发动机缸内工作过程计算精品文档22

1、发动机工作过程数值计算作业缸内封闭过程数值计算学 院：汽车学院专 业：动力机械及工程姓 名：滑海宁学号： 2012122056教 师：张春化二0三年五月气缸封闭过程的数值计算 发动机缸内工作过程的数值计算，是以内燃机缸内各工作阶段的物理 模型为基础， 通过微分方程来对其各阶段工作过程进行数学描述， 然后 通过程序编写求解微分方程， 得到缸内温度、压力等参数随曲轴转角的 变化曲线。一、 基本热力学模型图 1 发动机缸内热力系统 在简化假设的基础上，取气缸为一个热力学系统，如图 1 所示。这个 热力系统包括了质量交换项，如排气dmA,进气dmE,喷入气缸内瞬时燃料质量 dmB ； 与能量交换项，

2、如焓变， 功， 燃烧放热等。 图中 T 、P 、 V、 m 及 u 分别为缸内瞬时气体温度、压力、体积、燃料质量及比内能。 二、 简化假设1. 假定工质为理想混合气体；2. 假定缸内各处温度、压力及混合气浓度均匀；第 - 0 - 页3.用纯空气的气体常数代替混合气气体常数;4. 假定扫气完全，即不考虑残余废气；5. 不计漏气损失，并假定只有在燃烧始点才有燃油喷入气缸;6. 按代用燃烧规律进行喷油，并认为着火延迟等于零；7. 假定放热率为100%三、基本方程PV=mRT2、压缩期（ESVB )能量方程：dT-1 (dQwdV、 p)dmcvdd质量方程：dm-0d3、燃烧期（VBVE)能量方程：

3、dT-丄（dQb+dQwdmcvdd质量方程：dmdmB1dQBddHud4、膨胀期（VEAO )能量方程：dT-(dQwdV、 P )dmcvdd质量方程：dm-01、气体状态方程dp 型udm 沁 J)d dd四、其他计算公式1、气缸瞬时工作容积:第-9 - 页式中：Vh-气缸行程容积V L-发动机排量-压缩比s-曲柄连杆比S-活塞行程D -气缸直径2、气缸容积随曲轴转角变化率:3、单位曲轴转角的传热量：式中：i 1-活塞i 2 -气缸盖i 3-气缸套Ai -传热表面积T wi -传热表面平均温度-换热面平均的瞬时传热系数利用Wosch ni公式：式中：Vh -活塞行程容积S-气体速度系数

4、压缩、膨胀阶段c, 2.28 0.308色Cm换气阶段Ci 6.180.417“CmC2-燃烧室形状系数，直喷式燃烧室C2=3.24X1O-3Cm-活塞平均速度，计算得 6.9m/sPl、V1、T1分别为压缩始点的气缸压力、容积、温度。分别取值为 102kPa, 0.89L, 375KPo-发动机倒拖时的气缸压力，取为100kPa4、代用放热规律:累积放热量：m 16.908()QbumB0H u1 e瞬时放热率：dQmH6.908(VB)m 压缩阶段，取104 燃烧阶段： 膨胀阶段：BuB0uVB、m6.908(m 1)() ed式中：u-燃烧效率，取为100%H u -燃料低热值，取为42

5、500kJ/kgm-燃烧品质指数，取为1.0-燃烧持续角，取为80 CAmB0-循环喷油量，为3.5421X10-6kgvb-燃烧始点的曲轴转角，为 338 CA5、工质内能:u=u( ,T)0.0485363.3624式中：-瞬时过量空气系数u 0.14455 (0.0975(489.6 绍(T055 )(T273)10(7.768 丽)仃 273)102273) 101356.8mLL mB0二const式中：Lo-理论空气量，取 14.3kg/kgmB（）-喷入燃料量随曲轴转角的变化函数mBo-每循环喷油量6、等容比热:(T273)0.14455 3 (0.0975。豊5“10 4(48

