（车辆工程专业论文）sd2100a直喷式柴油机性能改进.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 由于能源和环境问题越来越引起现代人的关注，这对内燃机的动力性、经济 性以及排放性能提出了越来越高的要求。本文所要研究的s d 2 1 0 0 a 型直喷式柴油 机就是在这种大趋势下由耗油率高且难以起动的涡流式柴油机改制过来的。计算 机和计算技术的迅猛发展为内燃机的研究与开发提供了新的技术手段。利用计算 机可以使内燃机的设计由过去比较粗糙的经验、半经验设计向精确的模拟计算、 优化设计和内燃机c a d 方面过渡。内燃机工作过程的计算机模拟计算研究对改善 与提高内燃机的动力性、经济性以及排放性能等都将产生重要的作用。 g t - p o w 盯软件是美国g 1 r i ( g a m m at e c h n o l o g l e s 玳c ) 公司用现代计 算机技术和数值计算方法最新开发出的发动机性能模拟与仿真软件，被称为“虚 拟发动机”。它丰富的解析机能，准确的物理模型和简单方便的建模方法，适用 于对各种发动机进行性能仿真。本文通过采用g t - p o w c r 软件，建立了s d 2 1 咖a 直喷式柴油机的仿真模型，用该模型的模拟计算结果与针对该机所作的实验数据 进行对比，验证了仿真模型的正确性。 对于中小型直喷式柴油机而言，为了改善燃烧过程，提高效率，降低油耗和 减少排气污染，多年的研究主要集中在改进喷油系统，在气缸内组织有效的气流 运动和设计合理的燃烧室结构形状以及寻求三者间的最佳匹配关系。基于这种考 虑，本文从描述上述三大系统的诸多参数中选取了压缩比、喷油提前角、及配气 相位中的进气门晚关角和排气门早开角等四个重要参数，利用所建模型，分别对 其进行优选计算，将所得结果同时代入模型中计算，并将计算结果与未优选前进 行比较，结果表明，优选后的参数值使发动机的动力性和经济性得到了提高。显 然，利用g t p o w c f 仿真模型对s d 2 1 0 0 a 直喷式柴油机进行模拟计算并优化其性能 的思路是可行的，进而通过本文的研究工作，得出了对柴油机更新设计和性能优 化具有指导意义的结论。 关键词：g t - p o w e r 模拟计算性能改进 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n e t g y 蛐de n v i r o 啪e n tp r o b l e mh a v eb 啪e 姐i n c r e a s i n gc o n c c mb yp e o p i e t h e1 ce n 西n ei sf a c i n ga 铲e a tc h a l l e n g et 0m a l 【ei t sb e s tt om e e tm o m 柚dm o r c s t r i c tr e q u i r co np o w c rp e r f b 册a n c c ，e c o n o m i cp e r f b m l a n c c 觚de m i s s i o r c g u l a t i o n u n d e rt h eb a c k g r o u n d ，s d 2 1 0 0 ad i r e c t i n j e c t i o nd i e s e le n 舀n ei sm o d m e d 蕾r o m t o m i d a l 泖i r l c h 锄b e rd i e s e l 锄舀n cw i t hh j g i lf t i e i - c o n s u m p t i 肌dd i f ! i c i l l t t os t a n t h ed “e l o p m e n to fc o m p u t e r t e c i l l l o l o g y 曲f e r sn c wm e t h o d sf o f t h er e s e a r c h 柚d d c v e l 叩m e n to fi c e n g i n e b yt l l eu s eo f 咖p u t e r ，t h e1 c 如酉n ed e s i 弘m e t h o d c 孤b ec h a n g e dn d mt h et o u g l le x p e r i e n c co rh a l f - c x p c r i e n c cd e s i 舯i l lt h ep 够tt o p r e c i s es i l i l u l a t i o nc a l c l l l a t i o n ，o p t i m i z a t i o nd e s 咖卸do 蛐d c s i 印n ef c s e a f c ho f 1 c e n 百n ew o f l 【i n gp r o c e s ss i m u l a t i o ni sm o s tu s e f i i lf o ri m p r o v i n gt h ep e r f b 咖a i