内燃机燃烧放热分析计算及其与燃烧分析仪的嵌入集成.doc

目录1绪论1.1课题背景及意义1.2国内外研究现状1.3本文研究内容2燃烧分析的数据采集、信号分析的原理与方法2.1燃烧分析数据采集方法2.1.1示功图的概念及用途2.1.2气缸压力测量方法2.1.3压力测量精度的主要影响因素及修正方法2.2气缸压力数据预处理2.3燃烧放热计算原理2.3.1燃烧放热计算的假设条件2.3.2基本微分方程2.3.3燃烧放热率计算步骤3燃烧放热计算程序3.1内燃机燃烧放热计算的需求分析3.2程序设计平台的选择3.3程序结构和流程3.4程序的数据结构及变量说明3.5输出量3.6图形化界面4燃烧放热计算结果分析4.1实验条件4.2计算结果4.3误差分析4.4敏感参数分析4.5 MATLAB与FORTRAN计算结果的对比5与燃烧分析仪的嵌入集成的研究5.1硬件系统5.2 LabView简介5.3算法与燃烧分析仪的嵌入集成6结论与展望6.1全文总结6.2展望1绪论1.1课题背景及意义近年来，汽车工业已成为全球最大的制造业，年生产能力已达到6500万辆，全球汽车保有量已达9亿辆。由于内燃机是目前燃烧效率最高的热力发动机，故广泛的应用于国民经济的各个领域和国防部门，它所发出的总功率占全世界所有动力装置总功率的90，它所排出的有害物质又是环境污染的最大源泉，全世界的汽车交通占温室气体排放的20，全球机动车数量的高速增长给气候带来了严重的问题。因此为了节约能源和降低污染，各工业发达国家十分重视内燃机气缸内燃烧的研究工作。为了降低内燃机的排放，必须从缸内工作过程着手，分析污染物产生的原因，内燃机数据采集和分析已成为内燃机生产和性能研究工作中必不可少的一个环节。随着内燃机应用的范围在不断扩大，品种和数量在不断增长，对内燃机中各系统零件的性能、使用寿命等技术指标的要求也愈来愈高。因此，对内燃机的工作过程、燃料及扩大燃料的品种、新型结构的研究以及设计和研制合乎要求的产品并对原有产品的分析改造，以满足各种用途的需要，自然就成为内燃机动力工程技术人员的重要任务。在内燃机试验中，除了要定性地观察一些物理和化学现象以外，更重要地是对运行过程中许多有关地物理量和化学量进行精确地定量的测定，如果没有先进的测量方法和测试设备，包括先进的数据处理方法和相应的设备，也就没有先进的内燃机检测技术。所以，若要设计性能更加优良的内燃机，优化燃烧，提高排放的要求，就需要对内燃机各方面的性能进行深入的研究。影响内燃机各方面性能的因素虽然是多种多样的，但燃烧过程具有举足轻重的地位。内燃机的动力性、经济性及排放特性与燃烧过程有着密切的关系。内燃机燃烧过程与其主要工作特性、功率、效率和排放以及部分的机械和热负荷、噪音、振动等都直接紧密地相耦合，所以要改进和完善内燃机的总体性能和某些局部特性，都必须首先在燃烧过程的改善和优化方面下功夫，对燃烧放热过程的深入分析是对发动机性能研究和改善的有效手段。由于内燃机的燃烧过程所占的时间极短，所处的空间很小，更重要的是内燃机的燃烧反应物是很不均匀的，并且经常是流动和扰动的反应物和燃烧产物处于同一容积。这一切就构成内燃机的燃烧过程是一个十分复杂多变的物理-化学过程。但是现在借助微机系统高性能数据采集卡各种传感器（压力传感器、针阀升程传感器、滤波器和电荷放大器等）就能够将大量的燃烧过程物理信息测量记录处理与显示。从这些信息和图形可以比较可靠地分析研究内燃机燃烧过程的完善程度，为进一步改善燃烧过程提供了科学的依据。气缸压力分析是分析发动机燃烧状况的重要方法。气缸压力携带了内燃机工作过程的大量有用信息，并且与内燃机工作过程的评价参数和性能指标有着密切的关系。各缸的工作参数、排放指标、性能指标等的差异都全部或部分地反映在气缸压力上。在内燃机的状态监测和故障诊断中，气缸压力是表征内燃机运行状态的最好指标之一，内燃机的工作状态及故障大都可以通过气缸压力随时间（或曲轴转角）的变化曲线反映出来。因此采集气缸内压力并对其进行统计或热力学分析是内燃机产品设计、改进或研究的重要方法。内燃机气缸气体压力曲线（示功图）是深入研究内燃机工作过程及动力性能指标的重要内容。通过对示功图分析可得出工作过程的最高燃烧压力和其所在的曲轴转角位置等重要参数。示功图既是内燃机性能参数计算和放热规律分析的依据，又是内燃机燃烧过程数学模拟精确程度的评价标准。利用实测示功图，可以计算内燃机的燃烧放热规律，对实际内燃机的燃烧过程进行分析，可以研究内燃机的循环变动。并且，可以借助示功图进行内燃机最佳状态调整及故障诊断，故国内外对其研究较多。因此，内燃机数据采集与燃烧分析技术得到了迅速的发展。1.2国内外研究现状现在，国内外己研究出许多发动机数据采集和分析用的仪器设备，并随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，仪器的精度和水平也不断提高，其构成方式也各有不同。国外对发动机数据采集与分析技术的研究起步比较早。