（船舶与海洋工程专业论文）6s60mc船用柴油机工作过程建模与仿真研究.pdf

中文摘要摘要内燃机工作过程的数学建模是从内燃机备系统的物理模型出发，用微分方程黠器系统匏实鬻王作过程透露数学搐述，求缮各参数穗辩鬻交纯鲍魏德。它是磅究内燃机性能的有力工具，能有效地指导发动机的设计和试验工作。本文在柴油机基本工作原理、热力学、气体动力学的基础上，对目前广泛用予虢耱主穗瓣m a nb & w6 s 6 0 m c 柒漓鞔豹懿内工俸遥疆建立了麓态数学模鍪箨进彳亍了系统仿真研究。将柴油机划分为五个相互独立的热力学系统，各热力系统之闽又通过边界逊行质量和熊照交换。通过对代用燃烧放热规律、工康的热力性质、热量的传递、工质静流动等影响柒浦镌工作过程魏鞠关参数送弦了分辑，运用能量守恒方程、质量守恒方程和气体状态方程等热力学方程，针对这些热力学系统分别建立相暾的物理模型和数学模型，利用数值计算方法通过m a t l a b 的s i m u l i n k 软律惫辩该柒油掇静缸内工箨过程迸行了禳誉，褥出柴油税不同受荷下( 2 5 、5 0 、7 5 、1 0 0 ) 的稳态工作过程的工作特做曲线，画出丁备负荷下柴油飙的p 一妒示功圈。通过与安际台架试验测褥的p 一妒示功图进行对比，结果比较接近。2 0 0 5 年5 月1 9 日生效的i m 0 9 7 议定稍m a r p o l 附则对船舶柴油机的排放气体遘 亍了援定，嚣柴油祝撵放气体中n o x 鑫冬含量与柴油掇豹瀑发蔗力、压缩压力、燃烧温度等影响柴油橇工作过程的参数密切相关。因此本文不仪辩研究柴油机的性能，而鼠对研究如何降低对大气的污染都有一定的帮助。本文的研究成果娶戆月予大连熬瘸柒浊极厂生产豹6 s 6 0 m c 瓣薅羝速柴濑枧豹性能分糖中。关键词：柴油机；工作过程；系统仿真英文摘要m o d e l i n gf o rw o r k i n gc y c l eo f6 s 6 0 m cm a r i n ed i e s e le n g i n ew i t hs y s t e ms i m u l a t i o ns t u d i e sa b s t r a c t髓l em a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ew o 纛i n gp r o c e s si si m p o r t a n tf o rd i e s e le n g i n ep e r f o r m a n c ea n a l y s i s b a s e do nt h ep h y s i c a lm o d e la n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n es y s t e m s ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo fd i e s e le n g i n ei sb u i l tu s i n gd i f f e r e n t i a le q u a t i o n 协d e s c r i b et h ep r a c t i c a lw o r kp r o c e s so ft h ev a r i o u ss u b - s y s t e m s 。确et r e n d so fp a r a m e t e r sc h a n g i n go fd i e s e le n g i n ec a nb ep r e d i c t e db yu s i n gt h i sm o d e l i ti sp o w e r f u lt o o lf o rs t u d y i n gt h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ec a p a b i l i t y ，a n di tc a ne f f e c t i v e l yg u i d et h ed e s i g na n dt h et e s tw o r ko fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e +b a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fd i e s e le n g i n e ，t h et h e r m o d y n a m i c sa n dt h ea e r o d y n a m i c s ，t h i st h e s i sb u i l d sad y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rw o r k i n gp r o c e s so fm a nb & w6 s 6 0 m cd i e s e le n g i n ew h i c hi sat y p eo fd i e s e le n g i n e - w i d e l yu s e do ns h i p sa tp r e s e n tt i m e 。