仿真环境中对其进 行了仿真，得到了需要的发动机性能参数结果曲线。 最后，在w f 4 c 2 7 f - - e 型电喷汽油机( 4 9 5 汽油机) 上进行了试验，将试 验结果和前面得到的模型仿真结果进行了对比分析，以所建立的模型进行了验 证。 关键词：均值模型；非均值模型：仿真；进气空气流量； a b s t i n c t w i t ht h ei n c r e a s i n gq u a n t i t yo ft h ea u t oi nc h i n aa n dr u n n i n gs h o r t o fp e t r o l e u ma n dw i t ht h et i g h t e n i n go fe x h a u s te m i s s i o ns t a n d a r d s ， i ti sn e c e s s a r yt om o r ea c c u r a t e l yc o n t r o la fi nas t o i c h i o m e t r i c p r o p o r t i o n t h o u g hm o d e r na u t o sa r ea s s e m b l e de f is y s t e m ，t h ep r e c i s i o n o fa fc o n t r o l l i n gi ss t i l ln o te n o u g h i ts t i l ln e e dt oi m p r o v et h e p r e c i s i o no fa f i no r d e rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no fa f ，i tn e e d t ow e l la n dt r u l ym e a s u r et h ef l u xo ft h ea i r t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e r i sr e s e a r c h i n gt h ei n t a k ep r o c e s so ft h eg a s o l i n ee n g i n e am e a nv a l u em o d e lh a db e e nf o u n d e di nt h ep a p e ra n dt h e nt h ea u t h o r r e v i s e dt h em o d e l t h et w ok i n d o fm o d e l sw e r es i m u l a t e di n m a t l a b s i m u l i n ka n dt h e nt h er e s u l t so fm o d e l sh a db e e nc o m p a r e d t h e a u t h o ra l s os e tu pt h et h e r m o d y n a m i c sa n df l u i dd y n a m i c sm o d e l sf o r t h eg a s o l i n ee n g i n ea n dt h e nt h e s em o d e l sw e r es i m u l a t e di nr i c a r d o w a v e i no r d e rt ov a l i d a t et h ev a l i d i t yo ft h em o d e ls e tu pb ya u t h o r ， as e to fe x p e r i m e n th a sb e e nd o n ei ng a s o li n ee n g i h e t h ee x p e r i m e n t r e s u l ts h o wt h em o d e lh a sg o o dv a l i d i t yi nm a n yo p e r a t i o nc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：m e a nv a l u em o d e l ：n o n m e a nv a l u em o d e l ：s i m u l a t i o n ；t h e f l u xo fi n t a k e ： 浙江大学硕士学位论文 第一章综述 1 1 选题的背景和意义【5 0 】 我国汽车产量和保有量持续高速增长，直接导致环境污染和能源消耗问题 日益严重。