上世纪80年代初至今国内许多部门先后从国外购置了各种发动机数据采集和分析系统，由于这些电脑化设备速度快，精度高，对进一步揭示发动机的工作过程起到了不可估量的促进作用。国外著名的产品主要有：1奥地利AVL公司系列产品，如AVL640，650，660，670系列以及AVL617，AVL620等。2日本小野公司系列产品，如CB366，466，467，566以及DS-9100等。3奥地利德维创公司生产的DEWS系列。4德国FEV公司生产的FEVIS系列。5美国PEI公司生产的DAB系列。其中AVL公司和小野公司在中国有大量的用户。以德维创公司的燃烧分析仪为例，其系列功能均十分强大，应用领域也非常广泛，可以胜任燃烧分析、内燃机标定、脉谱图生成、动态测试、参数化测试、快速数据获取、实时敲缸检测分析、敲击监视报警、转动分析、倾覆振动分析、燃烧噪声分析、冷启动测试（从第一次循环即可开始分析）、基于曲轴转角的多通道数据获取、时基同步多通道数据获取等工作。其主工作界面如图1.1所示。图1.1德维创燃烧分析仪运行界面国内自改革开放以来在使用开发国外同类产品的基础上研制出了许多仪器设备。上世纪80至90年代国内许多单位自行研制开发了各种发动机数据采集分析系统，或专项的测试分析诊断仪，如浙江大学利用单板计算机开发的发动机示功图测量处理系统、大连海运学院的DMC 12柴油机测量分析系统、上海发动机研究所的EAS800发动机燃烧分析系统、华中理工大学的HGl208发动机分析仪、山东理工大学的DCA1发动机燃烧分析仪以及长沙科学仪器研究所的DFY系列多通道发动机分析仪等，还有其它一些单位，如上海铁道学院也先后研制开发了发动机燃烧分析仪。这些系统受到当时微机内存、AD转换速率等因素的制约，硬件水平自然无法与进口专用设备抗衡，但在应用软件开发上各有特点，功能上与进口产品类似，整个系统灵活实用，基本能满足一般的研究需要。对国内国外各种产品做了较详细的比较，以下分三个方面进行论述：1在使用功能方面国外设备主要以针对测试和分析发动机的燃烧特性为主，因此也叫燃烧分析仪。专业化强，适用于科学研究。其功能单一，全英文界面，软件功能模块化、功能少，且被固化不能改变，不能加入自己的软件，再开发能力差，价格昂贵，使国内大多数发动机科研院所及学校无法承担。国外产品的更新换代快，AVL公司基本上是5年左右换代一次，但价格不菲，使国内用户一直处于被动地位。国内在模仿国外燃烧分析仪的基础上，自行开发研制出了一些适合我国国情的发动机数据采集分析仪。但与国外水平相比，在硬件的先进性、可靠性和准确性上存在相当差距。在大中型发动机工程计算分析上还需靠国外的著名软件来解决问题。因此国内产品在应用推广上存在问题。2在主要性能指标方面国外产品在各项性能指标上也在不断提高，如AVL公司的AD采样频率从250KHz提高到2MHz，曲轴转角采样分辨率从1 deg.CA(Crank Angle)，提高到0.025 deg.CA。采样通道数从单通道发展到8、16或32或更多，通道数可任意扩展。数据采样的方式上从异步采样发展到同步采样，数据内存容量也在不断扩大。并且从稳态数据采集与分析发展到可对发动机瞬态工况的数据进行实时采集、存贮、处理和分析。国内目前发动机数据采集系统的AD采样频率从100KHz到500KHz，曲轴转角采样分辨率从2degCA到I degCA，采样通道数4到8。基本上是进行发动机的稳态工况实验研究，与国外先进仪器相比差距不小。3在系统硬件构成方面，一般可分为两大类(1)基于单片(板)机的发动机数据采集分析系统，基本框图如图1.2所示。AVL公司使用Motorola公司的6809及68020 CPU构成数据采集系统日本小野公司则采用Intel公司的Z80、51、96系列单片(板)构成系统。国内大多采用Intel公司的MCS一31、5l等8位单片机及少数采用16位MCS96系列单片机。AVL公司的AVL617发动机数据采集分析仪利用AD210X系列的数字信号处理器构成数据采集系统，而国内在发动机测试设备研发中还没有人利用DSP芯片构成数据采集分析系统，这将是一个很好的研发方向。图1.2 基于单片(板)机的发动机数据采集分析系统(2)基于计算机的发动机数据采集分析系统，基本框图如图1.3所示AVL617，AVL620以及日本小野新一代产品DS9100多都采用这种结构。AD采样板可以装在计算机中，也可放在单独构成的系统中。目前国内许多科研人员或研究生都利用这种系统开发通用的或专门用途的数据采集分析系统。其价格适中，再开发能力强，适合国情。许多仪器开发基于Windows平台技术和虚机仪器技术的软件也应运而生，如NI的LabView。图1.3基于计算机的发动机数据采集分析系统1.3本文研究内容由上述内容可知，建立一套实时性好、功能完善的柴油机实时多通道测控及燃烧分析系统，用以采集各种所需数据，分析反映柴油机燃烧的特征参数，为柴油燃烧的控制提供反馈信息，以满足试验研究的需要，具有十分重要的、现实的意义。