s y s t e ms i m u l a t i o ns t u d i e so nt h i st y p eo f d i e s e le n g i n ea r eu s e f u lf o rt h ea p p l i c a t i o n f o rm o d e l i n gp u r p o s ead i e s e le n g i n ei sd i v i d ei n t of i v ei n d e p e n d e n tt h e r m o d y n a m i c a l l ys u b - s y s t e m s ，b e t w e e ne v e r yt w os u b - s y s t e m s ，s u b s t a n c ea n dt h ee n e r g ya r ee x c h a n g e dt h r o u g ht h eb o u n d a r y b ya n a l y z i n gt h ep a r a m e t e r so fh e a tr e l e a s er a t e ，t h e r m o d y n a m i cc h a r a c t e ro f m e d i u m ，h e a tt r a n s f e r , f l o w a g eo fm e d i u ma n dr e l a t e da f f e c t so ft h ew o r k i n gp r o c e s so fd i e s e le n g i n e ，a n db yu s i n ge n e r g y - c o n s e r v a t i o ne q u a t i o n , m a s s - - c o n s e r v a t i o ne q u a t i o na n dg a sl a w , m a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rt h e s et h e r m o d y n a m i cs u b s y s t e m sa r eb u i l ts e p a r a t e l y u s i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d , m a t l a bs i m u l i n ks o f t w a r ep a c k a g ei sd e v e l o p e dt os i m u l a t et h ew o r k i n gp r o c e s so ft h i sd i e s e le n g i n e ，a tl a s tt h ep a r a m e t e rc u r v e sw h i c hs h o w n 豁p pg r a p ho ft h i se n g i n ea r eo b t a i n e d 确ep 一矿g r a p h sa r ew o r k i n gs t a b l yu n d e rd i f f e r e n tl o a d ss u c h 嬲2 5 ，5 0 7 5 a n d1 0 0 r a t eo ff u l lp o w e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t s 黜c o m p a r e dw i 疆t h ep 妒g r a p hw i t c hw e r em e a s u r e da c t u a l l yd u r i n gd i e s e le n g i n et e s t s a n dt h et w or e s u l t s 粼q u i t ec l o s e a tp r e s e n t t h ep r o t o c o la d o p t e di n1 9 9 7i n c l u d e dt h en e wa n n e xv io fm a r p o l7 3 ，7 8 ，w h i c he n t e r e di n t of o r c eo n1 9m a y2 0 0 5 ，i su s e dt oe o n t r o lt h es o xa n dn o xe m i s s i o nf r o md i e s e le n g i n e s 。