AVL_BOOST用户指南.doc

用户指南Version 3.32000年3月用户指南 boost 第3版 版权所有，全部保留。任何部分不允许复制、转送、转录，存储在修补系统中，或翻译成任何语言及计算机语言，在任何意义上或无论如何，电子的、机械的、电磁的、光学的、化学的、或其他方面的，没有得到AVL认可不允许改写。本文描述了如何在你的计算机中运行BOOST软件，没有论述发动机模拟循环中需要得到正确结果的所有概念。它是用来确定你的职责是否你有足够的知识和懂得适当地运用该软件。该软件和文章是单独描述了“as is”基础。质量和性能方面的全部的风险在于你。如果证明软件或文件欠缺，你（不是AVL或发行者）需提供所有需要服务、修理、或修正用的费用。AVL及发行者对该软件及文件的过失造成的结果没有直接的、间接的、附带的责任。即使他们被警告可能有某种伤害。MS-DOS和MS WINDOWS已被美国微软公司注册商标。DBOS和FTN77是Salford Software Ltd.的商标。Hardlock被FAST Software Security-Group Alladin注册商标。FIRE 被 AVL List GmbH.注册商标。WATCOM 被Sybase Inc.注册商标。MATLAB 和 SIMULINK 被 Math Works, Inc.注册商标。Adobe 和 Acrobat被 Adobe Systems, Inc.注册商标。5用户指南 boost 第3版 目 录 1.介绍 1 1.1 范围 1 1.2 使用条件 12.理论基础 3 2.1.气缸体 32.1.1 高压循环，基本方程式 3 2.1.2 热量传递，高压循环 23 2.1.3 活塞运动 26 2.1.4 换气过程，基本方程式 26 2.1.5 缸内涡流 31 2.1.6 缸内渗漏损失 32 2.1.7 缸臂温度 33 2.1.8 缸内直喷 33 2.1.9 分层燃烧 342.2 高压（可变高压） 382.3 流动约束（旋转阀） 392.4 限制阀 412.5 连接 412.6 增压 422.7 机械驱动增压器 452.8 喷油器或汽化器 452.9 多余通道 462.10 连接到FIRE 462.11 管道流通 492.11.1 前/后流动波 522.12 管道附件（系统边界，内部边界） 542.13 气体特性 562.14 发动机控制单元和线路 572.15 整个发动机数据定义（SI-Units） 582.16 缩写 653. BOOST预处理程序 673.1 BOOST计算模型设计 683.1.1 管路设计 693.2 单一计算输入数据说明 703.2.1 输入窗口信息概要 723.2.2 桌面 窗口 733.2.3 一般输入数据 743.2.4 管路 783.2.5 测量 793.2.6 系统分界 803.2.7 内部分界 813.2.8 流动限制 823.2.9 旋转阀 833.2.10 控制阀 843.2.11 气缸体 843.2.12 高压 1083.2.13 可变高压 1093.2.14 喷油器及汽化器 1093.2.15 管路连接 1093.2.16 连接到FIRE 1123.2.17 空气净化器 1153.2.18 催化剂 1163.2.19 空气冷凝器 1173.2.20 增压器 1173.2.21 压缩机 1243.2.22 涡轮增压器 1253.2.23 多余通道 1253.2.24 线路 1263.2.25 发动机控制单元 1263.2.27 用户定义要素 1343.3 连续计算 1383.3.1 概述 1384. AVL BOOST 后处理 1414.1 