而随着电子技术的发展，诸如传感器等数据采集设备已经越来越向集成化、轻量化、小型化、傻瓜化发展。现在市面上的一些数据采集卡已经可以代替以往复杂的内燃机数据采集电路。这使得搭建一套足以胜任内燃机燃烧放热分析所需的恶劣工况耐受性和实时性等要求的燃烧分析系统的难度也越来越低。除此以外，虚拟仪器技术的进步也使得设计制造一套基于PC机的燃烧放热分析系统的成本和门槛都较之以往大大降低。因此，本文的研究内容，将重点集中在程序算法之上，也就是针对已经采集到的数据，如何进行恰当的处理运算和行之有效的分析，来反映内燃机的运行状况的，另外，对于如何将这样的数据处理单元嵌入燃烧分析仪的硬件形成产品也做了简单的探讨。具体来说，包括下面这几个方面：（1） 确定柴油机燃烧放热分析计算模型，依据计算原理，确定其在PC机上实现的方法。（2） 根据实验数据及程序处理后的计算数据，绘制图表分析内燃机运行特性。（3） 讨论计算数据准确性的影响因素及其控制参数。（4） 对比不同程序语言和计算模型对于计算结果的影响。（5） 燃烧分析仪硬件系统的要求和确定，以及根据硬件系统将燃烧放热计算算法嵌入其中的实现方法。2燃烧分析的数据采集、信号分析原理与方法2.1燃烧分析数据采集方法内燃机基本参数有:种类、冲程数、气缸数、缸径、压缩比、行程、曲柄连杆比、排量、过量空气系数、扫气系数、进气门关闭角和排气门开启角，这些参数根据内燃机的出厂标识确定，其长度单位为设置为米(m)，排量单位为设置为升(L)。工作参数有:扭矩、转速、有效燃油消耗率、分频数和循环数，其中前三个参数由试验台上的测试仪读出，分频数由所选编码器的分频决定，循环数为缸压多周期平均处理的周期数，由操作者自己定，但考虑到计算量不要太大的要求，推荐循环数在30以内。以上参数均较容易获取，燃烧分析的数据采集工作重点主要集中在示功图数据之上。2.1.1示功图的概念及用途燃烧压力一曲轴转角图也称为示功图。示功图是研究和评判发动机工作状态和性能最重要的的资料。从示功图中可以获得40多种信息，其中主要的信息有以下几种：1）平均指示压力和指示功率。这两个数据是表征发动机实际循环动力性的重要指标。指示功是指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功，其大小可由PV图中封闭曲线面积求得。它和发动机工作循环中热功转换效率和气缸容积大小有关。平均有效指示压力是单位气缸容积一个循环所作的指示功。平均有效指示压力越大，同样大小的气缸容积可发出更大的指示功，气缸工作容积的利用程度越佳。2）最高燃烧压力和其所在的曲轴转角位置：最高燃烧压力是计算和评判发动机零部件强度的主要依据，最高燃烧压力所在的曲轴转角则是评判燃烧放热及时性和离位(离上止点)程度的科学依据。3）压力升高率随曲轴转角变化图：其中压力升高率是衡量燃烧放热及时性的另一个重要依据，而曲轴转角给出了着火时刻和示功图的最高位置。4）压力升高加速度随曲轴转角的变化规律图：它是佐证是否出现燃烧压力振荡及计算其强度的主要依据，也是评判燃烧过程激烈程度的主要依据。5）根据示功图可以给出PV图，由状态方程进而可以给出TP图：从TP图可以得到最高燃烧温度及所在的曲轴转角。6）计算燃烧放热率。燃烧放热率比示功图更直接地反映燃烧过程的特征，从而评价现有发动机燃烧过程的合理性。将放热率曲线输入工作过程模拟分析的软件中，求得通常是无法测量的发动机工作参数，以评价发动机的工作循环。示功图的测量应包括下面三个要素：1） 缸内压力的测量；2） 上止点的标点；3） 曲轴转角的测量。2.1.2气缸压力测量方法内燃机气缸压力的测量研究已有百年以上的历史，因为示功图即气缸中气体压力随曲轴转角(或气缸容积)变化关系。准确测量内燃机气缸压力对于研究内燃机工作过程和性能分析极为重要，可以说如何准确测量气缸压力、减少测量误差一直是研究中的重点。随着电子技术、信息处理、数字信号处理等技术的高速发展，内燃机气缸压力测量技术也发生了极大的变化。下面简单介绍两种内燃机气缸压力的测量方式，这两种方法恰好见证了内燃机气缸压力测量技术的发展过程。（1）机械方法机械方法的原理是用内燃机的气缸压力推动一小活塞移动，活塞另一端连有活塞杆，带动记录笔沿记录转筒做上下直线运动，而内燃机活塞的位移由绳索或其它机构带动记录转筒做往复转动，于是就可记录下气缸压力随活塞位移的变化曲线，即示功图。这是一种比较古老的测量方法，要求内燃机转速不能太高，另外，温度变化、各部件之间的摩擦以及安装误差都会带来很大的影响，目前已不再使用。（2）电测方法在测量过程中，把气缸压力、曲轴转角(或活塞位移)、油管压力、针阀升程等非电量，通过适当的传感器按比例转换为相应的电量，经放大器放大后输入到显示记录装置或拍摄下来，这是目前最为常见的测量方式。