i c c o fi c e n 西n c g t p o w e rc a l l e da sv i n u a le n 百n ei ss j l n u l a t i o n f t w a f ef o ri c e n 舀n e p c r f o n n 孤c cs j m u l a t i o n ，d “e l o p c db ya n e r i c 锄g 1 r ic 0 r p o m t i o n ，u s i n ga d v a n c c d c o m p u t c ft e c h l l o l o g y 柚dn u m e r i c a lm e t i l o d g t - p 0 w c rs o 胁a r ci s a v a i l a b l ef o r s i m u l a t i n ga l l t y p co fe n g i n e s ，b e c a u s eo fo w n i i i ga d v 锄c c d 柚a l y t i cf h n c t i ，a c c u r a t e p h y s i c a lm o d d ，姐ds i m p l em o d e l i n gp r o c c s s t h i sp 印c rc r e a t e s ag t - p o w e r s i m u l a t i o nm o d e lo fs d 2 1 0 0 ad i r c c t - i n j e c t i o nd i e s e le n 百n e 1 1 l r o u 曲m p a 血gt h e s i m u l a t i o nr e s u l tw “ht e s td a t a ，i ti sp r o v e dt h a tm es i m u l a t i o m o d e li sc o 眦t i nt e 瑚so fm e d i u ma i l ds m a l l s i z e dd i r e c t - i n j e c t i o nd i e s e ie n 舀n e ，f o ri m p r 0 v i n g c o m b u s t i 衄p m c e s s ，e l l l l a i l c i n ge f f i c j e n c y ，r c d u c i n gf i l e i - c o n s u m p t i o n 锄de m i s s i o n ， o u rr c s e a r c h e sm o s t l yf o c u so ni l i l p r o v e m e n to ff i l e l - i i l j e c t i o ns y s t e m ，o r g a i l i z a t i o no f e 仃e c t i v ea i r f l o wm o t i o n si nc y i i n d e r d e s i g no fr e a s o n a b l ec h 栅b c rs t n l c t u r es h a p e ， 卸dt h eb e s tm a t c h r e l a t i o n s h i p 锄o n gt h e m o 阻s i d e r i n gs om a n yp a m m e t e r so ft h e t h r e es y s t e m sm e n t i o n e da b o v e ，t h i sp a p e rs e l e df o u rk e yp a r 枷e t e r si i l c l u d i n g c o m p r e s s i o nr a t i o ，a d v a n c ea n 舀eo ff l l e li n j e c t i o n ，c a mt i m i n ga n 世eo fi n t a k cv a l v e a l l de x h a u s tv a l vc b yu s eo ft h eg t p o w c fs i m u l a t i o nm o d e l ，w ec a r r yo u tt h e s i m u l a t j o nc a l c u l a t i o nf o rt h ek e yp a m m e t e r sw i t ho p t i m i z e dm e t h o d a n e ft h e p a r a m e t e r sa r cd e t e 珊i n e d ，w ec a r r yo u tt h ew h o l ep e r f o 珊a n c es i m u l a t i o na i l dg e t i i 山东大学硕士学位论文 s i m u l a t i 伽托s u n o 呻a r e d t ot h e 豫s u nb e f o r c o p t i m