全程结果分析 1424.2 根据曲轴转角而得结果分析 1424.3 瞬态分析 1494.4 连续计算结果分析 1554.5 动态结果分析 1614.6 孔口噪声分析 1624.7 信息分析 1635. BOOST文件 1655.1 .bst 文件 1655.2 .RS0 和 RS1文件 1655.3 .B# 文件 1665.4 .SCR 文件 1665.5 .OUT 文件 1665.6 RESPOOL.TEMP 和 OUTPUT.TEMP 文件 1665.7 .STP 文件 1665.8 BOOST.MAC 文件 1665.9 .GLB文件 1665.10 .PLP文件 1675.11 .HLP 文件 1675.12 .GPU文件 1675.13 RVALF.CAT 文件 1675.14 JFC.REF 文件 1675.15 BOOST.SEC 文件 1675.16 BSTHELP.DIR 文件 1675.17 *.LAB 文件 1675.18 DEFAULTS 文件和DEF_XXX.YYY文件 1685.19 FONTS 文件 1685.20 *.TTF 文件 1686. 技巧及提示 1696.1 建模 1696.2 分析结果 1696.3 重要趋势 1766.4 增压匹配 1827. 实例文件 1898. 关于AVL BOOST 1938.1 概述 1938.2 预处理 1938.3 主要运算程序 1938.4 快速处理 1989.文献 199图 形 目 录 图2-1：平均有效指示压力中过量空气系数的影响 7图2-2：实测热量释放近似值 8图2-3: 形状参数m的影响 9图2-4: 两个Vibe函数的叠加 12图2-5: 喷射/密封状态结构示意图 16图2-6: 发生在密封状态自然过程示意图 17图2-7: 标准曲柄连杆机构示意 26图2-8: 进气门座直径 29图2-9: 用户定义扫气模型 30图2-10: 压力函数y 40图2-11: 完全控制阀模型 41图2-12: Y-交叉点流动模式 42图2-13: 多余通道 46图2-14: 1D/3D接触面流动特性 47图2-15: 混合计算开始 48图2-16: FIRE 到 BOOST数据传送 48图2-17: BOOST到 FIRE数据传送 49图2-18: 有限体积 51图2-19: 流动域改造线 51图2-20: 边界单元不连续的压力波 52图2-21: 在一个单元的中断位置 52图2-22:正向 / 反向流动波 53图2-23:理想质量方程 57图2-24: ECU 流程图 58图2-25: 气体交换数据关系 63图3-1: 主窗口 67图3-2: 主输入窗口, 管道元素 72图3-3: 桌面 窗口 73图3-4: 管子末端设置 81图3-5: 发动机缸筒辅助模型 81图3-6: 突变直径 83图3-7: 标准曲柄连杆机构示意 85图3-8: 燃烧时间与曲轴转角关系 87图3-9: 平顶燃烧室 92图3-10: 盆形燃烧室 92图3-11: 球形燃烧室 93图3-12: 涡流室燃烧室 93图3-13: 屋脊型燃烧室 93图3-14: 平顶燃烧室 94图3-15: 窝形燃烧室 94图3-16: 特殊碗形燃烧室 95图3-17: 特殊顶置燃烧室 95图3-18: 屋脊形活塞顶 95图3-19: 火花塞和碗形或顶置燃烧室中心之间的角度的定义 95图3-20: 火花塞位置的定义 96图3-21: 扫气模型 102图3-22: 有效气门升程计算 103图3-23: 插值流动系数 104图3-24: 窗口几何参数定义 106图3-25: 最小排气管交叉断面计算 106图3-26: 交叉点流量系数 