计算压力信号的绝对值对于正确分析缸内压力十分必要，由于压电式压力传感器的输出信号是一个电荷量，而经电荷放大器放大后输出的是电压信号，而我们需要的是绝对压力，输出电压和实际压力存在如下关系：(2-1)式中：p绝对压力；p0参考压力；E，E0 分别表示所求压力点所对应电荷放大器输出电压、参考压力点所对应的电荷放大器输出电压；C表示增益因子(barv)，即电荷放大器输出1V电压时所对应的压力值。参考压力P0的确定可通过以下两种方法确定：1采用外部基准确定参考压力值：利用进气歧管绝对压力传感器提供参考压力，如测量进气歧管压力，并假设汽油机进气终点时的压力等于进气歧管压力的平均值，即选用P1vc为进气歧管的绝对压力平均值，作为参考压力。在进气系统有较低谐波时，利用进气歧管绝对压力均值计算绝对压力是一种较准确的方法。2利用多变指数确定参考压力值：当进气系统有较高谐波时，应采用多变指数法。“在压缩过程中，设p为压力偏移量，即绝对压力和参考压力的差值。根据某一曲轴转角对应的实测压力Ps，可得此点的绝对压力P=p+Ps。其他点同理计算。基于压缩过程pVn=const(n=1.331.35)，在各点均有相同偏移量如，(2-2)(2-3)进而求出各点的绝对压力值。2.1.3压力测量精度的主要影响因素及修正方法无论采用何种测量方式，减小测量误差、提高精度是内燃机测试技术中一项重要的研究课题。引起内燃机示功图测量误差的因素有很多，其中影响最大而且研究工作进行得最为深入的两个因素是传感器连接通道和上止点定位。1.测压通道在测量过程中，由于气缸盖结构上的原因，很难使传感器安装得与燃烧室壁面齐平，而是通过一条通道与燃烧室相通，由于通道的存在使得传感器感应到的压力发生了畸变，主要体现在： 改变了压力信号的频率成分，通道内会形成空气振荡腔，当燃烧室内燃气进入通道时，压力波中不同的谐波成分将受到通道不同的放大和衰减，从而对传感器的测量结果造成影响；造成时间延迟，由于压力波通过连接通道需要一定时间，从而使压力传感器获得的压力信号比燃烧室内实际压力滞后一段时间，一般情况下，延迟的大小可按通道中的音速来估算；产生压力损失，气体进出通道时将遇到较大阻力使传感器测量的压力变小。而将传感器直接装在与燃烧室壁面齐平的位置上也不是很合适，燃烧室内火焰会对传感器产生热冲击而造成误差。为了减少通道误差，应适当增加管道的直径和缩短管道的长度，另外还要减小压力传感器前的空腔容积。因此，在测量过程中总是存在测压通道的影响，而修正测压通道所造成误差的处理方法主要有以下三种：1)逆滤波方法基于将测压通道和传感器视为一个测量系统，其输入信号为时间的函数，记为x(t)，经过系统的输出信号为y(t)，联系x(y)和y(t)的函数关系式一般以微分方程来表达，称为系统的传递函数。如果将输入信号、传递函数以及输出信号转换至频域后，三者满足下式：X(jw)=Y(jw)H(jw)(2-4)其中：X(jw)输入信号x(t)的傅立叶变换；Y(jw)输出信号y(t)的傅立叶变换；H(jw)测量系统的响应函数。如果在输入输出信号确定的情况下，则可以求出传递函数H(jw)。在实际测量时，先记录传感器输出并且转换到频域，然后除以传递函数H(jw)，得到输入信号X(jw)，再进行傅立叶反变换即可得到真正的气缸压力x(t)。2)数字滤波方法天津大学盛宏至等学者提出了基于数字信号处理理论的数字滤波法，用来对内燃机示功图进行处理。他们认为可将示功图划分为三个相加部分，即：第1部分，示功图的基本构形部分；第2部分，由燃烧引起的压力突升部分；第3部分，通道效应造成的压力振动部分。在频域，第1部分控制了低频分量的特点，第2及第3部分控制了中频分量的特点，并且认为第2和第3部分无论在幅度上还是在相位谱图上均为相加关系，因此设计了复合带阻滤波法，将通道引起的频带滤除，另外还附加一高频阻带，对量化误差引起的噪声进行衰减，此方法适用于通道较短的情况下。在测压通道较长的情况下，不但要对频域幅值进行滤波处理，而且还要对频域相位进行校正，这时可采用逆滤波加选频滤波法对通道效应进行处理，但要求测取(或计算)通道系统的平均传递函数，方法略为复杂。3)波动方程修正方法上海交通大学王长林等学者建立了测量通道内气体波动方程的封闭解，可用于示功图测压通道的修正。假设测压通道内为一维等熵、等截面流动，则气缸内压力与存在测压通道的检爆阀处的压力之间的关系为：(2-5)其中： a测压通道内的音速；L测压通道的长度。测压通道内音速的估计有两种方法：一是利用下式进行估计：(2-6)其中：k绝热指数；进气压力；T该处的温度；R气体常数。作者还提出了另外一种估算通道内音速的方法：即从实测的压力曲线上确定各波峰之间的时间差，则下式对音速一个较好的估计，这样就可以从测量的压力数据上恢复气缸内的真实压力信号。(2-7)2.上止点定位据相关统计，内燃机上止点位置偏离l度曲轴转角，将使计算放热率时可能达到710的误差，因此上止点的定位非常重要。在测量内燃机气缸压力时确定上止点的方法有以下几种：1)确定内燃机的静态上止点取下气缸盖，用千分表找出活塞的最高位置。具体方法是在上止点前后约30度的地方，用千分表找到活塞升程相同的两个曲轴转角，然后找出这两个曲轴转角的平分线作为上止点的正确位置。