6、9.646.4093)10 2273)2 10 62 (7.7683.360?87、比内能对过量空气系数的偏导0.144550.75 0.04851.753仃 273)100.8 3.361.8 (T2273)101 9320.93 46.4. (T 273) 10 8、燃烧期混合气的质量:m=m+m五、 龙格一库塔法的计算步骤步骤一：已知i，TiT1f( i,Ti)步骤二：K1f( iTi)T1步骤三：Ti -K12步骤四：f( i2-,TiK12) T2步骤五：K2f(i2K12)T2步骤六：TK22步骤七：f( i “ 冬)T32 2步骤八：K3 f( i J 0)T32 2步骤九：T

7、K 3步骤十：f( i ，T K3)T4步骤 一: K4 f( i,Ti K3)T4步骤十二：1(K1 2K2 2K3 K4) 1(T1 2T2 2T3 T4)6 6步骤十三：Ti 1 Ti T5六、发动机基本参数发动机形式：四冲程、直喷、水冷、单缸柴油机发动机型号：ZH105W压缩比： =16.5排量：Vh=0.96L活塞行程：s = 115mm缸径：D= 105mm循环喷油量：3.5421X10-5 kg燃烧持续角：80 CA曲柄半径和连杆长度比s = 0.3喷油提前角：22 CA配气相位：进气提前(上止点前)12 CA进气迟后(下止点后)38 CA排气提前（下止点前）55 CA七、排气迟

8、后（上止点后）12 CA程序框图八、 源程序（matlab ）1、压缩过程自定义ysgc函数并生成m文件，源程序如下：function f=ysgc(fai,T)P1=102000;%压缩始点气缸内气体压力，单位paV1=0.00089;%压缩始点气缸内气体体积(计算得)，单位m3T1=375;%压缩始点气缸内气体的温度(计算得)，单位KR=8.314;%气体常数，单位 J/mol.kML=29;%5气摩尔质量，单位 g/molnL=P1*V1/R/T1;%空气摩尔量，单位 molmL=nL*ML;%E缩始点气缸内气体质量，单位glmd=10000;%过量空气系数D=0.105;%气缸直径，单

9、位 mc1=2.29;%气体速度系数cm=6.9;%活塞平均速度(计算得)，单位m/sc2=3.24*10A-3;%燃烧室形状系数Vh=0.96/16.5*15.5/1000;% 行程容积，单位 m3P0=100*10A3;%发动机倒拖时的气缸压力，单位pa ksai=16.5;% 压缩比lmds=0.3;% 曲柄连杆比 V=Vh/2*(2/(ksai-1)+1-cos(fai)+1/lmds*(1-sqrt(1-lmdsA2*sin(fa i)*sin(fai);% 气缸瞬时工作容积，单位 m3 A1=pi*DA2/4;% 活塞传热表面积，单位 m2A2=1.5*A1;%气缸盖传热表面积，单

10、位 m2A3=4*V/D;%气缸套传热表面积，单位m2Tw1=560;%S塞表面的平均温度，单位KTw2=548;%缸盖表面的平均温度，单位KTw3=548;%缸套表面的平均温度，单位Kn=1800;%发动机的转速，单位 r/mi nP=n L*R*T/V;%气缸内气体瞬时压力，单位paref=0.130*TA(-0.53)*(P/100000)A0.8*DA(-0.2)*(c1*cm+c2*Vh*T1*(P-P0)/P1/V1)A0.8;% 换热面平均的瞬时传热系数，单位 KJ/m2.s.K dQw_dfai=1/6/n*ref*(A1*(Tw1-T)+A2*(Tw2-T)+A3*(Tw3-

11、T);% 单 位 曲轴转角的传热量，单位 KJcv=0.14455*(-3*(0.0975+0.0485/lmdA0.75)*(T-273)A2*10A(-6)+2* (7.768+3.36/lmdA0.8)*(T-273)*10A(-4)+(489.6+46.4/lmdA0.98)*1 0A(-2);% 定容比热，单位 KJ/Kg.KdV_dfai=Vh/2*(sin(fai)+lmds*sin(fai)*cos(fai)/(sqrt(1-lmdsA2 *sin(fai)*sin(fai);%气缸容积随曲轴转角的变化率f=1000/mL/cv*(dQw_dfai-P/1000* dV_dfa