110图3-27: BOOST链接输入 113图3-28: FIRE链接输入 114图3-29: 稳态空气净化性能 116图3-30: 双入口涡轮两个流程压力比造成的涡轮效率退化 119图3-31: 压缩机特征线图 120图3-32: 涡轮特征线图 121图3-33: PD-压缩机特征线图 124图3-34: 瞬时ECU运行时间 128图3-35: BOOST DLL-元素 交互作用流程图 130图3-36: 综合运算的SIMULINK 设置 131图3-37: MAT-文件的SIMULINK 设置 132图3-38: Boost-DLL创造的SIMULINK 设置 133图3-39: 可能出现的名称 133图3-40: PIPCON子程序中的运算模式 137图4-1: 运行运算的详细分析 141图6-1: 突变斜角模型 170图6-2: 一个进气管模型 171图6-3: 含有管路和交点的进气管模型 171图6-4: 进气管模型 172图6-5: 进气歧管设计/容积效率和空气分配模型的影响 173图6-7: 排气口模型 173图6-8: 多气门发动机模型 175图6-9: 缸内热传递的影响 177图6-10: 进出口流动系数对发动机性能的影响 177图6-11: 进气门关闭对发动机性能的影响 178图6-12: 排气门打开对发动机性能的影响 178图6-13: 空气输送管长度对发动机性能的影响 180图6-14: 气缸数对发动机性能的影响 180图6-15: 进气管长度对发动机性能的影响 181图6-16: 压缩机特征线图中发动机工作曲线 184图6-17: 压缩机特征线图中发动机工作曲线（压缩机选择小的） 185图6-19: 压缩机特征线图中发动机工作曲线（压缩机选择大的） 185图6-20: 压缩机特征线图中发动机工作曲线(正确选择压缩机) 186图6-21: 涡轮特征线图中发动机工作点 186用户指南 boost 第3版 1引 言 本指南讲述了应用BOOST33版程序模拟发动机循环过程的基本概念和方法。1.1适用范围 本手册的这一部分旨在讲述如何运行BOOST软件。他们并不试图讨论所有的对于获得有成效的发动机循环模拟方法所必须的计算方面的概念。对于他或是她是否对发动机循环模拟有着充分的认识和理解从而适当的应用这个软件，那是用户自己的事情。1.2用户适用对象 本手册的用户：l 必须会使用基本的UNIXMicrosoft Windows操作系统软件l 必须懂得基本的发动机循环模拟方面的知识 2理论基础 为了能够更好的理解AVL BOOST程序，这一部分归纳了获得因素基本等式（公式）的一些理论资料，这一部分既不想成为一本热力学教科书，也不要求涉及发动机循环模拟的所有方面。21汽缸 211高压循环，基本等式 内燃机的高压循环的计算是以热力学第一定律为基础的： 汽缸内的内能变化 活塞做的功 燃料热值输入 全部汽缸壁热损失 渗漏造成的全部焓流 mc 汽缸内物质总质量 U 特殊内能 PC 汽缸内压力 V 汽缸容积 QF 燃料热能 QW 汽缸壁热损失 曲轴转角 hBB 渗漏的焓 泄漏的物质流基本上讲，热力学第一定律对于高压循环状态来说主要是汽缸的内能变化等于活塞做的功、燃料燃烧产生的热量、汽缸壁热损失和泄漏造成的焓流之总和。请注意等式311对于内混合预备式发动机和外混合预备式发动机都成立。而考虑燃烧造成的气体成分改变时，这一点对内混合预备式和外混合预备式发动机要区别对待。对于内混合预备式发动机要做这样的假设：被加入到汽缸进气中的燃料立即燃尽。（完全燃烧）燃烧产物和进入的汽缸空气迅速混合形成均匀的混合物。结果，进气的AF比率连续的从开始燃烧时的高值降到燃烧结束时的终值。