这种方法容易受曲轴、连杆和活塞之间存在间隙等因素的影响。2)确定内燃机的动态上止点动态上止点一般用电容传感器来测量。将电容的一个极放在活塞上方的燃烧室壁面上，而把活塞作为另一个电极，当传感器电容值达到最大值的那个点即为内燃机的上止点。此方法过于麻烦，不再使用。3)用压缩压力曲线确定上止点理想状态下，内燃机压缩膨胀过程曲线是左右对称的，因此，曲线的最大压力点应该与上止点位置相对应。但是，由于内燃机的压缩和膨胀过程中存在泄漏和散热过程，因此，并不是理想的绝热过程。倒拖时的压缩膨胀线并不是按上止点位置左右对称，气缸内的气体压力最大值出现在上止点前的一个角度上，这个相应对上止点的偏差角称为热力损失角度。在气缸压力测试时，通常的作法是首先确定一个静态上止点，然后通过压缩压力曲线确定出这一个静态上止点相对于实际上止点的修正差值。这样在以后的测量过程中，将修正差值加到静态上止点上即可得取实测示功图的上止点。2.2气缸压力数据预处理柴油机的燃烧过程主要包括持续时间短、但放热率较大的预混合燃烧过程以及持续时间相对较长的扩散燃烧过程。燃油燃烧会在缸内迅速膨胀，并在缸内形成频率大致正比于气缸直径的冲击波，缸内气缸压力剧烈变化，气缸压力的变化过程依赖于燃烧过程，而燃烧过程又受燃油的供油规律、雾化情况、气缸内的空气运动等因素的影响，因此，即使柴油机转速、功率保持稳定，但每一个工作循环的气缸压力变化过程却存在着一定的随机性。再者，在现场不可能实现在柴油机气缸盖上打孔测量气缸压力，只能在气缸盖上提供的检爆阀上安装传感器对气缸压力进行测量，而从检爆阀到气缸内部有一定的距离，这一段通道的存在使测量的气缸压力波形上存在较为明显的振荡波形，同时在此处测量的气缸压力必然滞后于实际的气缸压力，柴油机转速越高滞后现象越明显。因此，必须对测量的气缸压力进行预处理，从而得到比较满意的气缸压力曲线。数据预处理的步骤：对原始数据进行处理的具体步骤如下：步骤1：从原始数据中提取一个整循环的数据。步骤2：数据平均，将提取出来的数据以相同的曲轴转角进行相加，在达到所需的样本数后再进行平均处理。步骤3：对数据进行滤波处理。从示功图上可以看到压力曲线存在许多微波动，有关研究已经表明这些微波动是造成放热特性曲线振荡的原因。对于压力微波动来说，主要的原因是，压力测量中存在随机误差和系统误差，燃烧时产生的脉冲压力波，活塞及连杆运动的随机性，数据采样间隔太小等等。在这些原因中，需要区分被测量压力其本身的变化和测量的误差，对于测量压力本身的变化，测量工作和数据处理的任务是尽可能将其真实地反映出来，而不是简单地去消除它们；对测量误差所造成的波动，则需尽可能地加以消除，使曲线光顺，光顺处理用于对单个示功图数据的处理。在内燃机的数据处理中，由于数据量大，尤其是示功图和放热特性的曲线存在较为剧烈的振荡，为减少数据处理的工作量和消除这种不需要的振荡，可采用局部平滑法对数据曲线进行光顺处理。局部平滑法的基本出发点是：假设这些数据排得很密，并且在每一个数据点的附近一阶、二阶或三阶导数近乎是常数，在每个数据点的左右各取几个相邻的数据，用一次、二次或三次多项式作为未知数在小区间上的近似值，然后，根据最小二乘法的原理来确定该一次、二次或三次多项式的系数，由此即可求得校正中心点的校正值。1 曲线的五点二次光顺法实践证明，在内燃机的数据光顺处理中，较为适宜的是五点二次、七点二次和五点三次、七点三次局部平滑光顺法，其理论和公式推导介绍如下：已知自变量x 的m 个等间隔点与之相对应的m 个y 值为：若引入新的变量： ；则t 应取的值为：-i，i+1，-2，-1，0，1，2，m-i-1，m-i 变量t 取间隔为1 的一系列值。设y的修正值为，并在点的左右各取几个对应的数据值，用小区间上的二次或三次多项式的近似计算确定修正值。二次多项式的局部平顺法设的修正值为,，系数a，b，c应使(2-8)整理得：(2-9)(2-10)所以五点二次计算公式为：(2-11)2 曲线的均化处理发动机的进气过程、混合气行程过程、着火过程和燃烧过程都相当复杂，因此缸内压力信号也是十分复杂的。即使发动机过程很稳定，测出的一个循环的压力数据也没代表性，很难以此对发动机的工作过程和性能做出客观的评判。为此，示功图必须作统计处理和均化处理。即取多个工作循环的平均示功图。这样的示功图较为有代表性和可信性。示功图含有的循环数愈多，则代表性和可信性愈好，但工作量和消耗量也愈大。所以，要取一个有足够代表性和可信性的循环数，又要避免过分的工作量和消耗量。对于汽油机来说，其循环波动率比较严重，所以要取200个以上循环数，对于柴油机来说取50个循环数就足够了，除燃烧压力震荡主要波段难于消除外，其余压缩线和膨胀线，都可以很光顺。压力变动具有一定的偶然性，它的误差分别属于偶然误差的分布规律，本文取下述方法来修正测得的缸内压力值。1）在稳定工况下连续测量n个循环的缸内压力，每循环n个测点，记作，其中i=1，2，3，n，i 为循环序号，为曲轴转角。