12、i);调用 ysgc 函数并用龙格库塔法法解微分方程，源程序如下：fai,T=ode45(ysgc,(180+38)/180*pi:5/180*pi:(360-22)/180*pi,375) 2、燃烧过程自定义rsgc函数并生成m文件，源程序如下:function f=rsgc(fai,T)P1=102000;%压缩始点气缸内气体压力，单位paV1=0.00089;%压缩始点气缸内气体体积，单位m3T1=375;%压缩始点气缸内气体的温度，单位KD=0.105;%气缸直径，单位 mR=8.314;%气体常数，单位 J/mol.kML=29;%5气摩尔质量，单位 g/molnL=P1*V1/R/

13、T1;%空气摩尔量，单位 molmL=nL*ML;%E缩始点气缸内气体质量，单位gc1=2.29;%气体速度系数cm=6.9;%活塞平均速度，单位 m/sc2=3.24*10A-3;%燃烧室形状系数Vh=15.5*0.96/16.5/1000;% 行程容积，单位 m3yinu=1;% 燃烧效率m=1;%燃烧品质指数L0=14.3;%柴油理论空燃比mB0=0.03542;%每循环喷油量，单位 gHu=42500;%燃料低热值，单位 KJ/Kgfaivb=(360-22)/180*pi;% 喷油始点对应的曲轴转角drfai=80/180*pi;% 燃烧持续角ksai=16.5;% 压缩比第 - 1

14、3 - 页lmds=0.3;% 曲柄连杆比V=Vh/2*(2/(ksai-1)+1-cos(fai)+1/lmds*(1-sqrt(1-lmdsA2*si n(fai)*sin(fai);% 气缸瞬时工作容积，单位 m3QB=yi nu*mB0/1000*Hu*(1-exp(-6.908*(fai-faivb)/drfai)A(m+1);% 累积放热量，单位 KJdQB_dfai=6.908*yinu*mB0/1000*Hu/drfai*(m+1)*(fai-faivb)/drfai)A(m+1)*exp(-6.908*(fai-faivb)/drfai)A(m+1);%单位 曲轴转角对应的放

15、热量mB=QB/Hu;曲轴转角对应fai的时刻，喷入气缸燃料的累积质量，单位Kglmd=mL/1000/(mB+0.0000000001)/L0;% 过量空气系数mH二mL/1000+mB;%轴转角对应fai的时刻，气缸内混合气的质量，单位 Kgcv=0.14455*(-3*(0.0975+0.0485/lmdA0.75)*(T-273)A2*10A(-6)+2*(7.768+3.36/lmdA0.8)*(T-273)*10A(-4)+(489.6+46.4/lmdA0.98)*10A(-2);% 定容比热，单位 KJ/kg.KdV_dfai=Vh/2*(sin(fai)+lmds*sin(f

16、ai)*cos(fai)/(sqrt(1-lmdsA2*sin(fai)*sin(fai);%气缸容积随曲轴转角的变化率 , 单位 m3A1=pi*DA2/4;% 活塞传热表面积，单位 m2A2=1.5*A1;%气缸盖传热表面积，单位m2A3=4*V/D;%气缸套传热表面积，单位m2Tw1=600;%S塞表面的平均温度，单位KTw2=548;%缸盖表面的平均温度，单位KTw3=548;%缸套表面的平均温度，单位Kn=1800;%发动机的转速，单位 r/mi nP0=100*10A3;%发动机倒拖时的气缸压力，单位paP=mH*1000/29*R*T/V;%气缸内气体瞬时压力，单位paref=0

