（动力机械及工程专业论文）基于6135z柴油机的cng单燃料发动机性能模拟研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着汽车工业的飞速发展，环境污染和世界性石油资源短缺日益严重， 必将对汽车发动机的传统石油燃料及其燃烧形式提出挑战。天然气由于具有 排放污染低、价格便宜、资源丰富等优点，从而成为一种极具发展潜力的代 用燃料。目前，国内应用的天然气发动机大多是在原有汽油机和柴油机基础 上经简单改装而成的，这种改装后的发动机面临的主要问题是动力性下降。 为了研究改装后天然气发动机动力性下降的原因以及如何恢复天然气 发动机的动力性，本文以6 1 3 5 z 柴油机为例，对其改装的天然气发动机进行 了研究，主要研究工作包括： ( 1 ) 在g t - p o w e r 软件平台上建立了6 1 3 5 z 柴油机计算模型，并对其 性能进行了模拟计算，计算结果与实验结果基本吻合，验证了计算模型的正 确性。 ( 2 ) 在已建好的柴油机模型基础上建立6 1 3 5 z 天然气发动机计算模型， 分析增压方式对天然气发动机性能的影响。利用所建天然气发动机计算模型 模拟其外特性，并与柴油机外特性对比，指出改装后天然气发动机动力性下 降原因。 ( 3 ) 为恢复天然气发动机的动力性，提高压气机增压比，对空燃比、 压缩比、点火提前角、配气相位等主要影响因素进行优化，分析这些参数对 发动机动力性的影响，并提出相关改进意见。 计算结果表明，提高压气机增压比后，选择合适的空燃比、压缩比、点 火提前角、配气相位，可使改装后的天然气发动机功率可恢复到原机功率的 9 9 4 。 关键词：天然气发动机；动力性；影响因素 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 a b s tr a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n a n dg l o b a ls h o r t a g eo fo i lr e s o u r c e si si n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，w h i c hm u s tb ea c h a l l e n g et ot h et r a d i t i o n a lo i lf u e la n dc o m b u s t i o nf o r mo fa u t o m o b i l ee n g i n e s t h en a t u r a lg a sb e c o m e sa na l t e r n a t i v ef u e lw i t hg r e a tp o t e n t i a lf o rd e v e l o p m e n t ， f o ri t sl o we m i s s i o n ，c h e a pp r i c ea n da b u n d a n tr e s o u r c e a tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i c n a t u r a lg a se n g i n e sa r em o s t l yr e f i t t e db yg a s o l i n ee n g i n e sa n dd i e s e le n g i n e s t h e m a i np r o b l e mo ft h em o d i f i e de n g i n e si sad e c r e a s eo fe n g i n ep o w e r i no r d e rt os t u d yt h er e a s o n so fe n g i n ep o w e rd e c r e a s i n ga n dh o wt or e s t o r e e n g i n ep o w e r , t h i sp a p e rt a k e sa ne x a m p l ef o r6 1 3 5 zd i e s e le n g i n e ，a n dt h e r e s e a r c hi sm a d eo n6 1 3 5 zn a t u r a lg a se n g i n eo r i g i n a t e df r o mi t t h em a i n r e s e a r c hw o r ki n c l u d e s ： ( 1 ) t h ew h o l e6 1 3 5 zd i e s e le n g i n em o d e li sb u i l tu pw i t hg t - p o w e r ，a n d t h ep e r f o r m a n c eo ft h e6 1 3 5 zd i e s e le n g i n ei ss i m u l a t e d t h er e s u l to ft h e s i m u l a t i o ni sb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ，w