从而等式311变为：TC 汽缸温度mC 汽缸内质量Pc 汽缸内压力Uc 汽缸内物质的特别内能Hu 低的燃烧值（净热值） 过量空气系数（1/f） 等价系数VC 汽缸容积对外部混合预备式发动机做如下假设：燃烧开始时混合物是均一同质的结果，AF系数在燃烧过程中为常数尽管成份不同，燃烧的和未燃烧的进气有相同的压力和温度这样等式311变为：mB 燃烧物质质量uB 燃烧的进气的内能uF 燃料的内能uAir 空气的内能LST 化学计量的AF系数为了解这个等式，燃烧过程和汽缸壁热传递的模型，还有做为压力、湿度、气体成分函数的气体性能是必需的。和气体方程一起：建立起压力、温度和密度之间的关系，用Runge-Kutta方法可以解得方程312或313中的汽缸内温度。一旦汽缸内温度知道了，汽缸内压力可以在气体方程中获得。2111燃烧模型 发动机内燃料燃烧是一个受许多影响的化学过程。空气和燃料间的比例是其中之一。如果燃料的充分燃烧需要更多的空气，这种燃烧称做不充分燃烧，与相反称为充分燃烧。 燃烧后既没有未燃燃料，也没有剩余的空气，燃料间的比例被称为理论计算的空气燃料比。下面的关于理论计算空气需求量的公式表明了完全燃烧1公斤燃料需要多少空气。 对于不充分燃烧，循环中提供的全部热能，可以根据气缸内的燃料总量和燃料低热值计算得出。燃料低热值是燃料的一种性能，能够从如下的公式中计算出来。 Hu 燃料低热值 c 燃料中碳的质量百分数 h 燃料中氢的质量百分数 o 氧的质量百分数 s 硫的质量百分数 n 氮的质量百分数 w 水的质量百分数 在充分燃烧中，循环中提供的全部热能受汽缸中进气量限制。在这种情况下，燃料被完全转变成燃烧产物，甚至可提供的空气量低于理论计算的空气量。 然而燃料在不充分燃烧和充分燃烧情况下燃烧产物的成份是不同的。这个成份取决于燃料的种类、空气燃料比、温度和压力。如果有充足的时间使化学反应达到平衡，那么这个成份是一定的。众所周知，在真实的发动机条件下，上面假设的完全燃烧是永远不可能实现的。 这对于接近于10的过量空气系数是至关重要的，（过量空气系数指汽缸中空气量和理论计算所需空气量的比例。） 因此，在AVL BOOST程序中包括了一个燃料转换因子的模型，它考虑了过量空气系数在09到12之间的未完全燃烧。图21过量空气系数对计算有效平均压力的影响。 图21表示汽缸中有固定量的汽油机的指示有效压力为空气比率的函数。2112 热释放计算方法直接的表示放热率是模仿燃烧过程的最简单的方法。在某一特定运行点，发动机的放热率由所计量的汽缸压力记录决定。用高压循环计算的逆运算，在方程312或313解出 而不是 ，释放的热量相对曲轴转角就得到了。BOOST计算了每一度曲轴转角的实际热输入。对于直接的放热率的输入有下面的选择存在：列表通过指定相对曲轴转角放热率曲线可以近似的计算得出放热曲线。y 值表示获得的一个曲线下的面积。在特定点之间的值通过线性插值法获得。Vibe函数Vibe函数经常用来模拟发动机实际放热特性。Q 热能输入总量 曲柄角0 燃烧开始时的曲柄角c 燃烧过程中曲柄角的变化m 形状参数a Vibe 参数 对于完全燃烧a69完整的Vibe函数给出自燃烧开始已经燃烧掉的燃料质量。c 燃烧掉部分质量图22表现出通过Vibe函数得到的DI Diesel发动机近似的实际燃烧放热曲线图。燃烧起始点、燃烧过程持续的曲轴转角和形状因子可通过适合于测量的热损失曲线的最小的方格获得。图22实际测量的放热近似值图23表现了Vibe形状参数对Vibe函数形式的影响。图23 形状因子“m”的影响Vibe两区：对于外混合预燃式的发动机，选择一个两区模型是可能的。放热率和燃烧掉部分的质量通过Vibe函数表明。