i z a t i o n ，m er c 蚰l t a f t c f o p t i l l l i z a t i s h d wt h a tt h ep 口w c rp 晌m a n c e 卸de c o n o n i i cp c r f b m a n c ca r cb o t h i n i p r o v e d s ot h cm e t h o do fs i m u l a 血g 柚do p t i m i z i n gt h es d 2 1 0 0 ad i r e c t - 蛔e c t i 伽 d i e l 如西n eu s i n gt h cm o d e lo fg 1 卜p o w 盯i sf c 够i b l e a 血c rt h es t u d yo ft h i sp a p e r ， w ec 姐a c h i c v ct h eu s e f i l lm e l h o dt og i l i d et h eu p d a t cd e s i 俨龃dp e 响加锄c c 叩t i m i z a t i o nf o r d i e s e le n g i n c k e yw o r d s ：g t p 0 w c r s j m u l a t i o nc a l c i l l a t i 伽p e 响珊粕c ei m p r o v e m c n t m 山东大学硕士学位论文 n 气缸内工质质量 p _ 气缸内工质压力 甜燃料燃烧放熟量 h r 吃缸排出废气焓值 t 缸内气体温度 a 瞬时过量空气系数 u b - 已燃气体的内能 u t r - 电气的内能 “口赜入气缸的燃料质量 m 。流出气缸的气体质量 v c 燃烧室容积 q 。广一壁面的换热量 d _ 气缸直径 p “平均指示压力 a 仍燃烧持续期 b ，- 指示燃油消耗量 b ，唷效燃油消耗量 p ，平均有效压力 巩指示效率 喷油提前角 符号说明 k g 1 l - 气缸内工质内能k j k m 0 1 肝a v ，气缸工作容积 l k j 矿曲轴转角( 。) ( c a ) k j l 【0 1 d l 雎d 妒排出废气的质量流量k g ( c a ) k k - 燃料的低热值k j k g 附一己燃气体的质量 k g k j l 【i i l 0 1 u r 燃料的内能 k j k l k j k m o l1 t _ 理论空燃比 k g m ，流入气缸的气体质量k g k g r - 。气体常数 j k g k l 砖曲柄连杆比 k j a 。壁面的传热系数k j ( r k ) m c 。活塞平均速度 s i i p a 妒o 燃烧始点( 。) ( c a ) ( 6 ) ( c a ) _ 燃烧品质指数 g ( k w h ) b _ 嗽油消耗量 k g h g ( k w h ) p _ _ 一机械损失功率h m p 8 ，7 。嘲械效率 压缩比 ( 。) ( c a ) z t 滞燃期 m s p - 喷油始点时缸内压力l ) a t 。4 赍油始点时缸内温度k c r 一流量系数 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：狃缝 日期：兰竺z ：! ： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蕴超导师签名：五雌日 山东大学硕士学位论文 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 柴油机的现状及发展：内燃机自问世以来，广泛应用于汽车、火车、轮 船、农业机械、工程机械以及电站设备上。作为运输动力，它目前仍是效率 高且应用广泛的发动机。近年来，随着世界经济的迅速发展，客货运输急剧 增长，以内燃机为动力的汽车以其灵活机动，运输成本低等特点，满足了社 会的需求，发展极为迅速，全球的汽车保有量迅猛增加，2 0 0 5 年底，世界汽 车保有量己达8 2 6 7 4 万辆。汽车对社会带来多种益处和方便的同时，汽车排出 的有害排放物氮氧化物o x ) 、碳氢化合物( h c ) 、一氧化碳( c o ) 、颗粒以及噪 声等均造成环境的危害；汽车排出的二氧化碳( 0 0 2 ) 还会造成“温室效应”。以 内燃机为动力的汽车发展面临的另一挑战是作为不可再生资源的石油日益匮 乏，据预测，世界石油储量仅够维持4 5 年【l l 。针对此状况，研制高效、清洁、 经济的新型发动机则显得极为重要。内燃机中，柴油机的热效率最高。与汽 油机相比，柴油机具有油耗低、低速扭矩大及较大负荷变化时经济性好等特 点。对同样功率的发动机而言，柴油机的百公里油耗要比汽油机节约燃油 3 0 4 0 ；在排放方面，柴油机由于热效率高、油耗低，故0 0 2 排放比汽油机 约少2 0 【2 l ，且c o 和h c 的排放仅为汽油机的1 0 或更少。可见，从节能和 环保两方面上讲，柴油机均占优势。 国外柴油机的现状：近年来，柴油机技术得到了迅速发展。