h i c hp r o v e st h e c o r r e c t n e s so ft h ee n g i n em o d e l ( 2 ) an a t u r a lg a se n g i n em o d e li sb u i l to nt h eb a s i so ft h e d i e s e le n g i n e m o d e l ，a n da n a l y z ei sm a d eo nh o wt h en a t u r a lg a se n g i n ep e r f o r m a n c ei s i m p a c t e dw h e nt h ew a yo fp r e s s u r ec h a r g i n gv a r i e s t h ee x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i co f t h en a t u r a lg a se n g i n ei ss i m u l a t e dw i t ht h em o d e l t h er e a s o n so fe n g i n ep o w e r d e c r e a s i n ga r ei n d i c a t e db yc o m p a r i n gt h ee x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i co ft h en a t u r a l g a se n g i n ea n dt h eo n e o ft h ed i e s e le n g i n e ( 3 ) i no r d e rt oi m p r o v et h en a t u r a lg a se n g i n ep o w e r , p r e s s u r er a t i oo ft h e c o m p r e s s o ri si n c r e a s e d ，a n da i r - f u e lr a t i o ，c o m p r e s s i o nr a t i o ，i g n i t i o na d v a n c e a n g l ea n dv a l v et i m i n ga r eo p t i m i z e d r e l e v a n ti m p r o v e m e n tv i e w sa r em a d e b ya n a l y z i n gt h e i ri n f l u e n c eo nt h en a t u r a lg a se n g i n ep o w e r a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t ，w h e ni m p r o v i n gp r e s s u r er a t i oo ft h e c o m p r e s s o r , a p p r o p r i a t ea i r - f u e lr a t i o ，c o m p r e s s i o nr a t i o ，i g n i t i o na d v a n c ea n g l e a n dv a l v et i m i n gc a nr e s t o r et h en a t u r a lg a se n g i n ep o w e rt o9 9 4 o ft h ed i e s e l e n g i n ep o w e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 k e yw o r d s ：n a t u r a lg a se n g i n e ；e n g i n ep o w e r ；i n f l u e n c ef a c t o r s 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 锞赫在2 年解密后踅用羽受权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名厮暖杰 日期：加矗f ，f 指导老师签名： 日期： 跏6 1 1 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。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 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 利用g t - p o w e r 对6 1 3 5 z 柴油机及由其改装的天然气发动机进行 了整机模拟，并进行了性能分析。 ( 2 ) 在建立天然气发动机模型过程中充分利用已建好的6 1 3 5 z 柴油机 模型中的管路、摩擦、传热等模块，可避免对这些模块中参数选择正确性的 验证。 ( 3 ) 通过对压气机增压比的改进，空燃比、压缩比、点火提前角、配 气相位等主要影响因素优化，使改装后的天然气发动机功率基本恢复到原柴 油机功率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景 第1 章绪论 随着世界汽车工业的飞速发展，汽车排放造成的污染日益严重，威胁着 人类的生存环境，汽车的排放控制成为一个非常紧迫的问题。同时，石油资 源的大量消耗，也对如何扩大汽车燃料的种类、改变城市燃料结构提出了新 的要求。在这两方面的要求下，我国部分大中城市公交车出租车开始使用天 然气作为汽车代用燃料，一方面降低了排放，减少了汽车废气污染；另一方 面降低了燃料的成本l l 2 j 。 天然气是一种清洁燃料，其主要成分是甲烷( 含量8 6 以上1 3 j ) 。与燃用 柴油相比，甲烷的燃烧几乎不产生碳烟，极大地改善了颗粒排放情况；与燃 用汽油相比，c o 、h c 等燃烧产物均有大幅度的下降，而且无铅化物生成。 研究表明，天然气发动机的排放性能优于液化石油气发动机。天然气还具有 成本低，经济性好的优势。此外，天然气的辛烷值高，可达到1 3 0 ，远远高 于汽油的辛烷值( 现在市场上汽油的辛烷值多为9 0 或9 3 或9 7 ) ，抗爆性好， 可增大发动机的压缩比，高达1 5 ：1 ，而汽油机的压缩比很少高于9 ：1 。在 对传统的汽油机和柴油机进行适当的改装后，汽车就可燃用天然气，从而可 大幅度改善汽车的排放一i o 工4 - 6 月匕”, - 1 4 以5 。 然而汽油机或者柴油机改装为天然气发动机，并不是简单的在原有发动 机上改变燃烧的燃料就能获得好的性能，必须在对天然气的特性、燃烧特征 进行研究的基础上，对发动机的结构、进气系统、点火系统以及其他燃烧参 数进行改进及优化，才能获得良好的性能。这个改进及优化的过程若以计算 机建模计算为依据，则能缩短研究开发周期、减少研究开发费用。因而为了 了解天然气发动机的动力性能、经济性、排放性能以及具体参数对燃烧排放 的影响，有必要对天然气发动机进行燃烧模拟及排放分析。 1 2c n g 发动机研究现状 目前，国内应用的c n g 发动机大多是在原有汽油机和柴油机基础上经 简单改装而成的，而在国外，多是针对天然气燃料性质而进行设计的天然气 发动机。按其点火方式不同，c n g 发动机可以分为火花点火发动机和柴油引 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 燃发动机。 1 2 1 火花点火发动机 火花点火式天然气发动机即采用高压电火花点燃气缸内天然气与空气 混合气。 目前，国内改装的天然气发动机大多采用已定型的汽油机，保留了原机 的供油系统，增加一套天然气的供气装置，因而无论采用压缩天然气或是汽 油都能正常工作。由于发动机要兼顾天然气和汽油两种燃料，对发动机的燃 烧室、压缩比和进排气道均未改变，因此使用天然气时发动机的工作状况并 非最佳。 国外许多公司开发了天然气汽车改装系统，如美国s t e w a r t & s t e v e n s o n 公司、i mp c ot e c h n o l o g i e si n c 、h a t c h & k i r ki n c 、e d o 、a n g i 公司等， 这些公司将微处理器用于转换系统，以使全系统达到天然气与空气的最佳混 合状态，提高了天然气发动机的性能。此外，还在汽油机的基础上开发了单 一天然气发动机，如日本n i s s a na dv a n 小型超低污染天然气发动机将原机 压缩比从9 5 提高到1 2 8 ，使发动机性能有较大提高，低速时排放结果为： n o 为0 0 2 9 k m ，c o 为0 1 5 9 k m ，h c 为0 0 7 9 k m ，远低于限定值。另外， 国外较多车用柴油发动机改装为火花塞点燃式的天然气发动机，并已投放市 场，如依维柯8 2 2 0 及8 4 6 0 t c 型、康明斯b 5 9 1 9 5 g 型、同本的4 b e i 、卡 特彼斯3 3 0 6 型及福特3 8 0 型等，其中许多涡轮增压机型的改造也很成功。 一般说来，由汽油机和柴油机改装的火花点火式天然气发动机与原机相 比，动力性均有所下降，其主要原因有以下几点： ( 1 ) 天然气与空气混合气的热值和汽油或柴油与空气混合气的热值相 比低一些； ( 2 ) 充气效率降低，主要因为天然气是气体燃料，其本身的体积在整 个进气中占有较大比例，导致进入气缸的空气量减少； ( 3 ) 天然气的火焰传播速度慢，使燃烧速度下降且传热损失增加，导 致热效率下降； ( 4 ) 燃烧前后气体分子摩尔数改变较小； ( 5 ) 当发动机改装前后机械损失功率相等时，由于天然气发动机指示 功率降低，因而机械效率有所降低。 目前，汽油机改装的天然气发动机的功率恢复主要是通过电子控制燃料 供给系统、电控点火系统及采用增压技术，提高改装后发动机的效率及动力 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 性。而由柴油机改装的火花点火式天然气发动机的功率恢复主要是通过合理 选择压缩比，优化燃烧室结构，优化控制天然气与空气的混合及燃烧过程， 优化点火控制并提高点火能量及采用增压技术等措施来实现【1 , 1 1 】。 