而燃烧的和未燃烧的进气具有相同温度的假设就不成立了。而且，对于燃烧的进气和未燃烧的进气要分别应用热力学第一定律。下面标b 表示燃烧区下面标u 表示未燃烧区这一项表示由于新鲜的进气转变成燃烧产物而造成的从未燃烧区到燃烧完区的焓流。两区之间的热流忽略不计。而且总的体积变化等于汽缸体积的变化，两个区（未燃烧区和燃烧完的区）的总体积等于汽缸的体积。将上两式代入等式3111，运用初等代数知识可推导出一个由燃烧区温度导出相对曲轴转角的等式。其中：对未燃区域的温度导数可以建立相似的方程如下：在每一时间内燃烧的混合气的数量可以通过用户定义韦伯函数来获得。对于所有其它条件参数，如壁面热损失等等，就单一区域精确划分成两个区域而论的类似模型得到应用。计算最小辛烷值碰撞模型需要发动机无碰撞的运转。碰撞攻击的开端超出假设积分未燃区域的条件点火延迟大于在燃烧末端到达前的区域点火延迟依赖于燃料的辛烷值，且气体条件按下式：草药模型常量 l燃料的辛烷值 压力 温度双韦伯函数用两个韦伯函数（双韦伯）的叠加来近似更准确地描述压燃式（CI）发动机精确的热量释放特征是可行的。在这种情况下，需定义两个韦伯函数。第一个韦伯函数用来模拟预混合气燃烧的波峰，而第二个韦伯函数用来模拟受控燃烧的传播。假设每一个韦伯函数的燃料分配形式是知道的。从两个韦伯函数中得到的热量释放可以相加。从而给出一个双韦伯热量释放形式，图形如下： 2.1.1.3.扩展热量释放方法上述所提到的对发动机瞬时状态进行模拟的方法是不充分的。因为热量释放特性是随发动机的转速和负荷而改变的。当对模拟运转先验瞬态的速度和负荷谱是不可知时，就需要预知依赖于控制点的热量释放效率模型。Woschni/Anisits对于柴油机，常用的方法是以Woschni 和Anisits建立的模型C1为基础的。韦伯函数和一个控制点的特性参数必须被定义。模型按实际控制条件预先给出韦伯函数的变化： 燃烧持续时间 空燃比 转速 韦伯形参 点火延迟 进气门关闭时压力 进气门关闭时缸内压力 在参考控制点点火延迟采用由Andree 和Pachernegg C3所建立的关系式进行计算。该关系假设气体温度相对于时间的积分超出极限，喷射的油雾就点燃。Hires et al对于汽油机，燃烧持续时间和点火延迟的变化是按点火时C2时的缸内条件计算的。s 层状的火焰速度f 点火时活塞距缸盖的距离 层状的火焰速度本身是关于缸内环境、空燃比和剩余气体的摩尔数的函数C4。 2.1.1.4. 准空间燃烧模型SI（单点燃油喷射） 发动机对于SI发动机， BOOST软件实现准空间燃烧模型预知在一个模糊控制发动机中的热释放效率。因此需考虑下列参数的影响C10, C11, C12。. 燃烧室形状. 火花塞位置和点火时间. 缸内混合气的组成（残余气体、再循环废气、空气和油雾）. 肉眼可见的混合气运动和紊乱水平 按照3.1.2.1, 2节描述的两区域燃烧模型热力学韦伯区域法通常用来计算燃烧产品（也就是燃烧区域）和残余的新鲜空腔（未燃区域）的气体环境。然而热释放效率是按方程3.1.23来定义的，而不是用户提供的韦伯函数： 燃烧的总质量 生成火焰的质量 特定的燃烧时间 附连的质量由火焰表面面积、未燃区的密度、层状火焰速度和紊流密度计算而来，见下式： 未燃区密度 火焰表面积 紊流密度 层状火焰速度 点火时特定燃烧时间 自点火开始时间假设火焰从火花塞到整个燃烧室是按球形传播的。在这种假设的前提下，已燃区和未燃区中瞬时的火焰半径，火焰表面积和湿的活塞、缸盖、缸孔内表面可以按纯几何学问题考虑。 为了计算紊流密度u，需按下面的假设建立简易的k模型：. 球形紊流既不会受扩散，也不会受到边界层流的影响. 