2）根据最小二乘原理，若观测值的分布满足正态分布，则在一组等精度测量中，算术平均值为最佳值，故对每个测点求平均值：(2-12)3）计算或然误差在一定观测条件下，当观测次数n无限增加时，在真误差列中，若比某真误差绝对值大的误差与比它小的误差出现的概率相等，则称该真误差为或然误差。(2-13)4）可疑读数的舍弃如果测得某一读数的大于表2.1的值，则舍弃这一读数。表2.1不同的采用循环数下的值5） 舍弃可疑读数后计算点的压力平均值为：（2-14）式中：m舍弃可疑读数后剩下的循环个数；p舍弃可疑点剩下的压力值。图2.1、2.2 给出了两个柴油机示功图。其中一个经过了均化处理，另一个没有。图2.1单循环示功图 图2.2 50循环平均化处理后的示功图2.3燃烧放热计算原理内燃机气缸内的工作过程是很复杂的，它是包含物理、化学、流动、传热、传质等过程。为了描述气缸内工质的状态变化，视气缸为一个热力系统，系统边界由活塞顶、气缸盖及气缸套各个壁面组成，如图2.3所示。系统内工质状态由压力、温度、质量这三个基本参数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。图2.3 气缸内工作过程计算简图由于内燃机的燃烧过程极为复杂，燃烧放热率或的函数形式显然也是极为复杂的，它与燃烧的物理、化学过程，内燃机的结构参数以及运行参数等众多因素有关，难于用一个精确的数学方程式进行描述，目前确定或常用下列几种方法：l)利用现有的实测示功图进行数值计算分析，计算出燃烧的放热率，以此作为已知输入数据进行工作过程的计算。这种方法接近实际燃烧过程，比较直观，但要求有较精确的实测图及有关实测参数，对诊断燃烧有一定的作用，迄今在性能研究中仍受重视。2)采用零维燃烧模型。零维模型又称单区模型，它是通过对大量实际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放热过程参数间的经验关系式，将复杂的燃烧过程简化表达成几个特征参数间的关系。其特点是把缸内过程的每一瞬态看成是均匀的，抽去其燃烧物理一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，这种模型对于分析、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，但它用简单的数学关系式掩盖了燃烧的本质，无法从机理上去把握其规律性，另外，计算的准确性又依赖于经验系数的选取，恰当与否与内燃机型号及运行条件有很强的依赖关系。因此，此模型实际上是纯经验模型，使用有局限性。3)采用准维燃烧模型，它从实际燃烧的物理一化学过程出发，建立简化的燃烧模型，模型考虑燃烧过程的中间细节，如油束的形成和发展、油滴与空气的相对运动、气缸内工质温度分布、油滴及油气浓度分布等因素，划分区域进行计算，这种模型较为接近实际燃烧过程，但因其计算相当复杂，主要因应用在预测排放特性。在对比以上方法之后，本文采用实测示功图法进行放热率的计算。它是研究燃烧过程的一种有效方法，不仅能对燃烧过程做出定性的说明，而且能提供定量的估计，是诊断燃烧的一种有效手段。同时，根据放热率也可以分析一些设计参数对燃烧过程的影响，如供油规律、喷油提前角、滞燃期、燃烧持续期、燃烧放热速度等。综合考虑放热率、最高爆发压力和压力升高率，提出理想的放热率曲线，使实际放热过程与其逼近，用以改进和组织燃烧，这样，使放热率研究具有更实际的意义。2.3.1燃烧放热计算的假设条件从已知的图计算燃烧放热率的出发点是热力学第一定律。并且基于以下假设条件：1）气缸内工质的状态均匀，即同一瞬时气缸内各点的压力、温度和浓度处处相等。并假定在进气期间，通过系统边界进入气缸内的空气与气缸内的残余废气实现瞬时完全混合。2）工质为理想气体，其比热容c、内能、焓h 等参数仅与气体的温度T及气体的成分 (瞬时过量空气系数)有关。3）压缩和燃烧过程中系统是封闭的，没有工质的泄漏。工质进出口的流动动能忽略不计。4）把燃烧室内的辐射传热和燃油的蒸发吸热等热交换，都放在传热系数中统一考虑，而不单独考虑。5）燃料全部完全燃烧。6）气体流入或流出气缸的流动过程为准稳定流动过程，即在足够小的计算步长内视为稳定流动。2.3.2 基本微分方程从已知的实测图计算燃烧放热率的出发点是热力学第一定律，原理是气缸内的能量守恒。气缸内燃烧放热率等于气缸内工质内能变化率、作功变化率及散热率的总和。其能量守恒方程式为：(2-15)数值计算中用差商代替微商：(2-16)在步长切曲轴转角内有：(2-17)在一个工作循环内，可用通式表示：(2-18)为了计算步长内的燃烧放热量。，可以根据实测的图及有关参数，分别算出内能变化量、做功量和散热量。2.3.3 燃烧放热率计算步骤1做功量根据实测示功图中的压力值和瞬时工作容积可算出做功量：(2-19)其中瞬时工作容积可由气缸直径D、活塞行程S、曲柄连杆比、压缩余隙容积、压缩比等作为已知数据输入，根据活塞连杆机构运动学的几何关系式导出，其方程为：(2-20)式中：气缸工作容积，。