解决这两个问题最关键的应对技术就是对发动机缸内的燃烧情况进 行优化，精确控制发动机气缸内的空燃比。发动机是一个非常复杂的研究对象， 衡量发动机性能的各项指标经常会有冲突，因此，在对发动机进行控制时，应 当尽可能地使发动机的整体性能最优。但有时会特别追求发动机的某项性能指 标，根据追求的性能指标和解决问题的侧重点不同，空燃比具有不同的控制目 标。 当前全球的环境污染问题非常严重，保护环境，减少环境污染刻不容缓。 大气污染物的一个重要来源是汽车排放的尾气。汽车尾气中含有多种具有污染 性的物质，因此减少汽车排放污染物是当前环境保护的当务之急。本课题的研 究任务便是针对减少汽车尾气排放提出来的。 现代汽车上大都安装了三元催化转化器( t w c ) ，以对汽车排放尾气进行 后处理。三元催化转化器对汽车排放污染物的净化转化效果受发动机空燃比的 影响非常大，只有发动机的实际空燃比处于化学当量空燃比附近时，三元催化 转化器才具有很好的汽车尾气催化转化净化效果。 传统的电喷汽油机空燃比控制策略都是以预先制取的喷油m a p 图为基 础，控制喷油脉宽。常规的汽油机喷油控制m a p 是以台架试验所得数据为依据 而获得的，它不仅费时、费力、费财，而且也因一些试验数据相对离散而使处 理变得复杂化。为了获得喷油脉宽控制m a p ，需要首先获得随转速和进气管绝 对压力变化的发动机充量系数m a p ，进而由气缸容积求出进气量，然后由空燃 比计算出所需的喷油量，最后由喷油量特性计算出喷油脉宽。用这种方法得到 的喷油脉宽只是最基本的喷油脉宽，对于不同的具体工况，实际的喷油脉宽则 要加上修正量，这无疑又增加了试验的工作量。而且，喷油脉宽修正量的可移 植性比较差，对于不同的机型，要分别进行标定、修正，即是是同一种机型， 由于制造误差等原因，喷油脉宽的实际修正量也会有差别。因此，传统的空燃 比控制策略在提高空燃比的控制精度方面具有很大的局限。 浙江大学硕十学位论文 上个世纪末出现的基于非线性、多变量的发动机动力模型的空燃比控制策 略则可以突破传统空燃比控制策略的局限。大多数基于非线性、多变量的发动 机动力模型的现代空燃比控制策略最终的空燃比控制效果在很大程度上依赖 于这些模型的精度。不幸的是，在早期的空燃比控制研究中，将空燃比控制研 究的重点放在了控制理论方面，而不是控制策略本身所依赖的模型的精度上。 随着汽车技术的发展和能源危机以及环境污染问题的日益严重，对现代汽 车空燃比控制精度提出了更高的要求，单单对空燃比控制方法进行优化以提高 空燃比控制精度的技术已经不能满足当自i 形势对空燃比控制精度的需求。这使 得汽车研究者开始重新重视空燃比控制策略所依赖的模型的精度，目前已经有 越来越多的研究者着手于提高已有发动机模型的精度或建立新的精确度比较 高的发动机模型方面的研究，并且使得这些模型能够方便地在单片机上实现， 从而最终能够作为实用汽车的空燃比控制策略，进而在汽车空燃比控制精度上 取得新的突破。 要将发动机的实际空燃比控制在化学当量空燃比附近，对于目前广泛应用 的电喷汽油机来说，精确计量进气空气流量是关键。只有精确计量发动机每循 环的进气空气流量，才能够精确地确定以发动机循环进气空气流量为依据的发 动机循环的喷油量。在精确计量发动机每循环的进气空气流量和精确控制喷油 的基础上，才可能实现将空燃比精确控制在化学当量空燃比附近。 鉴于精确计量发动机进气空气流量的重要性本课题电喷汽油发动机进气 过程仿真及试验研究就是针对进气空气流量对空燃比控制的重要性提出来 的。发动机的进气工程对空燃比控制的具有十分重要的意义，因此，对发动机 的进气过程进行研究也是形势所需。 浙江大学硕士学位论文 l t2 国内外研究现状【i 】【3 瞰1 1 3 l 在上个世纪8 0 年代，国外出现了发动机模型研究的热潮，直到现在这一 热潮仍然在继续。 最简单的进气歧管流动模型是将进气歧管的流动模拟成充气一放气模型， 此模型将进气歧管视作一空气泵。空气流流经节气门后，进入进气歧管，泵出 进气歧管后进入气缸。假设不存在泄漏，在稳态工况下，进入歧管的空气流量 和流出歧管的空气流量相等；在过渡工况下，两者不再相等，此时采用连续性 方程和理想气体状态方程来描述这一进气歧管内的动态特性，用进气歧管压力 来描述这一动态过程。 随后，众多学者对发动机作了大量的研究，对发动机的整个工作过程建立 了许多非线性模型。自a q u i n o c f 提出燃油蒸发和动力传输均值模型后，出 于均值模型具有精度较高、求解方便的优点，很多学者对均值模型进行了详细、 深入地研究。其中，最具代表性的是d e n m a r k 工业大学汽车控制系统研究所的 e l b e r th e n d r i c k s 等人对此所做的研究，他们在对发动机的工作过程进行深 入研究的基础上建立了发动机均值模型，随后，又特别对发动机的进气过程进 行了详尽深入地研究，进而对先前提出的发动机模型给出了的改进方案。 