瓿en o xc o n t e n ti ne x h a u s tg a sf r o md i e s e le n g i n ei s1 e l a 娃v et ot h ep a r a m e t e r sw h i c ha f f e c tt h ed i e s e le n g i n e s w o r k i n gc o n d i t i o ns u c ha se x p l o s i o np r e s s u r e ，c o m p r e s s i o np r e s s u r e ，c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n ds oo n s ot h i st h e s i si sn o to n l yh e l p f u lf o rs t u d y i n gt h ep e r f o r m a n c eo fad i e s e le n g i n eb u ta l s ou s e f u lf o rr e s e a r c h i n go nh o wt or e d u c et h en o xe m i s s i o nf r o md i e s e le n g i n et op r o t e c ta i rp o l l u t i o n t h ea c h i e v e m e n to ft h i st h e s i si su s e df o rp e r f o r m a n c ea n a l y s i so f6 s 6 0 m cd i e s e le n g i n ew h i c hp r o d u c e db yd a l i a nm a r i n ed i e s e le n g i n ew o r k s k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ：w o r k i n gp r o c e s s = s y s t e ms i m u l a t i o n大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士硕士学位论文：竖q 竖篮旦柴油扭王佳过捏建撞皇鱼真婴究：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：琢乇改蜥歹月，2 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。黼粼：奄镪嚣乎办6 s 6 0 m c 船用柴油机工作过程建模与仿真研究第1 章绪论1 1 概况内燃机是一种工质开式循环并以间歇方式工作的动力机械。由于其间歇工作方式的特点，使构件承受高温作用的时间短，热负荷小，可以承受较高的循环温度。在工艺水平还不发达的十八世纪，内燃机就能付诸实用，在热效率方面占据的优势保持到现在。过去内燃机的理论基本上还是建立在理论循环的基础上，常规的工作过程计算对实际工况作了很大的简化，不考虑实际的换气过程、燃烧过程、传热过程，只能做粗略的估算。为了使计算结果符合实际，就要选取一系列的经验系数。一种类型发动机上取得的经验数据很难转换用到其他发动机上。因此尽管内燃机应用较早，但长期以来内燃机的设计、制造仍然主要依靠经验。六十年代中期，由于电子计算机的应用，对内燃机的工作状态进行动态过程仿真研究成为可能，使内燃机理论建立在新的计算手段基础之上。内燃机工作过程数值仿真( 或称循环模拟计算) 就是从内燃机各系统的物理模型出发，用微分方程对各系统的实际工作过程进行数学描述，通过编制计算机程序，用电子计算机求解微分方程，求出各参数随时间( 或曲轴转角) 的变化规律，在此基础上计算出整机性能。在模拟计算中，综合考虑了热力过程、气体流动、能量交换、增压器特性与柴油机的配合等，可以反应出结构参数、燃烧规律、配气相位、进排气系统中的流动阻力、中冷器特性、涡轮增压器特性等与柴油机性能的关系。使用这种计算方法不仅可在柴油机的产品改进和产品设计阶段进行多方案比较，在柴油机调试阶段与测试相结合指明调整的参数及调整量，还可以估算环境参数变化时各性能参数的变化，节省了试验，节约了人力物力，缩短了研发周期。目前应用内燃机工作过程系统仿真可以进行下列工作【1 l ：1 、预测发动机的性能，进行多方案比较，以获得最佳设计方案；2 、研究各种结构参数、热力参数和运转参数对发动机性能的影响，进行设计参数的优化；3 、通过对零部件工作环境的研究可以预测零部件的寿命和可靠性；4 、在发动机性能调试阶段，利用模拟计算可以揭示试验中没有测量或不可测量的参数的大小，指明参数调整的方向，减少试验工作量，缩短调试周期。第1 章绪论同时，涡轮增压柴油机热力过程的系统仿真还在逐步完善，特别是对某些经验系数和半经验公式( 如流量系数、传热系数、燃烧放热规律、变工况时燃烧规律的改变规律及气缸传热系数等) 目前还不是最完善。另外，热力过程与气缸热负荷结合起来进行综合计算等还正在发展中。【”l1 2 增压柴油机模型的建立增压内燃机是一个很复杂的热力装置。在进行工作过程系统仿真时，首先要建立数学模型。建立数学模型的步骤大致如下【1 l ：( 1 ) 对所研究的对象进行观察和测量，即收集数据和资料的阶段。( 2 ) 将实际复杂的系统分解成若干个容易处理的子系统，并建立相应的物理模型。( 3 ) 根据热力学、热量交换、质量交换等方面的知识，将简化的物理模型进行定量的数学描述，即建立数学模型。( 4 ) 利用已建立的初步模型进行模拟计算，求出该模型所包含的全部物理参量，并通过试验验证，进一步修改模型，最后达到实用的目的。