1 2 2 柴油引燃式发动机 柴油引燃式天然气发动机是以压燃少量喷入缸内的柴油作为“引燃燃 料”，天然气作为主要燃料，在进气道同空气混合进入气缸，形成比较均匀的 混合气，在压缩行程活塞接近上止点时，被压燃的柴油点燃。 大多数双燃料发动机的引燃油量是由原来的机械式喷油泵控制，只增加 了一套供气系统，而不必对柴油机进行很大的改动就可以实现双燃料运行。 乌克兰科学院天然气研究所和基辅汽车公路研究所研制b e a 3 5 4 8 a f 且双 燃料汽车采用由如3 _ 2 4 0 h 柴油机改装为j i m 3 _ - 2 4 0 i - i f y l 双燃料发动机，天 然气与柴油采用联动控制机。发动机在采用纯柴油运行时，柴油耗量为 1 6 8 7 l 1 0 0 k m ，以天然气柴油运行时，柴油耗量为9 2 8 l 1 0 0 k m ，天然气耗 量为1 5 7 6 m 3 1 0 0 k m ，用天然气替代了4 5 的柴油。 新西兰t e s 公司及荷兰t n o 公司开发的双燃料发动机的引燃油调节采 用电控油泵齿条方法，而k a m a z 公司则采用机械控制加电磁铁限位，国内 一般采用齿条有级限位。美国的c l e a n a i rp a r t n e r 公司与a f g 公司联营，共 同开发多点喷射的双燃料控制系统并应用于1 0 3 l 卡特彼勒3 1 7 6 b 重型发动 机上，在发动机压缩比不变的情况下，两种燃料均采用电子控制，燃用的天 然气可达燃料总量的6 0 一9 0 ，发动机还可根据需要转换成1 0 0 的柴油。 美国b k m 公司研制了具有先进水平的“微引燃”双燃料系统，使用1 的引燃 柴油为天然气发动机提供所需的点火能量。由柴油机改装的双燃料发动机的 功率一般可达到原机的功率，对于原空气利用率不高的柴油机，改装为天然 气发动机后，甚至超过原机功率，且由于引燃柴油的火焰能量大，可使天然 气实现稀薄燃烧，燃烧温度降低，减少了n o x 及微粒( p m ) 的排放且爆震 倾向减弱。在中等负荷以上，双燃料的发动机可获得较好的性能，燃料经济 性可接近柴油机。但在小负荷，由于混合气过稀，燃烧恶化，大量的不完全 燃烧产物随尾气排出，使c o 和h c 排放增加，且热效率也随之下降【1 , 1 6 。 1 3 发动机工作过程模拟现状 随着计算机技术的飞速发展及计算流体力学、计算传热学、化学动力学 等基础理论研究的深入，2 0 世纪6 0 年代首次出现了基于电子计算机的内燃 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 机循环模拟，其目标是预测发动机的动力性和燃油经济性。自那时以来，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，以致在近4 0 年时间 里内燃机燃烧模型的研究已经先后经历了放热率计算、零维模型、准维模型 和多维模型这样四个阶段1 1 7 】。 ( 1 ) 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。 这种方法比较简单、直观，对诊断燃烧有一定的作用，但不能说明更多的细 节，作用有限。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 个重要的基础，并且在特定情况下可以在循环过程计算中起到燃烧模型的作 剧1 7 , 1 8 】。 ( 2 ) 零维模型又称单区模型。它是通过大量实际燃烧放热过程的统计 分析，找出规律，用经验公式或曲线拟合的方法，建立起一种表达燃烧放热 过程参数间的经验关系公式，将复杂的燃烧过程简化表达成几个特征参数间 的关系，如a u s t c n l y n 的三角形法，w h i t e h o u s e 的单区模型，b h f , e 函数等。 它们的共同特点是把缸内过程的每一瞬间看成是均匀的，抽去其燃烧物理 化学反应的复杂中间过程，仅把燃烧看成是按一定规律向系统加入热量的过 程。这些模型对于分析、计算和预测内燃机性能起了重要的作用，能够预估 燃烧过程中的主要性能参数，目前仍被广泛采用。但是，这类模型用简单的 数学关系掩盖了燃烧中物理化学反应过程的本质，无法从机理上把握其规律 性。另外，均匀态的假设，也不能预测n o x 及其它排放物的生成；而计算的 准确性又依赖于经验系数的选取，恰当与否与内燃机运行条件有很强的依赖 关系。这类模型实际上是一些纯经验模型，使用有局限性，特别是在排放物 生成的预测上已无能为力【1 8 , 1 9 j 。 ( 3 ) 准维模型就是在热力学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， 分别考虑喷雾分散、油滴蒸发、混合与卷吸、燃烧与火焰传播及已燃区燃烧 产物变化等子过程，组成燃烧模型预测缸内不同区域的燃烧温度，并针对不 同机型侧重不同的子过程，使放热率更接近实际，并且能预测有害排放物浓 度1 2 0 j 。 由于对柴油机燃烧过程分析方式的不同，目前已发展了多种不同观点、 不同功能、不同用途的准维燃烧模型，其中美国寇明斯( c u m m i n s ) 公司林 慰梓等人提出的以气相喷注为基础的“气相喷注燃烧模型”和日本广岛大学广 安博之等人提出的以油滴蒸发为基础“油滴蒸发燃烧模型”比较有代表性，应 用较为普遍。