e l b e r th e n d r i c k s 等人所建立的发动机进气歧管状态均值模型是对发动机多 个循环进行模拟，在发动机进气歧管中运用连续性方程和理想气体状态方程描 述进气歧管的压力变化状态。均值模型既可以对发动机稳态工况进行模拟，有 可以对发动机的过渡工况进行模拟。 随着带有废气再循环( e g r ) 的汽车发动机的出现，因为现有的发动机进 气模型已经不能准确地模拟带有废气再循环的汽油机的迸气工作过程。废气再 循环改变了进气歧管内的能量平衡，使得传统的发动机进气歧管状态均值模型 很难精确估计进气量。废气再循环的引入给精确控制空燃比增加了很大的难 度。e l b e r th e n d r i c k s 在对带有废气再循环的发动机的进气过程进行详细研 究的基础上，建立了带有废气再循环的发动机进气歧管状态均值模型“。 出于发动机模型是建立在发动机的物理特性和一些发动机稳态试验数据 的基础之上，这类发动机模型通常都是由一些非线性方程、m a p 查询表和一些 回归函数所组成，它们通常都作了一些偏离实际情况的理想假定或者使用了一 浙江人学硕士学位论文 些试验数据，因而这样的模型一般不能完全描述发动机的动态特性或非线性特 性，。进入本世纪后，已经有学者运用神经网络对非线性的发动机模型进行辨 识1 ，尤其是针对发动机进气过程建立的模型进行了运用。 自上个世纪9 0 年代，国内汽车研究工作者也开始重视发动机模型的研究 和应用。清华大学的张文海等人以a q u i n o c 。f 提出的均值模型中的燃油动力 子模型为基础，在对电控汽油机进气管内油膜传输特性进行研究的基础上，对 a q u i n o c f 给出的燃油动力均值模型中的燃油特性参数和燃油传输参数进行 了辨识，随后，开发了以此为基础空燃比控制器，得到了比较好的空燃比控制 效果。清华大学的孙磊等人将均值模型应用于空燃比控制的硬件在环仿真，也 取得了比较好的实际运用效果。目前，国内对发动机模型的研究正在如火如荼 地展开。 1 3 研究方案 鉴于发动机模型研究和准确计量发动机进气空气流量对发动机空燃比控 制的重要性，本课题将对发动机的进气过程进行专门和深入的研究。本课题的 研究目标是建立比较完善的基于发动机进气过程的进气空气流动模型，为开发 基于发动机进气过程模型的空燃比控制策略提供理论支持。 本文针对4 9 5 型电喷汽油机的进气过程进行研究，建立发动机进气歧管状 态均值模型，随后在m a t l a b s i m u l i n k 中对其进行了仿真实现。 为对所建立的发动机进气歧管状态均值模型进行验证，随后对发动机的进 气过程建立了流体力学和热力学模型，为对所建立的发动机进气过程模型进行 求解，本文还在对汽油机燃油喷射过程和燃烧过程等进行研究的基础之上建立 了发动机燃油喷射模型、燃油蒸发模型和发动机燃烧模型，然后在r i c a r d o w a v e 仿真环境中对随建立的非均值模型进行了仿真实现。 最后，搭建试验台架，在4 9 5 型电喷汽油机上进行试验，将试验数据与仿 真数据作出对比分析，实现对所建立的模型进行初步验证。 4 浙江大学颂+ 学位论文 1 4 本文的主要内容 第一章综述了为精确控制空燃比而进行的发动机模型研究的发展历史及 其发展现状，阐述了开展本课题研究的重要性、必要性以及本课题的目标、任 务和研究方案。 第二章对汽油发动机的进气过程进行专门研究的基础上，建立了汽油发动 机进气歧管状态均值模型。 第三章对汽油发动机的进气过程建立了基于流体动力学和热力学非均值 模型，为了对所建立的进气过程模型进行求解，建立了汽油机的燃油喷射模型、 燃油蒸发模型以及燃烧模型，并给出了响应的求解条件。 第四章对在第二章中建立的汽油发动机进气歧管状态均值模型在 m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境中实现仿真运算，并对一维和二维均值模型得到的 仿真结果进行了对比，分析两模型的精度。 第五章对在第三章中所建立的汽油发动机非均值模型在r i c a r d ow a v e 仿 真环境中实现仿真，并在某些工况下与均值模型的仿真结果进行了对比验证。 第六章在试验台架上进行了试验，对前面的模型仿真结果进行初步的验 证。 第七章主要探讨了本课题中所建立的汽油发动机模型存在的不足以及可 能采取的改进方法，同时还探讨了试验测试手段存在的不足。最后，对基于发 动机物理模型的空燃比控制策略作了展望。 