建立模型时还要注意以下几点：( 1 ) 模型的目的性：模型的建立首先取决于计算的目的和任务，即首先要明确计算模型要解决什么问题。如果计算的目的是为了得到一张示功图和一般的性能指示，可采用简单的代用燃烧规律模型。( 2 ) 模型的准确性：模型的准确性取决于所研究的系统( 包括边界条件) 的复杂性以及对其了解认识的细微程度。如内燃机的燃烧过程极为复杂，某些地方尚未充分认识，因此就很难建立准确的数学模型，但可以根据工程实际要求，建立满意的柴油机数学模型。( 3 ) 参数的敏感性：在数学模型中，最后输出参数对输入参数的敏感性是不同的，了解它们的敏感程度，有助于确定计算精度。如果某输入参数对最后输出参数影响较小，则该输入参数的取值就不必取得十分精确；反之，如果影响很大，则该输入参数就应力求精确取值。6 s 6 0 m c 船用柴油机工作过程建模与仿真研究 。3 热力系统的划分在进行涡轮增压柴油机的热力过稷计算时，先把涡轮增压柴油机的计算模型划分成几个独立的瞬时燕力平衡的系统。这些系统之间通过管口或孑乙口联系起来，并进行能麓移囊爨交换。一般将柴洼祝划分为下歹| l 几个热力系绞 2 1 ：1 气缸可假定柴油杌气缸中气体的隘力、温度与成分是均匀静。对予二冲程柴油机强带扫气蹬羧，戈了傻拯气模型接近安耩摆气过程，胃爰三区捏气模型，瑟瑟鲜空气嚣、混会区和废气区。2 排气管撵气管楚指麸捧气瘸遴到涡轮凑骧为壹熬掺气支警与憨警。慰大型绦速装洮辊，爨采用定压增压，因此在柴油机稳定运行过程中，可忽略压力波的传播，把排气管内的过程视为单纯的充填与排空过程，认为排气管内各点每一瞬时都处予热力平衡状态。3 ，透气管帮籀气藉对于大型低速柴油机，可认为进气管和扫气箱容积足够大，其中的腹力和温度不随曲轴转角而变化。4 。疲气满轮增筮器在每一循环中涡轮发出的功与压气规消耗的功乎衡，流量平衡及转速相等，并且对于定压增压的涡轮增压器来说转速在稳定运行时可以认为是稳定的。在气体流动方面的计算，戳一个当羹喷鬻采代替满轮。5 。中冷器般把中冷器简化成个节流与降温的冗件进行计算。第2 章6 s 6 0 m c 柴油机熟力学模型第2 耄6 s 6 0 m c 柴油枧热力学模型2 16 s 6 0 m c 柴油梳概况6 s 6 0 m c 柴浊枧是嚣翦远洋簸符艇舶聱遮采建戆主攘遴柴瀵援型号，该系列柴油极是豳m a nb & w 公司推出的一种大艇二冲程、低速、定压增压、超长行程、可倒转船用柴油祝。6 s 6 0 m c 是其该系捌中静6 缸柴油祝，萁具体参数如下；发火蹶彦：1 - 5 3 4 0 额定功率：1 2 2 4 0 k w额定转速：1 0 5 r p m压缩览为：1 7 ，4缸径；6 0 0 m m活塞行程：2 2 9 2 m m最高爆发压秀；1 4 1 m p a平均有效压力：1 8 m p a涡轮增压器：t p l 8 0 - b 1 2调速嚣：d 鼯8 8 0 0 e本文作者为c c s 大连分社验船师，目前在大遣船用柴油机厂进行船用柴油机的制造检验，上述参数题目前该厂生产的6 s 6 0 m c 柴油机普遍采用的。2 26 s 6 0 m c 柴油机的物理模型矮据浆洼梳热力系绕划分鹣特熹，将柒溜撬巍为一系列可按容积( 热力系统) ，镳们通过管口豉孔口联系起来，并进行能量交换，将增压柴油机分为以下几个热力系统：1 ，气缸；2 、排气管；3 、废气涡轮增压器；4 、空冷器；5 、进气管和搠气箱，如图2 - 1掰示。6 s 6 0 m c 胎_ ( ；j 柴油机工作过程建模与仿真研究圈2 1 柴油机计算简图f i g 2 1c a l c u l a t i o ng r a p ho f d i e s e le n g i n e忍鼍，f ，y ，g ，群这熙热力系统中的状态变化可以有以下几种情况：( 1 ) 状态参数仅随时间面改变，系统中各点的参数是均匀的，也就是处子瞬时时热力平鬻状态，鲡气敲串酶压缩、膨胀过程。( 2 ) 状态参数仅随地点而变化，不随时间变化。不能应用系统状态均匀的假设，而必须研究工质在系统进、出口处的状态变化。如涡轮、压气机中的稳定流渤过程。( 3 ) 状态参数隧跨闻移施点变鼗。第3 章柴油机工作过程仿真计算的基本方程第3 章柴油橇童作过程傍真计算的蒸本方程在内燃机循环仿真计算中，应用的热力学基本方程有【2 】：获态方程：p 矿= 翮r能爨守恒方程：d u = 矗已l质爨守恒方程；d g = 妈，辱梵遴过系绞边爨突换鹃链量q 麓逶避系统边爨交换魏蒺量( 3 ，l ( 3 2 )( 3 3 )上式表示系统内能或质孱的变化等于通过系统边界进行交换的任何形式的能量戏质量的代数斓。我们规定；加入系统黥能量、质量为难值，取出系统的能量、质麓为负值。计雾时按此规窥数值带正、负号，丽事先不列入公式牵。能量守恒方程对于每一个控制容积，又可写成下面的通用形式：d u = a v e + e a q , + ，d g 3 4 )l，为机械功；q 为通过系统边界交换的热量；五o d g j 为质量嬲，带入( 或带撼) 系统的熊麓。实际混合气体的比内能和气体常数是聪力、温度和气体成分的函数。假定混露气俸戆残分可溪避量空气系数诺表示，粼有；u = u ( r ，p ，口) 。殿= 尺也p ，口)瓣其进行全徽分，并带入式( 3 ，棼，可褥湛疫蘧鼗鞠转焦交豫豹微分方程：罢：墨：壁：善差；墨：亟塑翻：三 。