这类模型一般由确定雾束几何形状及燃油空气混合气浓度分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的喷注模型、燃烧热力学计算模型及排放物生成模型构成。 对于汽油机准维模型来说，一种方法是把燃烧过程模拟成一个面积为 彳，的火焰前锋面( 通常假设为一球面) ，以湍流燃烧速度s r 向未燃混合气传 播；另一种方法是由n c 布里查德( n c b l i z a r d ) 等提出，并由r j 塔巴宗 斯基( r j t a b a c z y n s k i ) 等加以发展的模拟方法，他们根据湍流卷入机理， 先将未燃的混合气卷入火焰前锋面，接着是一个特征长度尺度的层流烧尽过 程，以此模拟火焰传播速度l l 引。 ( 4 ) 多维模型是建立在流体力学、热力学、燃烧化学等普遍定律的基 础上，通过求解能量守恒方程、动量守恒方程、连续性方程及状态方程等基 本偏微分方程，得出与燃烧过程相关的较详尽的信息，如气相场速度、温度、 压力及组分浓度的瞬间空间分布，它综合运用了热力学、流体力学、传热传 质学、化学反应动力学和数值分析等知识。根据空间坐标数，多维模型又可 分为一维、二维、三维模型。多维模型一般由模拟缸内各个物理化学过程的 若干子模型组成，如气体流动模型、燃油喷雾混合模型、化学反应模型和传 热模型等【2 1 】。 目前发动机工作过程分析的常用数值模拟工具有：s c r y u 、 p o w e r f l o w 、s t a r - c d 、f i r e 、b o o s t 、k i v a 、f l u e n t 、g t p o w e r 等。 不同的软件在不同的应用领域有各自的优势。如s c r y u 、p o w e r f l o w 在剥 离再附着、喷流、涡流等方面的计算精度比较高，适合于空气动力方面的研 究。而s t a r - c d 因它的计算和分析时间比较短，所需内存容量不大，且可以 自动生成非结构化网络，广泛应用于发动机定常流、喷雾燃烧、冷却水等领 域的分析【2 2 1 。f i r e 是专门为非稳态流场而设计的c f d 软件，主要用它来做 发动机气相流动及燃烧过程的三维模拟，并根据计算结果来分析进气道及缸 内流场的演变规律、缸内温度场及氮氧化物的形成情况。b o o s t 和 g t - p o w e r 均是一维模拟软件，可用它们来做发动机的整机模型的模拟，包 括发动机的热力学循环模拟计算，设计方案的优化，气门正时的优化，增压 系统的设计，各零部件的优化设计和发动机瞬态性能的评价等1 2 3 2 4 】。 我国内燃机工作者在消化和吸收了国外先进的数学模型、数值方法和计 算程序的基础上，开发出许多适合微机的内燃机工作过程模拟程序。如北京 理工大学开发的三维内燃机工作过程通用程序r e s 3 c i i ；中国科学技术大 学火灾科学院重点实验室开发的计算直喷式柴油机螺旋进气道与缸内空气的 大型微机化程序i p i c c f d ；同济大学、江苏理工大学开发的涡流式柴油机工 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 作过程模拟的三维模拟程序e n g i n e i i ；吉林工业大学开发的微机版内燃机缸 内多维气流运动模拟程序s u n 1 等1 2 1 , 2 5 j 。 随着计算机技术、数值计算方法的发展，内燃机缸内燃烧过程数值模拟 技术r 趋成熟，通过建立一种与内燃机工作机理和实验室结果相吻合的计算 模型，可以更好的预测内燃机的性能，并可以在短时间内进行广泛的变参数 研究，为内燃机性能的提高和新型内燃机的开发提供指导，这可以降低研究 费用，缩短实验时间，节省大量的人力物力。同时，新的实验技术和测量设 备又为内燃机缸内燃烧过程数值模拟提供了丰富的数据，使数值模拟会不断 向前发展。 1 4 本文的主要研究内容 1 4 1 研究对象 本文的研究工作是针对以6 1 3 5 z 柴油机为原形改装的c n g 单燃料发动 机进行的。改装时，仍然采用6 1 3 5 z 柴油机的涡轮增压系统，去掉柴油喷射 系统，增加点火系统和天然气供给系统，并在进气管处安装节流阀，将其改 装为火花塞点火式天然气发动机，其中天然气的供给方式采用进气管多点喷 射。为防止混合气发生爆燃，柴油机改为点火式天然气发动机时应适当降低 压缩比。选择压缩比时应充分考虑在发动机效率和避免爆震之间的协调1 2 州。 1 4 2 研究内容 内燃机的工作过程非常复杂，其动力性、经济性以及排放特性是由进气 流动、缸内混合和燃烧过程中复杂的相互作用所决定。由于缸内温度及混合 物成分都随空间及时间发生变化，传统的发动机测试手段不论是在发动机几 何形状和燃烧参数的关系上，还是在发动机的性能和排放特性方面都只能提 供有限的信息。 本文利用g t - p o w e r 内燃机工作过程分析软件对6 1 3 5 z 柴油机及由 6 1 3 5 z 柴油机改装的天然气发动机进行了整机工作过程数值模拟计算和性能 分析，找出天然气发动机动力性下降原因，并通过参数的影响分析和优化给 出发动机动力性恢复措施。具体内容如下： ( 1 ) 建立6 1 3 5 z 柴油机整机模型，宏观上描述整个发动机的热力学过 程。 ( 2 ) 利用上述所建模型进行发动机的性能模拟，并将模拟结果与实验 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 结果相比较，确保该模型的正确性。 ( 3 ) 了解柴油机改装为单燃料天然气发动机技术，以6 1 3 5 z 柴油机模 型为基础建立6 1 3 5 z c n g 发动机模型。 ( 4 ) 给天然气发动机选择合理的增压方式，利用所建天然气发动机模 型模拟天然气发动机性能，并与原柴油机性能相比较，分析并指出6 1 3 5 z c n g 发动机动力性下降的原因。 ( 5 ) 为恢复天然气发动机的动力性，提高压气机增压比，对空燃比、 压缩比、点火提前角、配气相位等主要影响因素进行优化，分析这些参数对 发动机动力性的影响，并提出相关改进意见。 西南交通大学硕士研究生学位论文。第8 页 第2 章内燃机工作过程模拟理论基础 在内燃机工作过程数值计算中，将内燃机作为一个完整的系统。为了方 便建立计算模型，又将这个系统划分为若干个互相独立又以某种形式相互联 系的子系统。为了简化计算，本文中把6 1 3 5 z 涡轮增压柴油机的计算模型划 分为五个独立的热力平衡系统：气缸、进气管、排气管、涡轮增压器和中冷 器等子系统，系统和系统之间通过热量与质量的传递相互联系。 1 气缸系统 将气缸盖、气缸套、活塞顶等壁面构成的空间划分为气缸系统。新鲜充 量经过进气系统进入气缸系统，废气由气缸系统流入排气管，系统与外界进 行质量交换。气缸系统在压缩、膨胀做功过程中与外界进行功量交换。同时 气缸系统还与外界发生热量交换。 2 进气系统 进气系统一般由空气滤清器、进气总管、进气歧管等组成。对进气管系 统计算视具体要求可按如下两种方法处理：第一种方法，若进气管总容积足 够大，则近似认为进气管内压力等各参数不随空间坐标及曲轴转角而变化， 将进气管内压力、温度等参数作为一个不变的常数处理。第二种方法，当进 气管容积较小或由于某些特殊要求需要考虑进气管内压力变化时，把进气管 当作一个容器处理，这个容器的容积为进气阀以前的进气管总容积。进气过 程视作进气对这一容器的充填与排空过程，这一处理方法又称为“容积法” 3 排气管系统 把从排气阀起至废气涡轮喷嘴环止的排气管、总管划分为排气管系统。 排气管系统的计算有两种方法：一种是以零维模型计算的“容积法 ，另一种 是以一维模型计算的“特征线法”。 若忽略排气过程沿排气管长度方向上的排气压力波的传播、反射和叠加 现象，将排气过程视为排气对排气管容积的填充与排空过程，且在整个容积 内压力等参数处处相等，不随空间坐标位置而变化，压力等参数只随曲轴转 角而变化，满足零维假设，这种处理方法称为排气管过程计算的“容积法”。 若排气管内压力等参数不单随曲轴转角而变化，还随沿排气管长度方向 而变化，这时压力随空间位置和曲轴转角而变化。这是排气管系统计算的一 维模型，通常用“特征线法”计算。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 4 涡轮增压器系统 由压气机、涡轮机共同组成的系统。这个系统是基于下列假设条件下确 立的：在这个系统内每一工作循环中废气涡轮输出功等于压气机消耗功，即 功量保持平衡；流过压气机的空气流量和流过涡轮机的燃气流量相等；压气 机和涡轮机转速相等，且在一个循环内转速稳定不变。 5 中冷器系统 中冷器从热力过程看实质上是一个节流、降温的换热器件，主要计算空 气流经中冷器时的压力损失和计算空气流过中冷器后的散热量。 上述各系统之间通过质量交换、功量交换、热量交换发生联系，工作过 程数值计算中，五个子系统都分别建立对应的能量守恒方程、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，可以解得压力等参数的变 化规律，进而计算出发动机的各项性能参刿2 7 , 2 8 l 。 2 1 缸内系统的计算模型 内燃机气缸内的工作过程是非常复杂的，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，系统的边界由活塞顶、气缸盖及气缸套诸壁面组成。系统内工质状 态由压力、温度、质量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 系求解，解出气缸内压力、温度及质量三个基本参数。 2 1 1 气缸内热力过程的基本方程 1 能量守恒方程 在内燃机气缸系统中，能量守恒方程( 热力学第一定律) 可写成下列通 用形式： d u - - d w + 坦+ ，d m ， ( 2 1 ) 式中u 系统的内能，u ； 作用在活塞上的机械功，k j ； q 通过系统边界交换的热量，k j ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 h 比焓，l o k g ； h i d m ，质量咖，带入( 或带出) 系统的能量，l ( j 。 而 d u = d ( 所“) 一u d m + m d u( 2 2 ) 式中胁系统内工质质量，k g ； h 比内台皂，k j k g 。 方程式中的正负号，本文作统一的规定：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。通过系统的边界交换的各种能量随曲轴转 交妒的变化率有下列各项： 机械功 掣。吵竽 ( 2 3 ) 一。