浙江大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章均值模型 均值模型的建模思想是基于发动机的一个或几个循环来预测平均的外部 变量( 如曲轴转速和进气歧管压力) 和内部变量( 如燃烧效率和充气效率) 的值。 均值模型描述的是比一个发动机循环时间稍长的时问内的发动机参数性能的 动力性模型。通过对模型的参数进行调整，均值模型可以准确地动态预测必要 的发动机变量，并且具有结构紧凑，运算速度快等优点。 对于汽油机来说，最重要的模型微分方程便是进气歧管状态方程。由于没 有可供应用的可以直接对进气口空气流量进行在线测量的传感器，因此，在实 际应用中，都采用进气歧管状态模型来预测节气门快速变化的过渡工况下汽油 发动机的进气量，以保证汽油发动机的燃油供给系统供给适量的燃油，对于稳 态工况，进气口处的空气流量就等于节气门处的空气流量，可以直接由节气门 空气流量计测得或者由压力传感器测得的压力信号采用速度一密度方程计算 获得。 本章节的主要任务是对4 9 5 型汽油机的进气过程进行研究，建立进气歧管 状态均值模型。 2 2 汽油机进气歧管均值模型。4 ”“4 对所研究的样机4 9 5 型汽油发动机的进气过程建立均值模型，模型的控制 方程如下： 。：一。：( 2 1 ) 柳。聊m 脚。 ：为节气门体处空气流量率 ，挖州 管内的空气流量率。 为进气口空气流量率；。为进气歧 7咒印，行。 结合理想气体状态方程，进气口空气流量率。可以表示如下 ，挖埘 6 浙江大学硕士学位论文 7 ；z 。一- - 面n 即盯南甓褂( 2 - - 2 ) 结合理想气体状态方程，方程( 2 - - 1 ) 左边的进气歧管内的空气流量率 。，可表示为： ：丝坚：( 2 - - 3 ) 结合( 2 - - 1 ) 、( 2 - - 2 ) 、( 2 - - 3 ) 式，有： 窑r t 一旦1 2 0 铃p 一+ ，；z h 。) ； c z 叫 。r t 。，p m 一。r ”j j 厶一志岂啪+ 告私p 一) ；( 2 - - 5 ) 其中v 。为发动机气缸容积：矿一为进气歧管容积；在不考虑换热的情况 下，认为进气歧管温度丁一等于环境温度丁。；p 一为进气歧管内的压力； p 为空气密度；，为气体常数；7 7 。为发动机充量系数：二 k p 一) 为进气 tv m 歧管内的空气流量率；挖为发动机气缸数。 由经验公式，节气门处的空气流量率。可以表示为下式( 2 6 ) ： 私死) 2 c ，磋， ) ：+ o c z 训 其中后2 乡磊一1 ) 。为绝热指数，对于空气丘取1 4 ； ) = 1 一c 。s 一甜。) ： 口。为节气门全闭时的角度；c ，为节气门处的流动系数；t 。为环境温度， 其取值为2 9 3 k ；p 。、r 、d 均为物理常数，分别表示环境压力、气体常数 和节气门直径，p 。取值为1 0 1 3 1 0 5 p a ，r - - - - 2 8 7 o j k g k ；4 9 5 型汽油发动 浙江人学硕士学位论文 机节气门体的直径d 为6 0 m m ；_ 为节气门全闭、发动机处于怠速运转时的 ，卵m 。 空气流量，经过标定，其取值为0 0 0 5 2 k g s ；p 为进气歧管压力与环境压力 之比，其表达式为： 。( p 一) 的表达式如下： ：( p 。) 蹄酬：， 厩孑， 针对本文所研究的具体样机，对上述模型中所涉及到的需要标定的参数做 了具体的标定。通过对4 9 5 型汽油机节气门位置传感器进行标定得到口。的取 值为1 0 。，具体如下： 5 莩i 4 1 0 1 0 0 02 04 06 08 01 0 01 2 0 节气门开度 图2 1 节气门位置传感器标定结果 + 系列l 对于节气门处的流量系数c ，本文将所研究的4 9 5 型汽油机的节气门近 似为外伸管嘴的形式，根据经验公式，查表得到其值为0 8 2 ”。 要确定发动机的充量系数刁。需要作大量的标定试验，本课题在有限的稳 无 p 浙江大学颅十学位论文 定工况点的汽油机的充量系数7 7 ，进行了标定。对于未标定的工况点上的充量 系数刀，的值，在保证发动机正常转动的情况下，利用插值算法计算得到该未 标定工况下的充量系数7 7 ，值，下表2 1 为通过试验标定得到的4 9 5 型汽油 机汽油机的充量系数刀的标定值表。 表2 1 充量系数7 7 。