，面2 瓦_ 万丽l( 3 5 )式中爿。l + 三丝其8 rb ：= 1 - p o r 震勘c ：里型| ! 箜一三坐+ 三f 丝1 塑1b 勿l g 却矿和r 觎，和|实舔嚣算霹，鼙壤忽貉压力p 霹毙内蕤髑气钵常数嚣熬影穗，因悲( 3 。5 ) 莓篱偬( 3 。6 )式( 3 3 ) 中含有许多其他的微分变鬣，其中包含了边界条件，遮着说明系统内部秘交纯瑟是与系统这爨土黪旋豢、痿鬃交换联系在趋。哭有当选赛条律确定，上述微分方程的解才能确定。堕印型强丝如叫堕匆，丝匆尥万k 睁上蚓堑匆第4 章6 s 6 0 m c 柴油机气缸内工作过程的数值分析第4 章6 s 6 0 m c 柴油枕气缸内工作过程的数值分析4 ，1 缸内过程的基本微分方援取气缸作为一个热力系统，边器出活塞顶、气缸盖、气敲套壁面组成，瞧能量守懂方程、质量守恒方程和气体状态方程联系起来，求解缸内压力、温度和质嫩三个参数。一、计算瑕定首先我们对缸内热力过程的计簿做如下假设：l 、气缸内的状态是均匀的，不考虑气缸内备点的压力，溢度和浓度的差异，并认为在透气麓闫，流入气疑内戆空气与气袁工内残众废气实现骧时静完全漫会；2 、麓质为理想气体，其眈热、肉能仅与气体湿度和气俸成分有关：3 、气体流入或流出气缸为准稳定流动；4 、邀、出口豹动簸忽略不诗。二、能量守恒方糕根据前述假定，考察气缸热力系统，通过该系统边界进行能艟交换的具体项目如下：熬纛交换：因质魑交换而产嫩的能量交换；手等= t 等+ l 等( 4 1 )( 4 。2 )( 4 3 )盟却垫却堡和蛾一咖蝴矿一蛰磋僦盟如6 s 6 0 m c 船用柴油机工作过程建模与仿真研究q ，为燃烧放琏 盼热量；瓯为通过边界传迸或传出静热量；缈为作用在满塞上的机械功；瓯为流入气瓤熬质量，t 戤表示漉入缓量镦元蛾掰带入气敷豹能量；娩为流出气钒的质量，t d 瓴表示流出质量微元d 瓯所带出气缸的能量；，l 为分别为进气门前和气缸内的比焓。裰撵蔻蟊熬麓定，热入系统静能量兔歪，磐气缸骞积交，l 、辩，燕秀巍系统魏入能蘩，而的符号已为几何关系而定，所以因容积变化所做的劝必须加上负号。般情况下，气缸内豹比内能玩和质量q 同时变化，放有：等= 掣= 以等崛等 4 ，慰予柒涵规，气俸壤分霹爝过量空气系数袭示，霾魏跑蠹毙霹筵纯为湛度窝过爨空气系数的函数，即蛾= u ；也，搿；) 。将其写成全微分的形式，并考虑到( ，：= ，婴：为： d u ：亟+ 一o u , 亟( 4 5 )葛2 。荔+ 百面h 巾将式毽，1 ) ( 4 5 ) 带入式( 3 。6 ) 可褥：等=去l等+面dowp等+等等卜c。疋等一叱g瓦ou,面dagid 9z c 坦d 9d 妒d 爷d 妒。d 9 。d 妒a a | d 妒( 4 6 )忽略瓯对比内能的影响，即：等= 去l 等+ 面d a w g一尹等+ 等t + 等乏一霉等|d 9芦懵、d 9d 母d 爷d 母3d 争一。d 91( 4 7 )第4 章6 s 6 0 m c 柴油机气缸内工作过程的数值分析三、质量守恒方橼对气缸系统列出的质量守恒微分方程为：墅：堕+ 堕+ 堕( 4 。8 )d l pa 爷d 译d 9g ，为喷入气缸内的瞬时燃料质甓式( 哇7 ) 秘疆，8 ) 攘上气薅菝态方程p v = g r t 帮霉求勰錾蠹气俸基力、滋度帮覆曩。但其中还含有，矗q ，d q ，粥，粥。等微分变量，它们的计算公式和计算梭型，将在后面各节中分别讨论。4 。2 气缸工作容粳在避行柴油机循环模拟计算时，柴油机的主鬻结构参数，如气缸直径d 、行程s 、连耔基糖魄a 、压缩纥g 等是终为藏知参数输入计算祝豹，农这些参数确定以后，气缸容积的变化规律就是活塞行程的交化规律。根据活塞连杆机构运动学求得活塞位移为：蚺s e i l 毋( c 。接妒 + 丢丽) l椎9 ，气敷的瓣时容积为y ( 茆= 圪+ e 4 d 2 肖)式审：匕麦气袈糕缭容积，以= 兰音；圪为气缸行程容秘，圪= 三d 2 s ；掌凳莲缩魄。将上述公式进行熬理，最后得气缸瞬时容积为：( 4 1 0 )6 s 6 0 m c 船用柴油机工作过穰建模与仿真研究e = 婴4 阻 6 - 1 球甘( c o 仁厣舔硼陇m式孛：妒菇蘧辘转熊，扶鏊辘农上壹瘴爨妒= e 雾超。气数容积疆瑟皴转囊戆交毙率为：够葶2 d 2 s如8 1 8 0黼临8 0 刁+ 墨2l l，蜘陆咖刁潲l 丽蛇叼j毒1 2 )4 。3 工鼷的热力浚膜能量传递和转换不仪与工质状态变化有关，而且还与工质本身的热力学性质有密切关系。一、王质成分工质的热力性质与m 质的组成成分有关，在内燃机的实际王作过程中，融于在充量换气露，凝鐾空气与气敬蠹熬残余废气混合，以及耄予燃烧辩发生纯学反废，掰豁工质成分是随蠲轴转角变化的。实验表嚼，当排气的波许烟度值兔= 5 时，测融的排气中碳烟含量为0 s m g n ，若避量空气系数c r = 1 2 ，则0 s m g l 碳烟含燃的发热量只相当于燃料热篷麓o ，7 ，耩戳鑫苓宪全燃烧逡戏熬撰失透露霹敦忽臻不谤。在蒙洼橇审，枣子过量空气系数瑾总是大予l ，所以可认为是完全燃烧。其燃烧产物一般由n 2 、c 0 2 、1 - 1 2 0 、0 2 组成。显然计算这姥成分的变化是麻烦的事情。