主要体现在 燃油系统直喷化、增压与增压中冷、高性能的燃油喷射系统、废气再循环 ( e g r ) 、多气门技术、可变涡轮几何截面的涡轮增压、氧化催化转换器、电 子控制、可变进气管、可变气门定时等技术，使柴油机向着高速、轻量化、 迸一步节能和降低排污等趋势大步迈进。现在国外的柴油机的n 0 ) 【和颗粒排 放已大大降低，比重量和升功率与汽油机不相上下。基于柴油机的优点及近 年来柴油机技术的发展，目前它正广泛应用于重型和中重型载重汽车及农机 上，也开始越来越多地应用于轻型车和轿车上。在发达国家，1 0 0 的重型车 都使用柴油机；在欧洲，约2 0 的轿车、9 0 的商用车是柴油车，在德国等 国家几乎所有的出租车都使用柴油车；在美国，约9 0 的商用车为柴油车； 山东大学硕士学位论文 在日本，约9 2 的轿车和3 8 的商用车为柴油车；在轻型汽车中，欧洲、日 本早在八十年代中后期就大力发展轻型柴油机。1 9 9 0 年日本的轻型柴油载货 车占轻型载货车的5 9 ，1 9 9 4 年占6 7 ，而现在比例己达到9 5 以上【3 i 。1 4 j 三 菱4 m 4 0 ，4 d 3 6 以及五十铃4 g j 2 ，4 脏1 m 等柴油机己成为轻型汽车的配套动 力。从以上可看出，车用内燃机柴油化是一个必然趋势，低油耗、低排放、 高效率的柴油车成了世界上应用最广泛的汽车类型。 我国车用柴油机的技术现状与发展：我国的柴油机发展较晚，基础薄弱。 上个世纪八十年代以前，国产车中只有重型车装用柴油机，自八十年代开始 在中、轻型车上采用，特别是引进的新一代轻型汽车如依维柯( e c 0 ) 、全 顺( t f 锄s i t ) 、五十铃( i s u z u ) 等均采用了柴油机。九十年代以来，柴油机发展 无论从数量上还是在技术水平上都极为迅速，2 0 0 3 年与1 9 9 0 年相比，我国柴 油车产量增长达6 5 倍，中、轻吨位以上载货车柴油机比例已高达7 3 以上。 2 0 0 5 年重型载货车的年产量为2 3 6 6 万辆，保有量约为7 0 万。7 5 万辆；中型载货 汽车产量为1 9 4 3 万辆，保有量约为3 4 2 6 8 万辆。另外，我国柴油机排放水 平有了很大的提高，柴油机生产骨干企业的多种产品排放基本上达到了 e u r oi 排放标准，一汽大众部分产品( 捷达s d i 、宝来t d i ) 更是达到 e u r 0i i 、e u r o i i i 标准。与此同时，由于我国石油资源匮乏，对汽车的各种 费用将按国际惯例转变为燃料附加税，提高燃油经济性的紧迫性将更加突出， 吲我国城市交通、出租车、公汽、轿车若改用柴油机，油耗可节约3 0 4 0 。 这必将促进我国车用柴油机的进一步发展和市场需求的进一步扩大。但同时 我们也应看到，我国车用柴油机的生产技术水平还远远落后于国外同类产品， 差距主要表现在：油耗高；增压技术推广应用缓慢；环保指标差；可靠性差， 寿命短；基础件、配附件质量差，专业化水平低。尽管国内中小功率柴油机 的燃油消耗率平均降低了6 8 1 3 6 ( k w h ) ，但与国际先进水平相比仍然 要高出1 肌1 5 ( k w h ) ；我国柴油机产品环保指标虽然有所改善，但废气 中的n o 。和h c 的含量比国外高约一倍，烟度比国外高2 f s n 左右，噪声比国外 大2 5 d b 【“。2 0 0 8 年1 月1 同我国将要实施e u r o i i i 排放法规，2 0 1 1 年1 月1 同将 要实施e u r o i v 的排放法规，从而给柴油机的进一步推广应用提出了严峻的 课题。综上所述，我国柴油机在二十一世纪既有美好的发展前景，但也面临 着同益严格的油耗和排放法规的挑战，因此，开发新一代经济，清洁，低噪 2 山东大学硕士学位论文 声的柴油机将具有极为重大的意义。本课题将要研究的s d 2 1 0 0 a 直喷式柴油 机就是山东拖拉机厂为适应节能降耗，保护环境的总体要求而由s d 2 1 0 0 涡流 室式柴油机改制过来的。 1 2 内燃机模拟计算的发展 1 2 1 模拟计算在内燃机发展中的作用 在电子计算机用于内燃机的研究之前，为了能够定性地对内燃机的性能 做出估计，并进行有限的定量计算，不得不对内燃机的实际工作过程做出大 量的简化与假设。而在内燃机设计中，则需要根据经验和类比，在大量选取 参数的基础上，对工作循环中的几个特征点进行热力计算，以便做出数量上 的估计。这种简单的热力计算虽然能够得到比较直观和可做定性分析的数据， 但是却十分粗略，不能够全面地反映内燃机燃烧过程、缸内工质的流动及传 热过程、进排气系统中的热力学和气体动力学过程，更不能对变工况性能进 行计算与分析【。”。 随着内燃机性能的不断提高，产品更新的周期不断缩短，采用常规热力 计算进行这种经验设计，已经远远满足不了现代高性能内燃机研制工作的需 要。事实上，内燃机实际运行工况的各瞬时并不是稳态的，各状态参数应是 一个循环的积分值。随着快速、大容量电子计算机和数据处理系统在内燃机 研究中不断得到应用，加上实验技术和测量仪器以及测试装备的改进，使得 内燃机在实验和理论研究上有了一个较大的发展，同时也使得内燃机工作过 程的计算机模拟不仅成为可能，而且取得了不少令人耳目一新的进展。