第四次作业 气缸内热力计算思考题.doc

柴油机工作过程数值计算气缸内热力计算授课提纲思考题1.查阅相应文献，了解气缸内数学模型的建模、仿真方法及应用； 1.气缸内工作过程能量守恒物理模型柴油机气缸中的工作过程是很复杂的,包括机械、物理、化学、热传导与流动等过程.在气缸内各部分工质的温度、压力及成分也是不同的,特别是在燃烧阶段,各处的温度和工质成分差别更大.若研究燃烧过程的细节,则要用三维非定常过程来模拟.但仅为了获得整机热力过程综合参数,较常用的方法是容积法模型。即假定气缸内的工质在任何一个瞬间都是混合均匀,各处的工质成分、压力与温度都是相同的,则可用3个基本参量,即质量(m)、温度(T)及压力(p)来表示缸内气体的状态。在实际计算中,采取如下假设: （1)换气后,缸内工质仅为新鲜空气与残余废气的混合物; （2)气缸内的工质在每一瞬时都是均匀混合的,各处的压力、温度都相同; （3)燃油只在燃烧前不久和燃烧进行中按预定的燃烧规律喷人缸内; （4)排气中炭烟量的热值相对较低,可以略而不计,认为燃油已完全燃烧。 单位曲轴转角气缸中的工质内能变化d(mzUz)/dU是由喷入燃油的燃烧热量dQf/dU、进入气缸新鲜空气带入的热量(dms/dU)Is、废气排出气缸带走的热量(dme/dU)Ie和工质与气缸盖、气缸套和活塞进行热交换的热量dQw/dU以及活塞的机械功所相当的热量pz(dVz/dU)所组成，由此建立气缸内工作过程能量守恒物理模型。2.气缸内工作过程数学模型用能量守恒方程、质量守恒方程和状态方程把气缸内整个工作过程联系起来,即得到气缸内工作过程的数学模型。式中:dmz/dU、dms/dU、dme/dU分别代表单位曲轴转角内气缸内气体质量的变化、进入气缸的新鲜空气量和排出气缸的废气量;dx/dU为燃烧速率,或称放热率;x为在某一曲轴转角时,已燃烧掉的燃油质量与gf之比;gf为每缸每循环喷入气缸的燃油质量.pz、Vz、mz、Rz和Tz分别代表气缸内的压力、容积、质量、气体常数和温度。2.1气缸工作过程计算的边界条件（1） 燃烧放热规律燃油燃烧的放热率：式中:Hu为燃油燃烧低热值.x=f(U)及dU/dU=f(U)的曲线形态与柴油机的转速、结构参数、喷油规律、燃烧室形式、空气扰动强弱、压缩终点气体状态以及燃烧过量空气系数等有关,关系比较复杂,尚不能利用多维燃烧模型进行定量分析.目前,在进行整机性能及工作过程计算时,主要采用一些经验数据或计算式输入计算机进行模拟计算.双韦博公式用于模拟涡轮增压中、高速柴油机的燃烧规律比较接近实际,它可形象地将预混合燃烧和扩散燃烧分开考虑.双韦博公式为： 式中:x1、dx1/dU代表预混合燃烧;x2、dx2/dU代表扩散燃烧;S为预混合燃烧领先角;Qd为扩散燃烧的燃料分数;(1-Qd)为预混合燃烧的燃料分数;Uzd为扩散燃烧持续角;Hz为燃烧始点.（2）气缸周壁的热传导 柴油机气缸周壁,包括气缸盖燃烧室表面、活塞顶及气缸套表面,它们都是通过冷却水或润滑油进行冷却,从燃气至冷却液不断进行热量传递。气体对气缸周壁的散热率为： 式中:Aw为传热系数;Al为与燃气接触的缸套周壁面积;Tz为缸内气体瞬时温度;Tw为气缸套内壁平均温度;D为气缸直径;Tw1为气缸盖下表面平均温度;Tw2为活塞顶面平均温度;n为柴油机转速。（3）进排气阀的流量计算 通过进排气阀处的气体流动,可近似地按一维等熵绝热来处理。通过进气阀的流量为： 通过排气阀的流量,在亚临界排气期在超临界排气期3.应用N6160ZC型柴油机工作过程模拟计算与优化N6160ZC柴油机是一种广泛使用于我国海洋船舶的中速增压四冲程柴油机,根据其工作原理和结构特点,对柴油机工作过程进行分析,建立气缸内工作过程物理模型和数学模型,用龙格-库塔法对微分方程组进行求解,得到柴油机各循环的过程参数以及整机综合参数.在对工作过程计算的基础上,运用SWIFT方法,以有效油耗率为目标函数,以喷油定时、燃烧持续角等为优化变量,对工作过程进行优化计算,得到部分负荷工况下的最佳喷油定时.由此,可以进一步对高压喷油泵柱塞头部线形进行设计。对柴油机的工作过程按负荷特性进行优化,把燃油消耗率be作为目标函数,喷油定时、扩散燃烧的燃料分数、