我们可以把气缸内的工质质量分成空气震囊器燃辩霞量秀帮分，鞠镬霹滚气也是这捞簸理，这撵麓毒凌辱| 入瓣辩过量空气系数的概念【2 一o i ，其定义为：敏篇磊g l g = g 毛, - g g f = 蔫住王3 )d o l l 。!一d g , 一线鱼a 9l 4 g f x ta 舻己勺。g f 砖d 争( 4 1 4 )第4 章6 s 6 0 m c 柴油机气缸内工作过程的数值分析戏孛：g ，为每锤环每锰喷入燃油嬲重量( 公厅) ；氏为l 公斤燃油理论上完全燃烧所需的空气量，厶= 1 4 3 公斤公斤；雌为某瞬时气缸内气体所禽有的燃料产物所相当的燃油量占每循环喷入气缸油攫g ，的分数。在燃烧过程中：嶷捧气过程中；堕：鱼d 母d 母盟：兰堕d 爷g ：d 妒( 4 1 5 )( 4 1 6 )x 为燃烧笺菜一瓣辩己燃簿翡循环凌酒藿懿分数；晓为排气阈排出的废气量。以上这种表示法对计算混合气体的分子髓及气体常数等带来很大方便。= 、混合气体的眈热和绝燕指数疆想气髂熬毙痰能、毙烩、比热及比热拢存在如下关系：u = i r t# ，一o = r假定工质为理想混念气体，起组成成分可用瞬时过量警气系数表示，则比内能为温度和过量空气系数的函数：u = u p ，掰) 。糇据充斯蒂( h s t i ) 静院燕数箔，将阮内熊整理成下确耪析式：u ，= 0 1 4 4 5 5 1 - i o o 阱万0 0 4 8 5 p 埘s 聃。“+ 卜+ 剖呻7 轴n卜6 + 割妒：，m ”2 棚s s s 姚“mp、，里静，kl l尹c翌舒。，；，o 一 专6 s 6 0 m c 船用柴油机工作过程建模与仿真研究乞= ( 铡。观粼_ 5 卜x ( 0 0 9 7 0 , 0 4 8 。5 尸、埘砖x l o “+ 2 x ( 7 筠s + 剖( t - 2 7 3 ) 瑚卜舛剖删小瑰嗉篷瀚比焓、等压比热和比热比，可由前述关系式求出。三、摩尔质量稻气体常数在内燃虮热力过程分析中，我们可以认为实际气体的状态方程与理想气体的完全样，但实际气体的气体常数为r 。查恰垂驻斯将镌整瓒成下鳓解析斌：r z = 9 8 1 x 1 0 - 3x 卜+ o t 楞一捌 御4 = o 3 5 0 0 5 t o o 懈b 然i i 1 + 1 4 3 x o 舭c = 0 。2 5 2 + o 1 0 2 x o 柏1饼一lr = 一0 ，0 6 9 8 + 晓求出k 、r 盾，即可按下式计算瞬时比热：rl v 。五p 一鬏k。，一i = i聪由c ，、c 。算比内能和比焓。也有人以燃烧a 重油( h c ：o 1 5 7 7 ) 为例，由k e e n a n & k a y e 气体袭，用最小二乘法求密淤球。隽参薰鹣r 及m 翡诗算式：怒= 2 9 2 6 4 7 - 0 。0 4 0 2 h x j ,mz = 2 8 9 7 0 5 + 0 0 4 0 3 | o i i着h c 在0 1 5 o1 6 范围内，则r 值的计算误差在o 1 隧内，一般柴滴与诧鬣稆遥，教矮式诗冀定与艇，不致絷来太大谡蓑。第4 章6 s 6 0 m c 柴油机气缸内工作过程的数值分析4 4 进、排气流量的计算一、流堂方程逮过遴、播气蜓( g 魏气髂滚动按准稳定滚动懿壤念处理，熵绝热来处理，实际流量等于理论流量乘以流量系数，即：磊d g = 上品z 拶z f 2 f i - f a 0 3咿去艘2 争翻汐拶雠￥嶷jf 秀尼秘滚动截瑟积；砧为流量系数；撑为柴油机转速；为流动丞数，其燕按下式诗算。当争( 嗣飞为亚| 离界蹴拶2当鲁( 剖煳羟界溯= 去后通过谶气阀( 口) 的流量为：等丝6 n 蓐1 斋t 鲁 荨和疋一扭嚣l 只，鬈，黢兔遨气口楚戆流蹩系数；其理论滚量按一缝等( 4 。2 0 )毽2 1 )( 4 2 2 )“2 3 )6 s 6 0 m c 船用柴油机工作过程建模与仿真研究在进气口处的流动均为亚音速流动。通过排气阀的流动，在初排气阶段有超临界，但没有超音速，也有亚临界流动，在亚临界排气期：d g e 一# l e f | 2 9 kzp i 一却6 n1 f k ，一1 r ：t在超临界排气期：( 4 2 4 )堡：丛，姿只f 土r( 4 2 5 )万一万瓦而l i 了- j”以为排气阀处的流量系数。二、气阀( 口) 的几何流动面积气阀几何流动截面积是随气阀升程曲线而变化的，气阀升程曲线可由配气凸轮升程曲线计算得到。对于大型低速柴油机，普遍采用直流扫气，其排气阀的几何流通截面积可用下式计算：e = 矾，) c o s 乃( 巩+ ) 咖唧c o s o ，)( 4 2 6 )盯，为排气阀阀盘锥角；屯为气阀升程；见为排气阀阀盘内径。二冲程柴油机排气口几何截面积的计算，可根据活塞运动规律的公式，计算各瞬时气口开启高度厅，。) ，并忽略气口的圆角半径，。，气口开启截面积为：。= 。) b ，0s i n p( 4 2 7 )三，流量系数第4 章6 s 6 0 m c 柴油机气缸内工作过程的数值分析实际流量与理论流量的差异都计及在流量系数中，流量系数由试验确定，在测出实际流量及气阀通道前后的状态参数后，求出瞬时流量系数。流量系数与许多因素有关，气阀( 口) 的流量系数主要与气阀升程( 或气口开度) 有关，压比的影响很小，可以忽略不计。流量系数一般是用稳流试验确定，即在压比不变的情况下测量确定不同气阀升程的流量系数。