具体 表现在：描述内燃机内部过程的一系列不受简化条件限制的微分方程组，现 在已有可能进行数值求解，从而得出定量描述的结果；而那些由内燃机运行 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，也都 有可能在计算中予以考虑；能够建立比较符合实际的物理模型，通过数学模 拟予以表达，以求得各热力参数随时间变化的规律，用以分析内燃机的性能 及其影响因素；能够系统地模拟结构参数、燃烧规律、配气相位，进排气系 统中的流动阻力与内燃机性能间的相互关系，并进行参数优化，寻求最佳的 组合方案，为内燃机的设计、试验和性能改进提供理论依据。这样，就使得 3 山东大学硕士学位论文 现代内燃机的理论研究建立在了一个全新的基础上【9 】。 内燃机工作过程的模拟，不仅可以计算设计工况点，而且也可以计算非 设计工况点和变工况点，并可估计环境参数变化对内燃机性能的影响；不仅 可以计算内燃机的稳态过程，而且也可以计算瞬态过程，以研究各结构参数 及性能参数与内燃机瞬态特性的关系，探求改善内燃机瞬态特性的技术措施： 不仅可以在内燃机设计阶段通过计算模拟进行多方案的比较，而且可以在内 燃机调试阶段与测试技术相结合，指明调整的参数及其取值的大小；同时， 在工作过程模拟的基础上，还可以进行工作过程的模拟优化，使内燃机工作 过程模拟研究向优化设计推进一步。如此种种，是内燃机常规热力计算所无 法比拟的【”】。 1 2 2 研究现状及进展 做出最合理的规划，选择最佳的策略，获得最优方案，达到最佳的预想， 这是人们进行思维、从事研究或成就某项事业常常所努力追求的目标，而这 正是“优化”的基本出发点。随着现代科学技术的快速发展，工程设计愈来愈 趋于复杂化和大型化，设计中可供选择的方案也很多，如何从众多的可行性 方案中找到一个最为理想的方案，就显得极为重要却又很不容易。因此，在 工程上为寻求一个最为理想的方案，以便获得最好的经济效益或社会效益， 这就促进了优化设计的发展，而计算机技术的飞速进步和应用数学的不断发 展，为内燃机优化设计提供了条件和有效的研究手段。 目前，我国的内燃机设计一般还沿用传统的设计方法，即根据设计要求， 在给定的设计参数( 动力性指标、经济性指标、排放指标、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) 约束的情况下进行 设计。这种设计的大致过程是： ( 1 ) 在调研的基础上，经过充分的类比和统计分析进行内燃机的设计构 思，确定初步设计方案：选定参考型样机，根据给定和选定( 或预估) 的一组 设计参数进行热力学计算或热力循环模拟计算，得出一组能反映内燃机整机 配合性能的综合性参数；再参照参考型样机进行内燃机整机总体方案和各系 统及零部件的设计，并进行内燃机强度校核和平衡性计算，完成内燃机第一 轮的技术设计。 4 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 经过一定程序的审定后投入样机试制：根据样机试验得出的一组或几 组数据进行分析，再调整或修改设计参数( 有时修改设计方案也是可能的) ， 完成内燃机第二轮或者第三轮的设计。显然，这是一个比较花费时间、花费 人力、耗资颇大的设计过程，是一种经验的、试凑的设计方法。在较多设计 参数的范围内，为达到同一设计目标，可能有许多个参数搭配的方案组合。 因此，所得结果往往只是满足设计要求的可行性方案而已，而不是最佳的方 案。这种传统的设计方法暴露出一定的设计盲目性和研究的局限性，己不能 满足现代高性能内燃机研制工作的需要。因此，迫切需要寻求一种新的设计 方法。 内燃机工作过程仿真是一种现代化的内燃机的计算研究方法，同传统的 计算分析方法相比，具有显著的优越性和合理性。它可以从不同的角度用不 同的方法进行研究。近年来，随着计算机的快速发展，内燃机模拟计算及动 态仿真得到了迅猛发展。通过对内燃机进排气、燃油雾化及着火、燃烧等工 作过程进行计算机仿真，将这些短暂得难以看清和定量分析的动态过程尽可 能准确地展现出来，为深入研究其内在机理提供了有效的手段和方法。 内燃机工作过程的仿真主要分为内燃机进排气及缸内流动与燃烧的计 算、流体动力学( c f d ) 计算和内燃机工作过程循环模拟( 又称性能模拟) 计算。 目前计算流体动力学己广泛用于处理内燃机进排气及缸内燃烧过程中的流体 流动和燃烧计算。内燃机的循环模拟计算则主要用于内燃机整体性能预测、 性能分析和性能优化，由于考虑了进排气、传热、摩擦以及气体密度变化等 所产生的能量得失，使得内燃机整体性能的预测结果与实验结果十分吻合。 内燃机工作过程仿真分析对于提高内燃机的动力性、经济性和排放性能具有 重要的作用。 从内燃机缸内流动与燃烧过程的计算流体动力学计算的发展来看，2 0 世 纪6 0 年代以来，对于燃烧模型的研究尤为热烈，由于不同时期计算机运行速 度和存储容量的限制，相继出现了一批形式各异的内燃机燃烧模型及计算机 软件，总的来说可以分为以下三种i ”1 ： ( 1 ) 零维模型( 又叫热力学模型) 最早提出零维模型的是b o 皿a ng l 。在零维模型中，假定缸内工质均匀 分布，各种热力学参数处处相等，并随时处于热力学平衡状态。