紊流是各向同性的. 在进气冲程进程中没有涡流产生. 在进气冲程进程中全部只产生的紊流. theory动力扭矩按照快速变形理论被保存. 所有层流模式在缸孔轴线方向存在一分量紊流动能k按下式定义：是它的分散速度 紊流的动能变化速度按下式描述： 产品 传播，这个术语忽略，也就是设为零 模型常量 紊流长度比例对于敲击特征的预设定，使用与3.1.2.1, 2节所描述的区域韦伯函数相同的模型。 对于直喷压燃式发动机，BOOST采用两个模型来预置燃烧特性：该方法是由Hiroyasu提出的并由AVL发展了MCC模型。 Hiroyasu的表达式，也就是C14, C15, C16, C17，需要用户输入基于发动机全部特性（几何参数和燃油分配表）的最小程度来计算油雾蒸汽的撒布，点火和后来的高温燃烧。不论在高压条件下油雾的燃烧过程多么复杂，为了降低NOx和烟灰水平目标，这种形式主义是特别适合发动机的成本-效率、参数化研究。这部分是因为控制程序是从相当大量相对于卷入油滴燃烧的紊态流动的实验工作中获得的。下面对模型的主要理论特征进行简单的描述。更加详细实用的信息见上述提到的参考书。模型的一个重要特征是喷雾进入燃烧室的模式。液体燃料以环形包裹的方式引入燃烧室，如图2-5所示，这种行为如同自包含流体原理。每一单独的包裹从它的周围的环境中带走空气并交换热量而与相邻的包裹没有关系。液体燃料是用小滴来描述的，它们的尺寸划分是由经验公式决定的。并假设在在不同的包裹之间没有热、质量和动力转变，而且每一个环形部分都是沿圆周对称的。所有的包裹向前移动以致于它们保持接触，而彼此不能互相超越，有点像栓塞状流动。生成包裹的数量由用户决定，通过用户对计算所使用半径确定及时间节拍的选择。在燃油喷射期间内的每一个计算的时间节拍，一个新的代表性的包裹的排列开始进入计算领域。喷雾的演化是由源于实验研究的经验公式决定的。这些公式定义了包裹的轴向位置。包裹的体积和变形受中-双物理过程控制，例如气缸周围气体的夹带进入包裹内、包裹内油滴的蒸发、壁面热损失和由传播火焰类型燃烧导致热量释放。变化的物理过程如图2-6所示。在一个包裹中小滴的尺寸划分，尤其用Sauter平均直径（Sauter平均直径，D32，是油滴的直径，它的体积与表面积的比值等于等于整个喷雾的比值）的形式，按下面的经验公式给出：l方括号中的两个数中的较大者 动态（绝对）粘度 密度写在下方的l 液体写在下方的a 空气在一个包裹有它自已的Sauter平均直径，它和包裹中的液体质量一同给它里面的液滴提供一个数量值。在每一个包裹中对单个的包裹来说使用动能和质量平衡，针对油滴的温度和直径的变化率可以建立普通的微分方程，这种方法后来用第四法则Runge-Kutta-Gill方法解决了。详细的描述参见C14。这些方程的解决方法产生了包裹中有用的气体的量值和温度的变化的值，这些作为油滴受环境和后续蒸发的加热的结果是有经验意义的。 油喷的末端是由第一批包裹定义的，它们被喷射进入燃烧室。实验研究表明，油雾末端穿透力，S，和被称为开始喷油的突变后的消逝时间及其后的成正比。全套沿管口对称轴线穿透长度上的方程如下所示：其中： 常量 = 15.8 常量 = 0.39 通过管口的压力微量 喷射速度 发动机速度 喷油持续时间 管口数量 喷油总质量 管口直径以上的经验公式严格说来只是在最初的、气体不流动的情况下才是正确的。当气缸内气体流动有涡流运动时，建议用下面的对通过长度的修正，定义式为：，这里，是旋涡数量。它是假定喷入压力和旋涡的比率在这期间保持常数。 当计算L=1，用远离轴线Hiroyasu et al.来说明进入燃烧室的沿半径区域的通过长度，按下面的公式修订 进入燃烧室的空