在没有试验数据的情况下只能使用经验公式进行计算。对于气阀来说，流量系数的经验公式的一般形式如下：删舶矗， 纠2 z s ，二冲程柴油机气口的流量系数的经验公式如下：以= l ( 1 + 旅)( 4 2 9 )置：p 七矧一。( 4 3 0 )式中：至为气口开启高度与气口全开高度之比；，k oa 为常数，取0 5 5 o 6 55b 为常数，取0 1 3 1 4 2 ；# 为气口开到最大时的流量系数，对二冲程直流扫气，取0 6 2 0 7 5若有气体倒流，同样可用上述所列公式进行计算，但相应的上游与下游的参数要变换。4 5 代用放热规律根据燃烧放热规律的定义：等叫g s w 面a k 大卡度g i 为每缸每循环喷入气缸的燃油重量，公斤缸+ 循环；仇为燃烧效率，计及不完全燃烧和离解损失，对柴油机稳定运行计6 s 6 0 m c 船用柴油机工作过程建模与仿真研究算，取仉= l ；拿为燃烧速率，或称放热率；口口x 为在某一曲轴转角时，已燃烧掉的燃油重量与g ，之比。x ，拿表示燃油的燃烧规律，与柴油机的结构参数、转速、喷油规律、燃烧室口口形式、压缩终点气体状态p c 、t c 和过量空气系数口等有关。前面在计算燃烧过程时，我们没有给出墼的具体计算公式，欲进行循环模拟计算，口口首先必须求得燃烧放热规律孥和拿的定量关系。由于内燃机的燃烧过程极为复杂，口够口口孚= 与燃烧的物理、化学过程、柴油机的结构参数及运行参数等许多因素有关，到目前为止还很难用个精确的数学模型描述出来。一般确定! 墼的方法有三种：利用口口现有柴油机的实测示功图进行数值分析，求出墼，作为己知输入数据进行计算；从实口口际燃烧的物理化学过程出发，建立简化的或复杂的燃烧模型，考虑燃烧过程的中间细节，能更接近实际的燃烧过程；不管实际燃烧过程如何进行，用半经验公式或数学上比较简单的函数去模拟实际放热曲线，使计算的最终结果与实际值基本相符合，通常在总放热量和平均指示压力、指示燃油消耗率、最高燃烧压力等指标上逼近实际燃烧过程。不同类型的柴油机有不同的燃烧放热规律，因此代用燃烧放热规律也不同，如果以预测柴油机的一般性能为模拟计算的目的，国内外较通用的燃烧放热规律的半经验公式是韦博( v i b e ) 公式：x = 1 - 8 - “ , 要= 口似+ 1 ) r m p 拶、( 4 3 1 )j ，= 盟o 。- o z = 警，仍见，钆为瞬时曲轴转角、燃烧始点和燃烧终点的曲轴转角第4 章6 s 6 0 m c 柴油机气缸内工作过程的数值分析取y = 1 x = o 9 9 9 ，可求得口= 6 9 0 8 ，则x ：1 - e - 6 9 。8 r * , ! 竺= 6 9 0 8 ( m + 1 ) y ”p 一6 ”p 。d y一6 ( 生x = 1 一eb鱼：6 舢8 竺生( 型q ，p 一( 譬d 爷争z9z咖咿。卜卜。s ( 譬 “ )( 4 3 2 )等划。s 华) ( 引“唧卜。s ( 引“ ，他s s ，i t i 为燃烧品质指数，m 愈大，燃烧愈柔和，压力升高比愈小；柴油机转速愈低，m愈大；平均有效压力愈高，m 愈大。对于中低速柴油机，在标定功况下，m 一般在0 5 1 0之间：口为系数；见为燃烧始角；仍为燃烧持续角。见可用下式计算：8z = e g + a o i + 8 2曰。为几何供油始角；鼠为喷油滞后角，可根据标定工况的喷油滞后角吼及柴油机转速，以及计算工况的柴油机转速：岛= b 。旦( 4 3 4 )岛为燃烧滞后角，可由滞燃时间i 算得，但计算q 的经验公式有许多，本文采用6 s 6 0 m c 船用柴油机工作过程建模姆仿真研究交大2 3 0 公式：i 螂7t = o 。1 + 2 。6 2 7 e tx p 曲”毫秒( 4 3 5 )p 必燃气难力；r 为燃气温度。4 6 缸周壁的传热气缸属壁疆气缸盏底面、活塞】贾面靳气缸囊内壁缀成，德锅都楚透过冷却承及海滑濑( 油冷活塞) 进褥冷却，扶燃气至冷却波不颛进行热量传递。气体对气缸周壁的散热率为；等氇i 仍训+ 三d 2 ( 2 t z 一也) 志于馓( 4 s 。)搿。为砖热系数；f 为与燃气接触的缸套周壁袭面积；只：笠d ；瓦为气镪套内壁擎均潺发；为缸靛内表渐平均温度；咒：为活糕顶表面平均温度；f 为缸内气体瞬时温度；孥为负表示气体向钲壁散热。在进行计算辩豫合瑾选择o ，井，关键瑟瑟蹩确定搿，。耐影噙掰。的因索很多。对予大功率低速柴油梳来说，爱敝丽稿格a e i c h b e 哟黥公式毙较麓单，夯较接邋手实黪，恧曼缸壁教热总爨占总发热量嬲l o 宸右，因此g 。值误差在1 0 的情况下，对整机热量误差只有l ，而对循环热效率的影响更小。爱歇而伯格( e i c h e l b e r g ) 的公式如下：第4 章6 s 6 0 m c 柴油机气缸内工作过程的数值分析口。= 2 1 拆：瓜千卡米2 小时度( 4 3 7 )c 。为活塞平均速度；尸为气缸内气体的瞬时压力。4 7 二冲程柴油机的气缸扫气模型对于二冲程柴油机的扫气过程，国内外曾做过不少试验研究和理论计算，并提出了两种极端情况。一种是“完全扫清”，即新气从扫气1 2 1 进入气缸，与缸内废气无任何掺混，从排气口排出的首先是纯废气，排完后是纯空气，换气质量最好。实际的二冲程柴油机的扫气是达不到这种干净程度的。