时至今日， 5 山东大学硕士学位论文 零维模型己被广泛地应用到根据内燃机p - 妒图计算放热率d o d 妒、燃烧率 d x d 毋和用经验的放热规律预测示功图上。由于零维模型将缸内工质假定为 均匀分布，使得零维模型无法详细描述喷雾、油滴蒸发、混合、卷吸、工质 运动等物理过程以及非均匀温度场对有害排放物生成的影响，从而不能准确 地分析喷雾、蒸发、混合以及火焰传播等对内燃机缸内燃烧过程的影响。正 是由于这种原因，从而产生了准维模型和多维模型。 ( 2 ) 准维模型 准维模型是在零维模型的基础上，考虑喷雾、火焰传播等物理过程的影 响，将燃烧室按火焰位置或喷注空间分布形态分成两个以上的区域，分别考 虑喷雾分布、油滴蒸发、混合和卷吸、燃烧与火焰传播以及己燃区燃烧产物 变化等子过程，以构成燃烧模型预测缸内不同区域的燃烧状况，并能预测有 害排放物的生成。 目前，准维模型己进入到内燃机的设计和研究领域中，其优点是计算快， 费用低。但由于各种准维模型都是针对特定类型内燃机和特定应用目的而开 发的，往往突出考虑某一方面的子过程，难以面面俱到，且准维模型未能考 虑燃烧室空间对燃烧过程的影响，这就促使了多维模型的产生与发展。 ( 3 ) 多维模型 零维模型和准维模型可以用于内燃机设计参数和运行参数的变化对内燃 机的动力性能、经济性能以及排放性能影响的研究。但是它们的缺点是难于 计算燃烧室几何参数的变化和缸内气流状态的变化对燃烧过程的影响。多维 模型综合运用热力学、流体力学、传热传质学、化学反应动力学和数值计算 等学科的原理和方法，从质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及 状态方程等基本偏微分控制方程入手，通过对控制方程的求解，得出缸内气 流速度、湍流特性、产物浓度、温度等多维信息。近年来，多维模型在柴油 机流动与燃烧的基础性研究方面得到了广泛的应用。 目前，多维模型的应用所面临的问题主要是计算机的容量和计算速度问 题。多维模型的广泛应用有赖于计算机的发展。计算机技术的快速发展，为 多维模型在内燃机的研究与设计上的应用提供了先决条件1 1 0 1 。 从内燃机工作过程循环模拟计算的发展来看，在国外，内燃机循环模拟 的研究和应用首先开始于各大学和研究机构，其中比较著名的有英国的 6 山东大学硕士学位论文 u m i s t 大学、b a t h 大学，德国的r u h r 大学、美国的u w 大学、尉c a r d o 公司和 p e i 公司。它们相继开发出高质量的循环模拟软件，并用于各种不同的研究工 作。其中值得一提的是美国p e i 公司开发的e u 9 1 训系列软件，除了循环模 拟功能以外，它还能够对内燃机各个组成系统( 例如：喷油系统、曲柄连杆机 构、配气机构等) 的工作进行模拟研究。随着循环模拟软件的进一步发展，内 燃机循环模拟成为各内燃机制造公司产品开发过程中不可缺少的重要技术手 段【1 “”。同国外相比，我国内燃机循环模拟的研究和应用起步并不晚。七十 年代，铁科院、北大、中科院计算所等单位开始进行这方面的研究工作，到 八十年代，武汉水运大学、天津大学、北京理工大学、西安交大、上海交大、 大连理工大学、华中理工大学等高校和研究单位相继开展这项工作【1 “，内 燃机循环模拟研究发展比较迅速。相继开发了一些模拟计算程序，并在一些 科研项目中发挥了应有的作用。但是这些程序的应用仅限于各研究单位，甚 至某个研究者，还未能进入实际产品开发过程。总之，内燃机循环模拟的实 用化还比较差。 m a t a v ij a 指出，内燃机模拟计算对内燃机的研究和发展有三大贡献：，一 是更全面深入地理解构成模型的物理过程；二是找出关键的控制变量以拟定 更节省、更合理的实验方案；三是可以很方便的进行内燃机优化设计。 1 3 本课题的工作内容 在柴油机中，直喷式柴油机具有经济性好、易于起动、热效率较高等特 点，其燃油消耗比分隔式燃烧室可降低1 0 1 5 ，使c o ，的排放量下降，且 可降低气缸盖的热负荷，因此在国内外大中型柴油机上全部采用直喷式燃烧 系统。然而与非直喷柴油机相比，直喷式柴油机存在着n o 和颗粒等有害排 放高、噪声大且高速适应性差等缺点。近年来，由于新研制的直喷式柴油机 上采用多气门技术和电子控制喷油定时等先进技术后，燃烧更为合理，经济 性更好，对降低有害排放具有明显的作用；通过采用废气再循环及增压中冷 技术，使n 0 ，排放明显减少；通过改进喷油器等技术措施，降低了发动机的 燃烧噪声，颗粒排放也得到了较大的改善。在我国直喷柴油机发展较晚，以 涡流室式柴油机为代表的非直喷式柴油机产量最大、应用较广，主要应用于 农用机械、工业动力以及汽车、小型船舶等交通工具中，在轻型车上应用也 7 山东大学硕士学位论文 有不少。但这些柴油机比直喷机型油耗约高1 0 一1 5 ，且较难于起动。基于 此，近年来，直喷燃烧系统不但广泛用于缸径在1 0 0 l i i l m 以上的中、小型高速 柴油机上，而亦逐步用于缸径小于9 5 砌的小型高速柴油机领域，而对于小型 直喷式柴油机而言，为了改善燃烧过程，提高功率，降低油耗和减少排气污 染，多年的研究主要集中在改进喷油系统、在气缸内组织有效的气流运动和 设计合理的燃烧室结构形状以及寻求三者间的最佳匹配关系等工作上。 