2换热量在内燃机燃烧过程中，气体的换热量等于气体与缸盖、活塞和气缸套换热量的总和，其方程为：(2-21)(1) 工质温度T(K)工质温度按气体状态方程算出：(2-22)(2) 工质的物质的量M(kmol)气缸内的工质的物质的量M等一于纯空气的物质的量和纯燃烧产物的物质的量之和，即：(2-23)式中：压缩始点时气缸内工质的物质的量；残余废气系数；燃烧过量空气系数；某曲轴转角前已燃烧的燃料百分比。(2-24)燃烧放热量；循环喷油量；燃料的低热值，汽油为43960kJ/kg，柴油为42500kj/kg。又可知： (2-25)式中：有效功率，kW；有效燃油消耗率，g/kWh；内燃机冲程数；内燃机转速，r/min；内燃机气缸数；内燃机气耗量，kg/s；扫气系数；平均空气相对分子质量（28.97）；燃料燃烧理论空气量，kmol/kg（柴油0.4936，汽油0.5109）；，燃料中碳、氢、氧的重量成分。（3）壁面平均温度（K）其经验公式为：活塞顶：（铝活塞）；（铸铁活塞） (2-26)缸 盖： (2-27)气缸套： (2-28)式中：平均有效压力（MPa）。（4）传热系数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，基本可分为两大类：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Eichelberg公式，准则公式如Woschni公式、Sitkei公式等。由于影响气缸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的不同，各公式之间差异较大。下面介绍几种的计算公式。Eichelberg公式纯经验公式，试验进行于非增压，低速大型二冲程柴油机上。(2-29)式中：活塞平均速度，m/s；气缸内工质压力，MPa；气缸内工质温度，K。Woschni公式其依据为短管内受迫流动对流换热准则方程：。是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。该公式应用范围较广，但其中稳流吹风试验切向速度不易被准确确定。(2-30)式中：气缸内工质压力，MPa；气缸内工质温度，K；气缸直径，m；活塞平均速度，m/s；、压缩始点时的气缸内工质压力（MPa）、温度（K）、气缸容积（）；气缸工作容积，；发动机倒拖时的气缸压力，MPa；稳流吹风试验时，风速计叶片的切向速度，m/s；气流速度系数：（进排气阶段）（压缩膨胀阶段）燃烧室形状系数：（直喷式燃烧室）（分隔式燃烧室）Sitkei公式由此准则数方程出发：，在直喷式四冲程小型柴油机上试验整理得出。（2-31）式中：当量直径，m；气缸直径，m；曲轴转角为时，活塞顶面至气缸盖燃烧表面的距离，m；活塞平均速度，m/s；气缸内工质压力，MPa；气缸内工质温度，K。经验常数：=0.00.15（直喷式燃烧室）=0.150.30（涡流室式燃烧室）=0.250.40（预燃室室燃烧室）朱访君公式从准则方程出发，根据实验数据及应用误差理论和回归分析处理，得出一个回归公式：(2-32)式中：气缸内工质压力，MPa；气缸内工质温度，K；气缸直径，m；活塞平均速度，m/s；、压缩始点时的气缸内工质压力（MPa）、气缸容积（）；气缸瞬时容积（）。附加系数与明显线性相关：(2-33)3 内能变化量(2-34)式中：压缩始点时刻气缸内工质温度，K；该瞬时内气缸工质的平均定容摩尔比热容，kJ/kmolK；(2-35)式中混合气中燃烧产物所占的比例，它等于纯燃烧产物的物质的量与混合气的总的物质的量的比；(2-36)理论分子变更系数；(2-37)空气的平均定容摩尔比热容，kJ/kmolK；纯燃烧产物的平均定容摩尔比热容，kJ/kmolK。和随温度而变，由F.Schmidt气体表回归的比热容公式得：(2-38)4.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：(2-39)气缸内燃料燃烧百分数X是表示某一曲轴转角时，累计已燃烧掉的燃料放热量与可利用的热能总量之比，即(2-40)式中：燃烧效率，内燃机稳定运行时，一般为简化计算取值为1；燃烧速率。由上面的计算过程可知，若要计算出任一时刻缸内工质的内能、加热量、放热量，必须知道该时刻已烧掉循环油量的百分数X，而X又是一待求量，所以只能给出X的初值，进行迭代计算，即每个计算步长先给X赋初值，按上述步骤求出，然后再求出X，取前后两次求得的X值进行比较，若满足误差要求，则转入下一步的计算，否则重新迭代直至收敛为止。小结:本章介绍了内燃机燃烧放热计算的数据采集工作的要点，以及对示功图和压力数据进行预处理的方法。并说明了进行燃烧放热分析所采用的计算模型和计算方法，为燃烧分析的软件实现提供了理论基础和数值计算方法。