17、.130*TA(-0.53)*(P/100000)A0.8*DA(-0.2)*(c1*cm+c2*Vh*T1* (P-P0)/P1/V1)A0.8;% 换热面平均的瞬时传热系数，单位 KJ/m2.s.K dQw_dfai=1/6/n*ref*(A1*(Tw1-T)+A2*(Tw2-T)+A3*(Tw3-T);% 单 位 曲轴转角的传热量，单位 KJdmH_dfai=1/Hu*dQB_dfai;% 气缸内气体随曲轴转角的变化率 , 单位 Kgu=0.14455*(-1*(0.0975+0.0485/lmdA0.75)*(T-273)A3*10A(-6)+(7.768+3.36/lmdA0.8)*

18、(T-273)A2*10A(-4)+(489.6+46.4/lmdA0.93)*(T -273)*10A(-2)+1356.8);% 比内能，单位 KJ/Kg zdu_zdlmd=0.14455*(0.75*0.0485*lmdA(-1.75)*(T-273)A3*10A(-6) -0.8*3.36*lmdA(-1.8)*(T-273)A2*10A(-4)-0.93*46.4*lmdA(-1.93) *(T-273)*10A(-2);dlmd_dfai=-mL/1000/L0/(mB+0.0000000001)A2/Hu*dQB_dfai; f=1/mH/cv*(dQB_dfai+dQw_df

19、ai-P/1000*dV_dfai-u*dmH_dfai-mH*zd u_zdlmd*dlmd_dfai);调用 rsgc 函数并用龙格库塔法解微分方程，源程序如下： fai,T=ode45(rsgc,(360-22)/180*pi:1/180*pi:(360-22+80)/1 80*pi,843)3、膨胀过程自定义pzgc函数并生成m文件，源程序如下：function f=pzgc(fai,T)P1=102000;%压缩始点气缸内气体压力，单位paV1=0.00089;%压缩始点气缸内气体体积，单位m3T1=375;%压缩始点气缸内气体的温度，单位KR=8.314;%气体常数，单位 J/mo

20、l.kML=29;%5气摩尔质量，单位 g/molnL=P1*V1/R/T1;%空气摩尔量，单位 molmL=nL*ML;%E缩始点气缸内气体质量，单位gmB0=3.5421*10A(-5);% 每循环喷油量，单位 KgL0=14.3;%理论空燃比Imd二mL/1000/L0/mB0;% 过量空气系数D=0.105;%气缸直径，单位 mc1=2.29;%气体速度系数cm=6.9;%活塞平均速度，单位 m/sc2=3.24*10A-3;% 燃烧室形状系数S=0.115;%活塞行程，单位 mVh=pi*DA2*S/4;% 行程容积，单位 m3P0=100*10A3;%发动机倒拖时的气缸压力，单位p

21、aksai=16.5;% 压缩比lmds=0.3;% 曲柄连杆比V=Vh/2*(2/(ksai-1)+1-cos(fai)+1/lmds*(1-sqrt(1-lmdsA2*si n(fai)*sin(fai);% 气缸瞬时工作容积，单位 m3A1=pi*DA2/4;%活塞传热表面积，单位 m2A2=1.5*A1;%气缸盖传热表面积，单位m2A3=4*V/D;%气缸套传热表面积，单位m2Tw1=560;%S塞表面的平均温度，单位KTw2=548;%缸盖表面的平均温度，单位KTw3=548;%缸套表面的平均温度，单位Kn=1800;%发动机的转速，单位 r/mi nP=(mL+1000*mB0)/

22、29*R*T/V;%气缸内气体瞬时压力，单位paref=0.130*TA(-0.53)*(P/1000)A0.8*DA(-0.2)*(c1*cm+c2*Vh*T1*(P-P0)/P1/V1)A0.8;%单位热面平均的瞬时传热系数，单位 KJ/m2.s.KdQw_dfai=1/6/n*ref*(A1*(Tw1-T)+A2*(Tw2-T)+A3*(Tw3-T);%曲轴转角的传热量cv=0.14455*(-3*(0.0975+0.0485/lmdA0.75)*(T-273)A2*10A(-6)+2*(7.768+3.36/lmdA0.8)*(T-273)*10A(-4)+(489.6+46.4/lm