值表 r p m k p ： 8 0 01 0 0 01 2 5 01 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 4 0 0 05 0 0 0 1 5 64 8 5 34 8 1 43 9 9 43 6 8 10 o oo 0 0o 0 0o o oo 0 0 2 7 85 0 4 85 2 8 35 3 6 15 4 7 85 4 7 85 4 7 85 4 3 95 4 _ 3 95 2 0 5 4 0 15 7 1 26 1 8 16 2 2 06 2 5 96 2 9 86 2 5 96 3 3 8 6 4 9 45 9 4 7 5 0 15 9 0 86 5 0 36 5 7 26 6 5 06 6 5 06 6 8 96 8 4 57 1 1 96 5 - 3 3 7 0 07 1 1 96 9 2 37 0 0 27 1 1 97 1 1 97 5 8 87 7 8 37 7 8 36 7 6 7 8 0 07 3 9 27 4 3 17 4 3 17 5 8 87 7 8 37 9 o o7 9 3 98 0 5 67 1 9 7 8 9 97 4 7 07 5 4 87 5 4 87 7 8 37 8 2 27 9 0 08 0 1 78 2 1 27 1 5 8 9 9 97 7 8 37 8 2 27 9 3 98 0 5 68 2 1 28 2 5 28 3 6 98 4 0 87 4 7 0 2 3 考虑了换热的进气歧管均值模型 本章第二节中所建立的发动机进气歧管状态均值模型没有考虑换热因素 对发动机进气过程的影响，认为在整个进气过程中，进气温度保持恒定，且等 于环境温度，这便是通常使用的进气歧管状态一维均值模型。这一模型只是考 虑了质量守恒和能量守恒而没有考虑空气的动力性。为了从理论上提高模型的 精度，本文对最原始的进气歧管状态模型进行了改进。前面已经提到，在一维 进气歧管状态均值模型中对进气过程做了等温假设，而实际的进气过程并不是 一个严格的等温过程，为进一步提高进气歧管状态均值模型的精度，本论文将 在本节中考虑发动机进气过程中的热传递对进气过程的影响，建立进气歧管状 态的二维均值模型，模型的具体控制方程表述如下： 9 浙江大学硕上学位论文 m 。，挖，咒。 易，。去儿p 7 7 。2 面, , 瓦v d r l , p 一； 易。g ，p ，。) ：c ，三。2 p 。矛：f f 。) ：b 一) + 二。： ；，。2p 。i k 。r 。t ，“b 易。 手一巩。瓦l o t 瓦a m b 生盟立 t 。m b m a p ht 。b 乏 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) q e x l 臼一一丁。) ；( 2 - - 1 3 ) 其中，p 一、t 、v 分别为进气歧管内的压力、温度和进气歧管容 积；k 为绝热指数，对于空气，其值为1 4 ；n 为发动机气缸数，本课题所选用 的样机的气缸数为4 ； 为对流换热系数；m 。、二。分别为节气f 处的空气 流量率和进气口处的空气流量率； 丁。为环境温度；r 为气体常数，对于空 气，有f 2 8 7 o j k g k ；( 甜) = 1 一c o so r 一口。) ；p 。、d 均为物理常数， 分别表示环境压力和节气门直径，p 。取值为1 0 1 3 x1 0 5 p a ，d 的取值为6 0 珊； 在二维进气歧管状态均值模型中，发动机的充量系数7 7 。、节气门处的流量系 数c ，、：( p 一) 以及节气门全闭，发动机处于怠速空转下的空气流量率易。 的铃弹方法或取信与r 一节中发动机一维进气歧管状态均值模型相同。 丝k 竺打 + 匀 一 l 浙江大学硕士学位论文 热传递在节气门快速变化时扮演着重要的角色，因此将它纳入改进的进气 歧管进气均值模型之中。在节气门快速开启、闭合期间会由于压缩或膨胀的影 响导致进气温度出现峰值波动。 换热系数h 根据所选用的样机的进气歧管材料，根据查表获得，在本课题 研究中，对换热系数的取值为：h = 2 5 j s k 。 浙江大学硕+ 学位论文 3 1 前言 第三章进气过程的n & s 方程模型 在第二章中，本人对所研究的样机的进气过程建立了一维均值模型，并对所 建立的一维均值模型进行了改进，建立了二维均值模型。在本章中，本人将对所 研究的样机的进气过程建立非均值模型，以实现与均值模型的对比。在流体流动 力学和热力学中最重要、应用最广泛的就是流动模型就是n & s 方程模型，因此， 在本章中对汽油发动机的进气过程建立n & s 方程模型。 3 2 进气歧管气体流动的n & s 方程模型“5 “6 “”“”3 3 2 1 进气歧管内气体流动的模拟 将汽油友动机进气歧暂内阴流动模拟成一维、爻截回、有对流抉热、有摩摞 的流动，与摩擦损失相比，流体的粘性非常小，可以忽略；导热换热与对流换热 相比，可以忽略。作了上述假设之后，建立的流体力学模型的n & s 控制方程为： 望+ u 望+ p 塑+ 冈三一0 a ：o ； ( 3 1 ) a t叙叙aa ) 【 塑+ u 塑+ 三鱼+ 竺u i u f o ； (32ot0 x p 0 xd 。