一p - l 么j j 口驴a q o 按上述正负号规定，压缩时向系统加入的功取j 下值，此时容积减小，d v 为负值，故容积变化所做的功必须加上负号。 热量 y 堡。孕+ 孥 ( 2 4 ) d q od 9d 甲 进、排气质量带入( 或带出) 的能量： 军”等吐。等也。等 ( 2 - 5 ) 式中p 气缸内工质压力，m p a ； v 气缸内工作容积，l ； 级燃料在气缸内燃烧放出的热量，l 【j ； q 。通过气缸诸壁面传入或传出的热量，k j ； 朋，流入气缸的质量，k g ； m 。流出气缸的质量，蚝； h ，、h e 进气门处和排气门处工质的比焓，k j k g 。 通常情况，气缸内的比内能“和质量m 同时发生变化，故有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 一d u ；型塑：尘；“一d m + 所一d u ( 2 - 6 ) 面2 d f 硼面州面 d 舻妒d 矽d 够 内能即可简化为温度丁和广义过量空气系数口妒( 表征工质的成分) 的函 数，即“= “仃，口巾) 。将h 写成全微分的形式： 粤。塑鍪- 要孥( 2 - 7 ) 4 -一l “ 一 d 伊 a td 驴 a a 。 d 驴 故式( 2 6 ) 口- f f j 写成 等笋刚等棚( 堕器+ 毒瓦d c t q 9 a t) c 2 - s ， d 妒d 驴 i d 妒 a 口中d 驴j 、7 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： 掣；孥+ 孥一p 些地冬也_ d m e ( 2 - 9 ) d币d够d够ld 够 3 d 够d 将式( 2 8 ) 代入式( 2 - 9 ) ，注意到堕a t c ，则得温度丁对曲轴转角驴的微分 方程为： 器；志(等+等一p等“，等“。等卅面dmm堋嚣等) d 驴 c ，ld 妒 d 驴 1 d 驴 5 d 妒。d 缈d 妒 a 口妒d 妒j ( 2 1 0 ) 若忽略口矿对“的影响，且p a a _ 口竺u 中i 。，则式( 2 - 1 0 ) 可简化为： 生d c p 去m ( 等+ 等一p 筹吨等也等叫嚣) ( 2 - 1 1 ) 。c ，id 伊d 驴 1 d 驴 5 d 驴。d 驴d 驴j 、7 2 质量守恒方程 一 按照质量守恒原理，通过系统边界交换的质量总和x ，d m j 等y - - g 统内工 质质量变化d m ，即 咖2 锄 ( 2 - 1 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 若忽略漏泄，则通过系统边界的质量为：流入气缸内空气的质量所，、流 出气缸的废气质量肌。、进入气缸内的瞬时燃料质量朋口。质量守恒方程表达 式为： 一d m ；堕+ 堕- t i l - 盟 ( 2 1 3 ) 一= 一+ 一一 _ - _ - d pd pd pd p 、7 若已知发动机的每循环供燃料量为g ，( k g c y c ) ，气缸内燃料燃烧百分 数为：x ：塑1 0 0 ，则 g l 等。筹 燃料燃烧放出热量随够的变化率为： 等喝筹帆仇 式中h 。燃料低热值，k j k g ； ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) r 。燃烧效率，计算不完全燃烧的影响，其值取决于燃烧状况。通常 为简化计算取仇一1 。 质量守恒方程式写为： 一d m ；堕4 - 堕4 - g ，坚 ( 2 1 6 ) 一；o p 一 iz in - d pd pd p。d p 、7 3 理想气体状态方程 p v m r t ( 2 - 1 7 ) 能量守恒方程式( 2 1 1 ) 、质量守恒方程式( 2 - 1 6 ) 和状态方程( 2 1 7 ) ，三个方 程联合求解即可解得确定气缸内状态的三个参数：压力p 、温度丁及质量 ，l1 2 7 ，2 9 1 。 2 1 2 缸内燃烧过程的数学描述 1 瞬时气缸工作容积+ 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 内燃机工作过程计算中，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， 根据这些数据即可算得气缸工作容积及其它几何参数。 瞬时气缸工作容积为： j k d 4 2 j 【才s 淞护1 和一万1 一 ( 2 - 1 8 ) 式中，曲轴转角驴oc a 】从曲柄在上止点时取驴= 0 算起。 气缸容积随曲轴转角的变化率为： d v 万2 d 2 s - 一- - - - - - - - 一 d 妒8 x 1 8 0 s i n 和争一 ( 2 - 1 9 ) 式中巾半一压缩比； k 2 署d 2 s 气缸工作容积。 2 气缸周壁传热计算 工质向气缸盖地活塞顶面和气缸套的湿润表面等燃烧室诸壁面的换热 量q 是能量守恒方程中的一个部分。根据工质对燃烧室周壁面的瞬时平均换 热系数口。和壁面的平均温度乙，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： 等= 砉等一i 1 3 们吲 式中， 角速度，( o ) s ； 吃瞬时平均换热系数，j ( m 2 s k ) ； 4 换热面积，m 2 ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 z 气缸内工质瞬时温度，k ； 乙壁面的平均温度，k ，其中i = 1 、2 、3 时，分别为气缸盖、活 塞、气缸套。 