另一种是“完全混合”，即新鲜空气在每一瞬时从扫气l i 进入气缸时，即与缸内废气均匀混合，然后以这种均匀混合气排出气缸，换气质量较差。对于二冲程柴油机，由于扫气口排气阀重叠开启的时间相对于整个冲量交换的时间来说占的比例很大。在扫气开始时，经过短暂的完全扫清过程后，在新鲜空气和废气的分界处开始发生混合，至扫气的末期，则属于完全混合过程。因此实际的二冲程柴油机扫气过程是介于“完全扫清”和“完全混合”两者之间，而超长行程直流扫气的换气质量在二冲程柴油机扫气形式中是最好的，更接近于“完全扫清”。在二冲程扫气过程的模拟计算中通常采用“分层扫气”模型来处理。将整个气缸容积分成新鲜空气区、混合空气区和废气区，同时假定三个区的压力相等，温度和气体成分不同，但每一区域内的温度和成分是均匀的。这种计算方法的优点是在计算时，可参考模拟试验选取相应的参数值，计算结果更接近实际。但是，采用这种方法计算扫气过程，须增加微分变量，使计算更加复杂。因此提出了另一种简化的扫气模型，称为“浓排气”扫气模型，其特点是即可以把二冲程与四冲程的换气计算统一起来，又可达到与“分层扫气”同样的目的。所谓“浓排气”扫气模型，是指排气口的气体，其成分不是“完全混合”的气体，而是含废气成分叫多的气体。在扫气阶段开始时，排出的不是掺有扫气空气的燃烧产物，这样与实际相近。6 s 6 0 m c 船用柴油机工作过程建模与仿真研究在按“完全混合一扫气模型进行计算时，从排气阀( 口) 排出的能量孕l ，是以d 口完全混合的气体成分与温度计算的，该瞬时内气体所含有的燃烧产物之变化率为：堕：一立堡d 译gzd 9( 4 3 s )在计算时需要在上式中增加一系数善，且亭 1 。如果善= 1 ，即为“完全混合”扫气。堕：一f 立盟d 91g fd 妒( 4 3 9 )在计算中有曲押情况；( 1 ) 筹 击，q 为压缩始点时气缸内的气体重量。实际这种情况是不可能的。因最浓的排气为! 箬= l ，即排出的是不含有扫气空气的燃烧产物，即“完全扫清”。l ，=g 。故如果出现争瓦1 蹶鲁2 瓦1 ，矾堕：一上堑d 9g ：d 9该时排出的气体温度为，相当于该瞬时内缸内燃烧产物的温度：i 。= c 。t ，z = 坠牛警警( 4 4 0 )贝一扣学，玉q毙q叫堕却第4 章6 s 6 0 m c 柴油机气缸内工作过程的数值分析在这种情况下，排气阀( 口) 排出气体的温度，不是该瞬时缸内燃烧产物的平均温度疋，也不是用( 1 ) 中公式算出的温度r 而是比t 高、比i 低的浓排气温度t 。疋值可先算出该时“完全混合”气体中燃烧产物的温度t ，然后利用下式算出相当于“浓排气”时排气阀( 口) 排出气体的温度疋，即：疋= 等警墨嚣兰( 4 4 1 )式中：c 为“浓排气”气体的平均定容比热，可简化处理，用c 来代替，这样带来的误差是不大的。上述方法算出的拿和t 代入公式，即为“浓排气”扫气模型。这时气缸内气体仍d 驴按单区模型计算。同时对于长行程直流扫气柴油机，选定的善值要接近3 。4 8 气缸内的热力过程分析对气缸内的热力过程分析计算，主要是确定各过程中工质状态变化的规律以及过程中能量转换的情况。柴油机的整个循环可分为压缩期、燃烧期、膨胀期、排气期、气阀重叠期、以及吸气期六个级段，前三个级段可统称为高压阶段；后三个阶段则为充量更换时期。不同的阶段，过程中的状态变化有不同的规律，能量守恒方程式和质量守恒方程式也有不同的表达形式。( 1 ) 压缩期扫气口关闭时起至燃烧开始时止为压缩期。若不计漏气损失，并假定只有在燃烧始点才有燃油喷入气缸，则在压缩期间无质量流通过系统边界，缸内工质质量保持不变，质量守恒方程式变为：等：0故得g ：g l + 嘭：c o t s t ，g 步为由气缸内残余废气d 口。量折算的燃料质量。瓯= 争；厶：理论空气量，对于常用柴油厶= 1 4 4 ；g ，：气缸中实际空气质上勺u 疗6 s 6 0 m c 船用柴油机工作过程建模与仿真研究量( 即扫气过程中进入气缸的空气质量) 。由于在压缩期内无燃烧反应，孥：o 能量方程可简化为口口里：上f 盟一尸亟1( 4 4 2 )d 9g s 。、d 9d 9 )度q = 吼c 3 u = o 1 4 4 5 5 卜) ( ( o o 哪+ 剖0 0 4 8 5 ，s ，x l o - 6 + 2 x ( 6 s + 剖( t ：- 2 7 3 阳旷+ ( 4 s + 矧川4 巩，魄ka s ，p v z = g ；砜肚半，圪= 鲁净牝习一( c o 仁妒 + 万1占为压缩比；= 署d 2 s 为气缸行程容积；a 为连杆曲柄比气缸壁面传热量按等= = 妻d 却q w , = 喜鲥，( 一丁) 计算，砀为传热表面的平均温4 ：传热表砜活塞、气缸盖面积碱缸虬。专加鲁；4口= 2 4 7 百撕可，c 。为活塞平均速度。( 2 ) 燃烧期在燃烧期间，皇肇：o ，孕：0 ，但有燃料喷入气缸，故质量守恒方程变为a oa o皇圣：警2 ，必须了解喷入气缸内的燃料质量的变化规律。我们避开实际的复杂的物理d 口口舻第4 章6 s 6 0 m c 柴油机气缸内工作过程的数值分析化学过程，而做如下的简化处理：假定所要计算运行点的燃烧规律孥是已知的；口口按代用燃烧规律进行喷油，并认为着火延迟等于另，即喷油规律与代用燃烧规律成正比鲁= 击等由此可求得气缸内的瞬时燃料量为g ，= 吒+ g 户=