本课题所研究的发动机是由山东拖拉机厂发动机分厂生产的s d 2 1 0 0 a 型 柴油机【1 2 小时功率燃油消耗率为2 4 2 ( k w h ) 】，它是该厂在涡流式s d 2 1 0 0 型柴油机【1 2 小时功率燃油消耗率为2 5 7 ( k w h ) 】基础上通过改制而来的。 本课题的主要任务是在深入学习内燃机相关理论和g t p o w e r 软件，对 g t p o w e r 软件模拟计算的理论进行分析，充分了解g t p o w e r 软件的构成、组 织体系和仿真计算流程等的基础上，然后采用g t p o w e r 软件对上述发动机进 行整机建模，通过比较模型计算值和发动机台架实验测量值，验证模型准确 性后，进行计算、分析主要参数对发动机性能的影响情况，从而便于发动机 主要参数的优化匹配工作，并为发动机的更新设计提供有力的理论指导。 8 山东大学硕士学位论文 第二章模拟计算理论及g t p o w e r 软件结构分析 2 1 模拟计算理论 为了更好地理解内燃机工作仿真软件g t p o w e r 的计算程序，本章详细研 究了内燃机工作过程模拟计算的理论。 2 1 1 缸内热力过程计算的基本假设 g ，r - p o w e f 软件不仅适用于对燃料在缸内混合的内燃机( 如柴油机) 的模拟 计算，也适用于燃料在缸外混合的内燃机( 如汽油机) 的模拟计算。为了使计算 问题简化，g ，r - p o w e r 对缸内的热力过程作如下假设： 对燃料在缸内混合的内燃机而言，假定： ( 1 ) 气缸内工质的状态是均匀的，即不考虑气缸内各点的压力、温度和 组分的差异，并且认为在进气期间，流入气缸内的空气与缸内残余废气实现 瞬时的完全混合； ( 2 ) 工质为理想气体，其比热和内能与气体温度及气体成分有关； ( 3 ) 燃料喷入气缸内立即燃烧； ( 4 ) 空燃比从燃烧始点到燃烧终点逐渐减小。 对燃料在缸外混合的发动机来说，假定： ( 1 ) 在燃烧开始时混合气是均匀的； ( 2 ) 在燃烧期间，空燃比为定值： ( 3 ) 尽管已燃气体与未燃气体的组成不同，但具有相同的压力和温度。 2 1 2 缸内热力过程基本方程 尽管内燃机缸内的工作过程相当复杂，包括了物理、化学以及机械等方面 的过程，但总可以用三个基本参数( p ，t ，m ) 来表示缸内气体的状态，并且可 以通过能量守恒方程、质量守恒方程及状态方程把整个工作过程联系起来 h 7 l 。 ( 1 ) 能量守恒方程 根据热力学第一定律，可以建立内燃机缸内能量守恒方程式： 9 山东大学硕士学位论文 l o 掣唧等+ 警一警也冬 ( 2 1 ) d 中d 甲d 译z jd 甲。d 币 、1 式中， m 一气缸内工质质量，k g ； u 气缸内工质内能，l c j ，k m o l ； p _ 气缸内工质压力，m p a ： v 。气缸工作容积，l q 。燃料燃烧放热量，k j ； 舻一曲轴转角，。c a h 崩 出气缸废气的焓值，i ( j ，k m o l ； 皇粤书 出气缸废气的质量流量，k 。c a 4 口 根据柴油机计算的假设条件，经转化和化简后，可将式( 2 1 ) 表达为： d r d 嚣( 1 字垮钭p 耩争筹嗡) m 降矧 ( 2 2 ) 根据汽油机的假设条件，经转化和化简后，可将式( 2 1 ) 表达为： 等= 等 - + 击卜+ 鸽一曲q + 鸽，p ，+ p 警强一努一 p 篙( 1 一等等 - 等e 一“一p 鲁詈 式中，t 一缸内气体温度，k 。 h 。燃料的低热值，k j 翘； a 一瞬时过量空气系数： ( 2 - 3 ) 山东大学硕士学位论文 m 。一已燃气体的质量，k g u 一已燃气体的内能，l 【j l 锄o i ； u ，燃料的内能，l 【j l 锄o l ； u 一空气的内能，k j 脑l o l ； l 。一理论空燃比，k g k g 。 ( 2 ) 质量守恒方程 忽略泄漏，内燃机内的气体质量变化量等于喷入气体的燃料质量、流入 气缸的气体质量与流出气缸的气体质量之差，即： 粤孕+ 粤一孥 ( 2 4 ) d 妒d 妒d 妒d 伊 式中，m 。一喷入气缸的燃料质量，k g ； m ，流入气缸的气体质量，k g ； m 。一流出气缸的气体质量，k g 。 ( 3 ) 气体状态方程 对于理想气体来说，满足理想气体状态方程： p v s 锄r t 式中，r - 气体常数，j 1 ( g k 。 2 1 3 缸内热力过程数值计算辅助方程 ( 1 ) 气缸工作容积计算 在内燃机工作过程计算中，可根据发动机的主要结构参数，如气缸直径 d ( m m ) 、活塞行程s ( m m ) 、连杆长度l ( m m ) 、压缩比f 、活塞偏心距 e ( m m ) 等，计算出气缸瞬时工作容积和气缸工作容积随曲轴转角的变化率为： 瞬时气缸工作容积为： v c 妒，= v r + 鲁 ( 1 一。s 妒) + ( + 主j r 丽) c 2 5 ， 气缸工作容积随曲轴转角的变化率为： 嚣斟州播】 旺s ， 山东大学硕士学位论文 式中，v ，压缩容积，l ； v 。