内燃机工作过程计算指导书

1、内燃机工作过程计算一、内燃机实际工作过程的数值计算1、根本原理与公式在推导气缸工作过程计算的根本微分方程式时，作如下的简化假定： 不考虑气缸内各点的压力、温度和浓度的差异，并认为在进气期间，流入气缸内的空 气与气缸内的剩余废气实现瞬时的完全混合，缸内状态是均匀的，亦即为单区计算模型。 工质为理想气体，其比热、内能仅与气体的温度和气体的组成有关。 气体流入或流出的气流为准稳定流动。 不计进气系统内压力和温度波动的影响。能量平衡方程式根据热力学第一定律，得出能量守恒方程的一般形式如下：d (mu) dQB dQw dW 人 dms 人 dmed dd ds d dm :工质的质量u:工质比内能Qb

2、 :燃烧放出的热量Q w :通过系统边界传入或传出的热量W :作用在活塞上的机械功m s:通过进气阀流入气缸的质量me:通过排气阀流出气缸的质量 hs和h：分别为进气阀前和气缸内气体的比焓d(mu)dudm dmdud：Uf(T,)duudTuddT'dddT1 (dQpdQwdm(車ddT质量平衡方程式dV , dmshs-d ddmu -ds22s SindV dsin cos2 . 2s sin).180通过系统边界的质量有：喷入气缸的瞬时燃油质量mB、流入气缸的气体质量 及流出气缸的气体质量me，质量平衡的微分方程可写为:dm dmB dms dme d d d d气体状态方程

3、式pV mRT气缸工作容积)V h气缸工作容积m3V气缸瞬时容积m3sS曲柄连杆比s 2ldV气缸容积变化率 m3/度d传热计算公式气缸中的气体通过活塞顶面、气缸盖底面及气缸套的瞬时传热面进行热量传递。为简单起见，通常将整个传热面分为活塞、气缸盖及气缸套三局部，用三局部传热面的平均壁温及按 位置平均瞬时传热系数进行传热量的计算，计算公式为：dQw 3 dQ6n i igF i(Twi T)(J/度)Fi :传热外表积i=1和i=2活塞顶部和气缸盖片2(m2)i=3 气缸套 FaDh m2其中：为冲程数，Ne额定功率kw, Vh为工作容积m3.3Twi :传热外表的平均温度i=1活塞顶部Tw11

4、2030 pe273(k)i=2气缸盖Tw21007Pe273i=3气缸套w31004pe273注:Pe为平均有效压力Pe .30 Ne、-3 (bar)iVhn 10n发动机转速转/分，i气缸数。传热系数经验公式：1、G. Sitkei 公式0.205 (10.70.7b) PCmb)十0.2,0.3Tde(w/(m2*K)alf=0.205*(1+b)*pow(P/1000000),0.7)*pow(Cm,0.7)/(pow(T,0.2)*pow(de,0.3);注：b:为系数。对直喷式的为00.15,本设计选用de h2DhD 2h无量纲。Cm4VD2m h为活塞顶到气缸盖底面距离。亦m

5、/s活塞平均速度p气缸内工质绝对压力MPaT气缸内工质绝对温度(K)2、 佛劳姆(W.Pflanm)公式g 7.813Cm.pT(w/(m2K)注：符号和单位同上燃烧规律对于一般性能预测和增压柴油机的匹配计算，采用代用燃烧规律可满足要求。经常使用的 代用燃烧函数是韦柏的半经验公式：6.908 ym 1edx d6.908山小"c m 1 m 6.908 y y ex :燃料燃烧百分比y：无因次时间函数y 0z0 :燃烧起始角:瞬时曲轴转角z :燃烧持续角m:燃烧品质指数由此可算出气缸中燃料燃烧时的瞬时放热率dQdx(J/度)gb:每循环喷油量Nege30000 ni(kg)u :燃烧

6、效率，对于柴油机稳定运算，可取 u 1工质内能变化的计算来表示，这样,柴油机工质为空气和燃烧废气的混合物，一般常用瞬时过量空气系数工质的内能可表示为两个变量的函数u f( ,T)可用于工质内能变化的经验公式很多，下面用的是Justi公式:Um 144.550.0975 仝0485 273106 7.768 踣T 273$ 104 489.6 警仃 273 102 1356.8J/kg机械功的计算公式dw dV厂P丁气缸温度dT d3、dQB dQwdVm二dddT气缸内各过程的计算,dme dm u d humd d计算一般从压缩始点开始,压缩、燃烧和膨胀三局部为高压阶段，从排气门翻开到进气门

7、翻开为止为排气期，以及延续到气门迭开期，接着是延续到进气门关闭的吸气期，这三 个时期为工质更换阶段。压缩期dm0dT dd d丄晋P乎 md dT燃烧期 由于燃烧气缸内工质质量发生变化:dm dmB 1 dQB d d Hu d任一时刻气缸内工质质量为:mmLmB工质成分也因燃烧发生变化,瞬时过量空气系数mLmLdQB可得:dT d1 严 m寸ddQwddV dmPT uT膨胀期膨胀期气缸工质的质量不变,方程式和压缩期的一样，只是各项数值不同。换气过程dTddT1 (dQw(dQw m(导丁dVP 丁hsdmsdme h edm u -u d 、m丁)dm dms dme d d ddms,e