3燃烧放热计算程序3.1内燃机燃烧放热计算的需求分析如前所述，随着传感器技术和虚拟仪器技术的发展，前期的数据采集工作以及后期智能化的数据显示、分析工作都较以往难度有所下降。本文着重于讨论内燃机燃烧放热分析计算的算法部分。正因为仅仅考虑计算算法，于是并不要求程序设计的过程中考虑诸如人机交互、实时数据采集和任务调度等问题。相比之下，除了快速准确的计算出数据结果以外，更为重要的是程序代码的通用性、扩展性和易维护性等。举例来说，比如可维护性考虑到将来系统的纠错、升级要求。程序在开发到使用过程中，用户会在操作时发现某些程序错误(也称程序bug)，系统的纠错方便性是检验系统可维护性好坏的一个重要标准。另外，由于目前计算机技术处于一个日新月异的发展时期，很可能在不久的将来软件技术和硬件技术有进一步的发展，该系统也可能要随之升级。为此，系统应该具有良好的升级功能；而通用性考虑到两个方面内容一是：本程序与其它软件系统的数据交换的通用性问题，以及在不同操作系统的适用性；稳定性则表现为程序运行平稳不会发生内存冲突导致死机等故障，而且处理结果应该具有重复性。具体来说有以下一些要求：1）该系统软件的设计任务是基于内燃机缸压工作过程相关参数的数据分析，通过汽缸压力、曲轴转角、上止点等参数，进行示功图与其相应的评定参数的数据分析和燃烧放热分析。2）能进行离线的燃烧特征参数分析，建立相应的计算模型。3）程序算法简洁，运算效率高，可以适应移植到燃烧分析仪进行实时运算的需求。4）具有较强的系统升级和扩展能力，便于修改，通用性好。3.2程序设计平台的选择考虑到以上的要求本程序采用中文Windows XP作为系统软件的点撑环境。这是因为大多数的应用软件，如办公自动化软件Office系列等基于Windows平台，选择Windows系统作为系统软件的支撑环境，可以使本系统与这些应用软件协同工作成为可能。在Windows平台下，可供选用的程序语言非常丰富，如Visual C+、Visual Basic等等，但是由于本程序仅关心数据处理算法，所以这些面向对象类程序语言的许多优势并不能得到发挥。相反，作为高级语言，它们的设计理念基于集成化编译环境和傻瓜化的操作模式，更多的关心程序开发的易操作性，在代码效率和运算速度上并没有太大的优势，并不能适应程序算法移植到实时燃烧分析仪上的要求。科学计算领域之中，比较通用的程序语言是MATLAB。MATLAB既是一种直观、高效的计算机语言,同时又是一个科学计算平台。它为数据分析和数据可视化、算法和应用程序开发提供了最核心的数学和高级图形工具。由于它本身提供的500多个数学和工程函数供用户直接调用，不仅运算效率高，而且易用性、通用性均较强，极大的方便了二次开发并缩短了代码编制的周期。而且MATLAB本身也具有一定的界面开发能力，可以比较容易的对单纯的计算算法程序进行扩展。而另外一种历史更为久远的程序语言Fortran，虽然在前端开发方面几乎无能为力，但是由于其自身的特点，非常适合于解决数值问题，而且由于其曾经广泛应用于教育部门和科学部门，也有非常多现成的经过大量测试使用的通用程序段可以选择，这也为程序的开发带来了方便。综上所述，本文所研究的内燃机燃烧放热分析计算算法的开发，基于MATLAB和Fortran两种程序语言，均可满足放热计算的要求。3.3程序结构和流程放热分析计算算法的结构较为简洁，由于不涉及数据采集模块和显示模块，整个运算周期采用面向过程编程的方法即可实现。图3.1程序结构图3.2程序流程程序结构如图3.1所示。为了照顾程序的通用性和可移植性，采用了将完整程序封装为独立函数的形式，满足了程序设计高内聚低耦合的要求。这一方面方便了初级用户的使用，只需要输入基本参数即可获得计算结果而不需要对计算原理有过多了解；另一方面，在嵌入燃烧分析仪时为硬件开发者提供了易于与原数据采集和显示界面模块并行使用的接口。值得一提的是，为了进一步提高该程序的通用性和可移植性，在程序中加入了公式选择的部分。也就是说，针对运算过程中使用的如传热系数计算经验公式（常用的包括Woschni公式、朱访君公式、Sitkei公式、Eichelberg公式等），以及机械损失计算公式都为用户提供了自行选择最适合当前内燃机特点的公式的自由，以使得计算结果更为精确。而由于程序被设计成函数的形式，所以公式选择、以及参数输入，都是通过函数的形式参数传递的方式读入内存之中，也因此略去了数据输入模块。当然因为是命令调用的缘故，相当于没有输入界面，对用户的使用并不友好。但如果嵌入到燃烧分析仪的大系统中，则只需单独设置参数输入界面，将数据通过函数传递进来即可。程序流程如图3.2所示。计算过程所应用的计算原理如上一章节所述，这里不再赘述。3.4程序的数据结构及变量说明燃烧分析过程中涉及到的参数较多，良好的数据结构也是燃烧分析顺利进行的保障。为了便于在稍后进行数据分析，这里首先对运算过程中除压力以外使用到的变量及其作用范围做一说明。由于变量的命