23、dA0.98)*10A(-2);% 定容比热dV_dfai=Vh/2*(sin(fai)+lmds*sin(fai)*cos(fai)/(sqrt(1-lmdsA2*sin(fai)*sin(fai);%气缸容积随曲轴转角的变化率f=1/(mL/1000+mB0)/cv*(dQw_dfai-P* dV_dfai);调用 pzgc 函数并用龙格库塔法解微分方程，源程序如下：第 - 19 - 页fai,T=ode45（pzgc,（360-22+80）/180*pi:5/180*pi:（540-55）/180*pi,997）九、程序运行结果1、压缩过程表1压缩过程运行数据结果faiV（ L）T（ K

24、）P （bar）faiV（ L）T（ KP （bar）3.800.89375.001.024.940.47479.002.453.890.87378.301.055.030.43495.832.783.980.85382.131.095.110.39514.833.184.070.82386.531.145.200.35536.303.704.150.80391.561.195.290.31560.614.354.240.77397.271.255.380.27588.165.194.330.74403.741.335.460.24619.396.294.420.70411.061.415.5

25、50.20654.807.754.500.67419.301.525.640.17694.839.684.590.63428.591.645.720.15739.7912.284.680.59439.051.795.810.12789.5915.754.760.55450.821.975.900.10843.3420.304.850.51464.072.18注：瞬时容积 V缸内气体瞬时P是用excel表格计算得到2、燃烧过程表2燃烧过程运行数据结果faiV (L)T (K)P (bar)faiV (L)T (K)P (bar)5.900.1006843.3420.306.610.0900126

26、8.6057.245.920.0969854.1021.356.630.09331266.8056.265.930.0933865.3022.456.650.09691264.3055.265.950.0899876.7023.616.670.10061261.3054.225.970.0867888.4024.836.680.10441257.8053.165.990.0837900.5026.126.700.10841253.7052.086.000.0808913.0027.476.720.11261249.1051.006.020.0781925.8028.896.740.116912

27、44.1049.916.040.0756939.2030.386.750.12141238.6048.836.060.0732953.0031.946.770.12601232.8047.756.070.0710967.2033.576.790.13071226.6046.686.090.0689981.9035.276.810.13561220.0045.616.110.0671996.9037.026.820.14071213.2044.576.130.06541012.3038.836.840.14581206.1043.546.140.06391027.9040.686.860.151

28、11198.7042.536.160.06261043.7042.566.880.15661191.1041.536.180.06141059.6044.456.890.16221183.3040.566.200.06041075.5046.346.910.16791175.4039.626.210.05961091.2048.216.930.17371167.3038.696.230.05901106.8050.046.950.17971159.1037.796.250.05861122.0051.816.960.18571150.8036.91第-21 - 页6.270.05831136.

29、8053.496.980.19191142.4036.056.280.05821151.1055.087.000.19821134.0035.226.300.05831164.8056.547.020.20461125.6034.426.320.05861177.8057.867.030.21121117.1033.636.340.05901190.0059.047.050.21781108.7032.886.350.05961201.5060.057.070.22451100.2032.146.370.06041212.1060.907.090.23131091.8031.446.390.0

30、6141221.8061.577.100.23821083.5030.756.410.06261230.6062.067.120.24521075.2030.096.420.06391238.5062.407.140.25241066.9029.446.440.06541245.5062.557.160.25951058.8028.826.460.06711251.6062.567.170.26681050.8028.226.480.06891256.8062.417.190.27421042.8027.646.490.07101261.1062.137.210.28161034.9027.086.510.07321264.5061.717.230.28911027.2026.546.530.07561267.1061.197.240.29661019.6026.036.550.07811268.9060.557.260.30421012.1025.526.560.08081269.9059.847.