若发动机转速刀的单位是( r m i n ) ，角速度彩= 6 n ( o ) s ) 。的单位采用 ( j ( m 2 s k ) ) ( 即w ( m 2 k ) ) ，孥的单位为( j 。c a ) ，则式( 2 2 4 ) 写为： 等= 去私州丁 ( 2 2 1 ) 气缸套的湿润表面4 随妒的变化值，可按活塞位移公式算出。活塞位移 随驴的变化为： 砌，2 淞护1c o s 岳一万1 止彳以孟训 p 2 2 ， 气缸套湿润表面面积4 为： 4 = 万d s c + x ( 够) 】( 2 2 3 ) 式中，s ，涂隙高度，m 。 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。现有的内燃机瞬时平均换热系数的计算公式较多，基本可以归纳 为两大类：纯经验公式和准则公式。目前还经常被引用的纯经验公式如 e i c h e l b e r g 公式，准则公式如w o s c h n i 公式、s i t k e i 公式等。由于影响气缸内 工质换热的因素较多，问题比较复杂，加之各研究者对影响换热过程诸因素 的不同理解，以及试验机型及条件不同，各公式之间差异较大。下面介绍本 文采用的w o s c h n i 公式( 2 刁： w o s c h n i 公式是以如下的短管内受迫流动对流换热准则方程为根据： n u ；0 0 3 5r e n 8 ( 2 2 4 ) 在直喷式和预燃室式四冲程增压柴油机、火花点火式汽油机上进行比较广泛 的试验，整理得出的公式。本公式适用范围较广，目前被广泛采用，但使用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 _ _ 一_ _ _ _ _ l l _ _ - - - - l _ l - l _ - _ _ _ - 一 本公式时式中的稳流吹风试验切向速度c 等不容易准确地被确定。 妒8 2 0 d - o 2 p o s t - o 5 3 卜崛景】0 8 ( 2 - 2 5 ) 。 式中，d 气缸直径，m ； p 气缸内气体压力，m p a ： r 气缸内气体温度，k ； 巳活塞平均速度，m s ： 见、疋、圪压缩始点时的气缸内工质压力( m p a ) 、温度( k ) 、气缸 容积( m 3 ) ： p o 与工作循环压缩始点相同的冷拖动循环瞬时压力，m p a ； k 气缸工作容积，m 3 ； 乞稳流吹风试验时，风速计叶片的切向速度，m s ； c 1 一一气流速度系数：c 1 = 6 1 8 + 0 4 1 7 c 。c ( 换气过程) ， g ；2 2 8 + 0 3 0 s c c ( 压缩及膨胀过程) ； c ，燃烧室形状系数：c ：；0 0 0 3 2 4m ( s - k ) ( 直喷式燃烧室) ， c ，。0 0 0 6 2 2m ( s k ) ( 预燃式燃烧室) 。 3 燃烧放热规律的计算 气缸内燃料燃烧的瞬时燃烧放热率1 2 4 】按下式确定： 孕；肌”仇譬、 ( 2 - 2 6 ) a 9a 垆 式中，h u 燃料燃烧低热值，k j k g ； g ，每循环供燃料量，k g c y c ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 仇燃烧效率； 譬燃烧速率，或放热率，1 。c a ； d 妒 x - 在某一曲轴转角妒时气缸内燃料燃烧百分数，它等于已燃烧掉 的燃料量与循环喷油量g ，之比，即x ：m sx 1 0 0 。 g f 燃料的燃烧放热过程较为复杂，一般用一个简化的代用燃烧放热规律来 代替实际过程，即认为燃料是按照一定的函数形式进行燃烧放热的，并且在 代用过程中所放出的总的热量以及所产生的结果( 性能指标) 与实际过程是 一致的。本文采用的是韦伯函数，其形式为： d ，x 。6 9 0 8 盟仁堕) m e - 6 9 0 8 ( 妒伫- 9 b ( 2 - 2 7 ) n 9 午z9 z 式中，m 燃烧品质指数； 妒瞬时曲轴转角，。c a ； 讫燃烧持续角，讫一一，。c a ； 2 1 3n o x 生成模型 n o x 生成模型采用采尔多维奇( z e l d o v i c h ) 模型【1 7 , 3 0 l 。采尔多维奇反应 机理认为，n o 生成反应的过程为： n + n 0 士n ，+ o n + o 、士n o + o n + o h 士n o + h 其中反应速率常数分别为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 毛- 1 5 5 x 1 0 1 3 咖8 粥枷p ( 一罕) 毛= 4 2 x 1 0 3 ( 2 - 2 8 ) 式中，z 为各单元内工质的瞬态温度，可取绝热火焰温度瓦( 妒) 的值代替。 在任意曲轴转角时单元绝热火焰的温度，可用类似于均匀混合燃烧的方法来 确定，即 狮) 患】t 根据化学反应动力学理论，假定氮原子浓度为常数， 方程为 d e n o 】12 足( 1 一2 ) 。_ _ 。一j = 一。_ _ - _ _ - _ 。- _ _ _ _