l 垫+ u 鱼一三鱼一i ：o ； ( 3 3 ) 0 t0 x pa t 1 将汽油发动机内的空气看成是理想气体，对于理想气体，滞止焓h 。可以表 示为： h 。2 击暑+ 等； c 。叫 对流换热热流；有下面的经验公式成立： ；：掣口。一丁) ；( 3 - 5 ) 其中t 。为壁面温度，d 为管径，以为定压比热； 浙江大学硕+ 学位论文 对于所建立的一l 述进气歧管内气体流动模型的n & s 控制方程组应考虑多种 流动情况，如：向发动机气缸的f 向流动和从发动机气缸向节气门方向的逆向回 流，气体流动方向与发动机气缸内的状态密切相关。为了对进气歧管内气体流动 模型的n & s 方程的进行求解，还需要建立汽油发动机的燃油喷射模型、气缸内的 燃烧模型和气缸内的换热模型。 3 2 2 进气歧管内管壁摩擦的模拟 为模拟进气歧管壁面的摩擦，本课题采用下面的假设和经验公式： a 局部雷诺数由瞬时流动状态计算： r e o = 等； 这里的为流体的瞬时流动速率；d 为管道直径；p 为局部瞬时密度；“为 空气动力粘度。 b 边界层厚度取决于下面的流动区域的流动状态，经验公式分别为： 占= o 1 d ，湍流； j = 0 2 5 d ，层流。 c 当雷诺数大于4 0 0 0 时，湍流摩擦系数c ，的经验计算公式为： 鱼2 = 0 0 2 7 r e i d 当雷诺数小于3 0 0 0 时，层流摩擦系数计算的经验公式为： c r 4 2 r e 。 e 空气的动力粘度由下面的经验公式给出： = 0 3 3 1 0 。6 t “7 ( k g m s ) 其中，t 为局部瞬时温度。 浙江大学硕上学位论文 3 3 汽油机的燃油喷射和蒸发模型 3 3 1 汽油机的燃油喷射模型 燃油喷射量通过充量系数计算获得，针对本课题所研究的样机建立如下燃油 喷射模型： 兰堕：丝 丝k ( 3 7 ) d t f 。 其中，m ，为气态燃油的质量；m ，为液态燃油的质量；丁。为其为s a u t e r s m d = o 3 8 d 。舻叫射份”； 沪s ， 其中d 。、r e 和w e 分别代表喷油器喷孔直径、雷诺数和韦伯数；p 和分 式为u 。这里的只。和p ，分别为气缸的瞬时压力和燃油的瞬 时密度；p 。为燃油喷射压力。 平均直径d ，：有如下的经验公式： d 。= 。z d ，一r e 。”乃万。” 薏 0 “( 乞 0 ”； c 。一。， i g il p g i 巩- o 瑚r e o “脆( 老h z 厂； 其中d 一为喷孔直径；b 、p ，分别为燃油和空气的密度， 1 4 ( 3 1 0 ) 其均为物理常 浙江大学顾士学位论文 数，其值均可通过查表获得；，、。分别为燃油和空气的动力粘度，这两项物 理参数的值也都可以通过查表获得；u 。为初始喷射速度；雷诺数 r 。：竺! 兰竺望竺= ；韦伯数( w 。b 。，) 为：耽：竺垒垒竺：本课题中假设喷射中 l l f 。 所有的液滴尺寸相同，并且均为s a u t e r 平均直径。 3 3 2 汽油机燃油液滴的蒸发模型 对、顾涌燃油的蒸发，选用r 向的经验公式进行模拟： = 学鲫n ( 1 + b m ) ； ( 3 _ 1 1 ) 其中，国为燃油液滴的蒸发速率；p 为液滴密度；这里的d 为液滴直径；d 。 为扩散速率：s h 为无量纲的舍伍德数；b 。为质量传递数，其计算式为： 鼢气尝l 和y m 绷崂液滴表面的燃油质量分掰哪境条件下燃油顺 量分数。无量纲数s h 和非蒸发液滴的无量纲数s h 。的关系式为： s h = 2 + ( s h o - 2 ) f 。，其中f 。2 乡。，f 。为由s t e f e n 流引起的气体膜厚度 的相对改变。用f r o s s l i n g 关系式计算非汽化液滴的舍伍德数为： s 矗。= 2 + 0 5 2 7 6 r e ”2 s 台。i 3 ，s e 。为气相史密特数。 液滴表面的气念燃油质量分数利用相平衡来确定。在给定表面温度的情况 下，蒸气压力p 。由a n t o i n e 方程中的液滴表面温度丁，来估算，经验公式如下： p“一鬲l ) ；(312)p # = e x p ( ”丽； 一 其中，口、b 、c 为经验常数，其均取经验值。 在低压下，由r a u l t s 定律估计的燃油摩尔分数x 。为： x 且= p 。，( 丁，) p 。： ( 3 1 3 ) 其中p 。为环境压力；p 。为液滴表面温度丁，下的饱和压力。 浙江大学顺士学位论文 液滴的热流量g 。由f 面的经验公式给出： d ：堕坠亟二丝 ( 3 _ 1 4 ) g z 2 气i 一； _ 1 4 其中t 。为环境温度；f 为蒸发对热传递的影响因子，其为经验常数，对其 取经验值；c 。为环境的定压比热容，其值可通过查表获得；燃油的气化热为： g ，= 。