一活塞的行程容积，l ； 九一曲柄连杆比，九= 。 ( 2 ) 气缸壁传热 工质向气缸盖底面、活塞顶面以及气缸套的表面等诸壁面的换热量q ， 是缸内能量守恒方程中的一部分。根据工质对燃烧室壁面的传热系数a 。和 壁面的平均温度t ，可以计算出q ，： q 。= a ，口，仁一)( 2 7 ) 式中，q 。壁面( 气缸盖、活塞和缸套) 的换热量，； a 壁面( 气缸盖、活塞和缸套) 表面积，m2 ； a 。壁面( 气缸盖、活塞和缸套) 传热系数，( m 2 k ) ； t 。壁面( 气缸盖、活塞和缸套) 温度，k 。 传热系数a 。 由于内燃机传热过程的复杂性和不稳定性，至今还未能得出成熟的、被 普遍认可的传热公式。许多论文发表了一些经验公式，其中最著名的有n u b e l t 公式、e i c h e i b c r g 公式、p n a u m 公式、a n n a d 公式以及w o s c h n i 公式等。但由于 各人对内燃机缸内影响传热过程的主要因素认识不一，试验的机型和方法也 各异，因此这些经验公式问的差异很大d ”。 在计算传热系数时，g t p o w e r 软件主要提供了3 个换热模型： w o s c h n i l 9 7 8 换热模型 w o s c h n j l 9 9 0 换热模型 h o h e n b e r g 换热模型 对于w o s c i l i l i l 9 7 8 换热模型，其传热系数公式为： 驴脚伊”8 r “，【c 1 c 嵋麓帆。卜固 式中，c 1 = 2 2 8 + o 3 0 8 c 。c 。； c ：一对于直喷式柴油机，c ：= o 0 0 3 2 4 ；对于非直喷式柴油机， c 2 = 0 0 0 6 2 2 ； n 一气缸直径，m m ； 】2 山东大学硕士学位论文 c 。活塞平均速度，m s ； c 。进气涡流速度，n 咖； p 。一内燃机启动时缸内压力，m p a ； t 。进气门关闭时缸内温度，k ； p 。，进气门关闭时缸内压力，m p a 。 在内燃机部分负荷工况下，w o s c h n i l 9 9 0 换热模型能更为准确地计算传热 系数，其公式为： ”瑚一”r 叶 1 + 2 阿叫卜9 ， 式中，v 。- 活塞在上止点时的气缸容积，l p “平均指示压力，m p a 。 轧，黔( p - 址2 c 1 ( 等) 2 “时，传热系数按 w c h l l i l 9 7 8 计算模型进行计算。 h o h e n b e f g 换热模型的传热系数计算公式为： 口- r - 1 3 0 矿p t r “( c 崩+ 1 4 ) 0 8( 2 1 0 ) 散热面积 对于直喷式柴油机，活塞的散热面积按气缸横截面积的1 3 到1 5 倍计算， 缸盖的表面积近似为气缸的横截面积；对于非直喷式柴油机，活塞的散热面 积近似为气缸的横截面积，缸盖的表面积为气缸横截面积的1 1 倍。活塞在上 止点时，缸套的表面积为活塞到缸盖的距离与气缸周长的乘积。 壁面温度t ， 根据对燃烧室受热区域间的温度测量可知，气缸传热面上的温度分布是 不均匀的，某些点上的温度差别较大，而且各点温度呈周期性的波动，但表 面温度波动不大，约为1 0 2 0 左右。在离表面深几毫米的金属内部，温度波 动就迅速下降到一个稳定值。因此，一般不考虑燃烧室表面的温度波动，而 按稳定温度进行计算。 至于壁面温度随位置的变化则可用平均化的办法进行处理，即用整个壁 面的平均温度进行计算，活塞及缸盖的壁面温度按活塞及缸盖的平均温度计 山东大学硕士学位论文 算；对于缸套，既要计算活塞在上止点时的壁面温度，又要计算活塞在下止 点时壁面的温度，对于上止点与下止点间的温度轴向变化可按下式进行计算： 瓦一瓦脚等 ( 2 1 1 ) c 一- n ( 警) 乃 式中，t 。缸套温度，k ； t 。j d c 一活塞在上止点时缸套的温度，k ； t 。一一活塞在下止点时缸套的温度，k ； s ，一相对冲程( 即活塞的位置与活塞整个冲程的比值) 。 2 1 4 燃烧放热规律 燃烧放热规律决定了内燃机气缸内气体压力与温度的变化，影响内燃机 的热力过程，从而对内燃机的动力性，经济性、排放以及燃烧噪声等产生重 要的影响。g ，r - p o w e r 软件提供了v i b e 、d o u b i ev i b l e 、w o h n 脚i s i 、 p r o f i l e c o m b u s t i o n 等燃烧模型9 l 。 v i b e 燃烧放热模型 v i b e 半经验燃烧放热模型为： 竺。罟一b + 1 ) ) ，“口”m ( 2 1 3 ) d 妒 敛、 。 、7 拈詈 ( 2 - 4 ) _ ) ，。蛩 ( 2 1 5 ) 式中，q 一每循环燃料燃烧放热量，日； 燃烧始点，a ； 败燃烧持续期，a ； m 燃烧品质指数： 口一v i b e 参数( 口= 6 9 ) 。 ( 2 ) d o u b l ev i b e 燃烧放热模型 1 4 山东大学硕士学位论文 d 叫b l ev i b c 燃烧放热模型比v i b c 燃烧模型能更准确地描述柴油机的燃 烧放热规律。在用d o u b l