+ 三，lv 为燃油的气化潜热ag 。和g 。之差为热流量g ，其用来加热液滴， 有下面的关系式成立： g ，= g 。一g ，= 国( 掣一三， ； c s 一，s ， 液滴的平均温度和平均尺寸由能量守恒方程和质量守恒方程得到，具体控制 方程组如下： j ，m f c p f 掣硝 j1 厂卸d g 【孚：万国 ；c 。州， 其中，m i 为液滴质量；c 为燃油定压比热容；t 。为液滴平均温度；d 为 液滴平均尺寸q 为热流量：。 气相温度由o n e - - t h i r d 传递法则确定，具体法则如下： 丁。吧+ ( 丁* 一丁髟；( 3 - - 1 7 ) 其中，t 。为燃油气相温度。 3 3 3 汽油机燃油油膜的蒸发模型 油膜的蒸发速率由下面的经验公式确定 珊= h 。b m ( 3 1 8 ) 其中，为油膜的蒸发速率； 。为质量传递系数；b 。为质量传递数。 1 6 浙江大学硕士学位论文 在来流空气侧，来流空气向油膜传热，传热量出f 面的经验公式确定，具体 如下： q g = h f ( l 一乃) 一。忽； ( 3 1 9 ) 其中，这里的h 为传热系数。来流空气侧的传热包括对流换热和燃油的气化 潜热。f 为描述蒸发对热传递影响的因子，其为经验常数；t 。为环境温度：t 。 为燃油油膜温度，h 。为燃油油膜气化潜热。 因为燃油膜通常都是相当薄的，因此本论文中，假设油膜内的温度分布均匀， 得到如下关系式： 丁加：；( 3 - - 2 0 ) 其中，丁。为燃油油膜平均温度。 在壁面侧，壁面与油膜之间的传热量由下面的经验公式确定： g 。= 屯( 兀一瓦胪；( 3 - - 2 1 ) 其中，k j 为液态燃油的热传导率；q 。为传热量；丁。为壁面温度；占为燃 油油膜厚度；丁。燃油油膜表面温度。 对于壁面燃油膜有下面的能量方程成立： 即，孥- g g + q 。( 3 2 2 ) 壁面燃油温度的上升速率取决于来流空气侧和壁面侧于油膜之间的换热情 7 开。 3 4 汽油机气缸内的燃烧模型 3 4 1 基本的汽油机气缸内的燃烧模型 基本的发动机模型是对依赖于时问的缸内过程的进行仿真的基础，发动机整 体模型是以质量方程和能量方程为基础。质量方程考虑了空气质量、气态燃油质 量、液态燃油质量和已燃气体质量。假设液态燃油只有质量，不占容积。能量方 浙江大学硕士学位论文 程则由热力学第一定律得到，气缸内气体能量的变化等于流出燃烧室的焓变、传 热和做功。在本课题研究中将燃烧室的模拟成双区模型，双区模型将燃烧室分为 已燃区和未燃区，两区的压力相同。燃烧模型。汽油发动机燃烧模型的能量方程 如下： a m u = a m ，h 。一q p a v ； ( 3 2 3 ) 在燃烧过程中唯一的一项焓流a 垅h ，是由燃烧火焰前锋向未燃区域传播 引起的。 在双区模型中，对于未燃区域有如下方程： m “b l 。l - m 。甜。+ p ( 矿u l - - v 。) + q 。一a m 。；乃。，= 0 ； ( 3 2 4 ) 对上式( 3 2 4 ) 运用气体状态方程，变换为： m 。1 甜u l - - m 。扰+ m 。l r 。l t 。l p v 。+ g 。一聊h ，= 0 ； ( 3 2 5 ) 同理，对于已燃区域有： m l “h i - - m 6 。m 6 。+ m 6 l r 6 1 t b l - - p v 6 。+ q + a m h 。= 0 ； ( 3 2 6 ) 在汽油发动机气缸容积的约束下，己燃气体的容积加上未燃气体的容积应该 等于发动机气缸的总容积，因此下式成立： 所。l r 。l 丁。l + 垅m 尺6 i t i p v o = 0 ； ( 3 - - 2 7 ) 最后三个方程( 3 - - 2 5 ) 、( 3 - - 2 6 ) 、( 3 2 7 ) 组成了燃烧模型完整的方程组， 对这一方程组本课题中采用牛顿迭代法进行求解。 其中，a m u 为混合气内能的变化量；a m ，h ，为燃油燃烧放出的能量；q 为传热量；p a v 为对外做功。 3 4 2 基本的汽油机气缸内燃烧模型修正后的形式 为方便实现本章中所建立的非均值模型在r i c a r d ow a v e 中的仿真，本人对 上面所建立的基本的汽油发动机燃烧模型作一些改动。 对于电喷汽油机的燃烧，本课题选用w e b e r 燃烧模型。w e b e r 燃烧模型对预 混燃烧区域和扩散燃烧区域采用了与w a t s o ne ta l ( 1 9 8 0 ) 关系式相似的函数。 浙江大学硕士学位论文 w e b e r 燃烧关系式中，认为已燃气体的累积质量分数是曲轴转角的函数，具 体表达式如下： w l m 盖) 畔“ - - z z “5 ， = 一e 印f 一彳引ff ； lj， ii 肋泺i 其中：w 为已燃气体的累积质量分数；目为燃烧开始后的曲轴转角；b d u r 为给出的燃烧1 0 - - 9 0 的质量下的曲轴转角；a w l 为使得b d u r 包含燃烧l o - - 9 0 范围的内部计算参数。 当应用w e b e r 燃烧模型时，要确定燃烧速率，则要定义的三个边界条件，它 们分别是燃烧5 0 时的总放热量、燃烧1 0 - - 9 0 所用的燃烧时间以及w e b e r 函数。 3 5 汽油机气缸内换热模型 3 5 1 汽油发动机气缸内的换热模拟计算 对于气缸内的热量传递，本文采用w o s c h n i ( 1 9 6 7 ) 给出的经验关系式进行 模拟，此经验关系式的对流换热系数为： h g0 0 1 2 8 d ”p 。8 ”t ”3 旷c m ； ( 3 2 9 ) 其中d 为缸径；p 为缸内压力；t 为气缸温度。为实现在r i c a r d ow a v e 中 的仿真，对w o s c h n i 热传递模型增加了一个额外的系数c 。，此参数为自调整 控制参数，可以根据需要进行自由调整：上式( 3 - - 2 9 ) 中的速度项u 。为特征 速度，其为活塞平均速度和燃烧相对速度之和，其值出w o s e h n i1 9 9 0 年提出的 改进的经验公式确定，具体经验公式的表达式如下： u c = m a x 。圯移h 坝弧( 1 + 2 ( 爿n 2 此表达式与w o s c h n i1 9 6 7 年提出的表达式： 1 9 浙江大学硕士学位论文 唱c ：谬h 。，) ； 相比，增加了一个负载补偿项。 在上式( 3 3 0 ) 中，c 为无量纲数，由下面的经验公式确定： a 在排气过秭c 。地m ，( 剖； n 在排气门关闭时，c 。观z s s 晚 c ：为常数，由下式确定： a 在燃烧过程中，c ：= 3 2 4 1 - 3 ；c ：的单位为：m x k s ； b 在燃烧前或排气过程中，c z 2 0 ； 再则，在上式( 3 3 0 ) 中，u 。为活塞平均速度；v ，、p 、t ，分别为 参考容积、参考压力和参考温度；j 腼p 为气缸内的指示平均有效压力；v 。为扫 气容积；v 。为气缸容积；旋转速率国，则由初始条件定义的漩涡比确定： 盯万。罟。 3 5 2 汽油机气缸内的热网络模拟 本课题研究中，将汽油机气缸的燃烧室模拟成一个简化的热阻网络。在热阻 网络中，活塞、气缸衬垫和气缸头部都由简单的材料组成。将气缸衬垫和气缸头 部模拟成一维热阻。结合r i c a r d ow a v e 的仿真环境，将气缸头部当作y 连接管 类型的热阻。热量从最外侧气缸内气体的气体侧向内部节点传递，随后就有变成 了两个方向。一部分热到达活塞机油冷却侧，另一部分热到达活塞裙部。假设活 塞裙部和气缸衬垫之间存在接触热阻，气缸头部与气缸衬垫之间绝热。假设过渡 工况和稳态工况具有相同的热网络分布结构。在对稳态工况进行分析时，每个组 件的热容可以忽略。流入活塞、气缸衬垫和气缸头部的热流量通过对流换热模型 的计算获得，这一计算模型考虑了由活塞与活塞环摩擦损失引起的热输入。整个 2 0 浙江人学硕士学位论文 发动机的摩擦损失通过c h e n f l y n n 经验关系式( 1 9 6 5 ) 计算获得。还可以分别 在活塞裙部和气缸衬垫气体侧加入摩擦损失的百分比的边界条件。根据t a y l o r ( 1 9 8 5 ) 的研究：活塞和气缸衬垫之间的摩擦损失大约占整个发动机摩擦损失的 四分之三。 对于气缸头部和气缸衬垫，其传热系数既可以由查表得到，又可以从考虑了 核沸腾对对流换热影响的经验方程的计算得到，由h o w a r t h 给出的经验公式有； ：1 4 8 4 6 7 9 5 q 。： ( 3 3 1 ) 其中，这里的q 为热流量，单位为w m 2 ；h 为传热系数，单位为w m 2 k ，其 最大值和最小值分别为1 5 0 0 0 w m 2 k 和5 0 w m 2 k 。这一关系式只有在汽油发动机处 于暖机状态时才有效。 对热网络，将一般的热传导方程离散成下面的方程形式： 盟：鱼( l t 。) ； (332r a r 掣 m 4 “” 这里的t 为前一步长的温度；t 为当前步长的温度；热容为c 。，= p v 。c 。； f 为时间步长；热阻为： r 。2 其中，这里的k 为热传导系数； 邻节点的距离；角标m 指固体壁面； 3 6 气体回流的模拟 拿孕旦；热传导 | 】 彳。”。 l ：对流换热：珂、侃秧热 h a 。7 。 一为换热截面积：h 为换热系数；缸为相 角标p 和n 分别指内部节点和相邻节点。 a 从i v o 到e v c 的回流： e p f 将气门重叠时