8、d16nPdPu(kUku1)ku十下标 u表示上游，d表示下游；s表示进气，e表示排气。d1 dm；dMb d4、常微分方程的数值解法常用的数值解法有三种：欧拉法、改良欧拉法和龙格一库塔法欧拉法：T2 T1 21屯d改良欧拉法：(dT d)T1乎)T2龙格一库塔法略5、工作过程计算程序编程步骤1定义初始和全局变量2 编写Qb, Qw，dV，C，Cv各量的子函数(3) 从进气门关闭角开始计算，首先给定该角度的气缸压力、温度、剩余废气系数(初始条件)，计算出该角度下的体积、工质质量和(2)步骤的各子函数，以及该角度下的温度变化率dT d(4) 由式T2 Ti (2 i)dT计算2角度的温度T2，

9、通常取2 1=1度。 d(5) 计算2角度的体积V、工质质量m2，再由P2 mzRTz/V?计算此时的压力。返回到步骤(3)，可根据2角度的值继续下一个角度的计算直到排气门翻开，结束计算。(6) 将计算的结果保存到“文件中。应用Lotus软件计算内燃机工作过程1、点图标进入 Lotus Engine Simulation 软件IiSrriiipjn? Toci&'FiictiLii Emiihui TaalLaliAC4iftCflpfeVaJL4Tiaii加晦枷."如和订诃2、选 Lotus Engine Simulation 和 New blank.Sim fil

10、e，新建一个模拟文件，OK，进入工 作界面。2. lmws Lr-gint U圖ukMih 甘和37 urrtileHil.f-nfi二 - fie Module Cvfli EdM Vm G口 呻* SdIw Rsuhi ebp To<d4& Wirdoih Help* 灶収4*矗 * | |ftXa«iFbel2匚&E.S-"l:岳l?7IB;CI磅訂-IZ.U -rue< SieniRjAlnjwiJMFlo TjpeiGesDlneCslcirfc匚 “bA ZMUijjii.a-'dr srly Ikg i 怕iD.?(uOHt

11、 A.fi.riDFi>i3MtownQfC Rflfto Fuel (malaf)Q UK LU%4口| 氐 QjiaMei 崛业11伽Mald&lribitt: zn Fajrtar1 010-r-'ersimiTool3、点油箱图标在右边设置为柴油Diesel 和直喷 Direct InjectionLabel1Fuel Sj/etemDirect InjectiohFuel TypeDiesel1油箱图标变为4、建单缸柴油机模型，从左边的图标框里选取气缸、进排气管路元件，连接成下列图的 模型：CYLINDER*帖占-1rnXHHlJ* / CCihPONEMTSr

12、'Y 匚 NDERSI NTCCiHPCiCYLINDERSl-ihtak5点气缸图标，到右边表格中设置气缸参数,Bore缸径，Stroke行程，Cyl Swept Volume 气缸排量，Con-rod Length连杆长度，Pin off-set活塞销偏置，Compression Ratio压缩 比，Cleareanee oiume压缩间隙体积，Phase发火相位角。有些参数有重复关系，显示 为灰色。Label|default cylinder斗Bore (mm)100.0000Stroke (mm)120.0000Cyl Swept Vcilume Q)0.248Total Sw

13、ept Volume Q加2羽Con-r(jcl Length (mrn)00.00Pin Off-Set (mm)Compression Rartio|1B|Clearance Volume (1)|o.noaBOPhaise (ATDC)0CD6、设置模型。Combustion Model燃烧放热模型，选单 Wiebe函数Open Cycle HT和Closed Cycle HT开、闭循环壁面传热模型，选 Wosehni模型Surface Areas燃烧室外表面积，Head/Bore缸盖与气缸截面积比值 =1, Psiton/Bore活塞 与气缸截面积比值=1.4, Explosure l

14、iner活塞上止点时缸套露出高度 =1mm。Head缸盖、Liner缸套材料设为Surface Temperatue外表温度设置，采用缺省设置,Cast Iron 铸铁。或根据自编程序计算得到的活塞、缸套、缸盖温度分别设置Scave nge-Cyli nder换气阶段扫气模型，采用缺省设置。，设置No of Valves进气门数量=1，Valve Throat Dia进气门座圈内径=40mm；其它参数不用管。7、设置进排气系统参数点迪扌，设置进气门参数，Valve Open (deg)开启提前角，Valve Close (deg关闭迟后角，Max Lift最大气门升程=9mm，其它不管;息设置

15、排气门参数，Valve Open( deg)开启提前角，Valve Close (deg关闭迟后角，Max Lift最大气门升程=9mm，其它不管；点 ，设置No of Valves进气门数量=1，Valve Throat Dia排气门座圈内径=36mm； 进排气边界用缺省值。8设计发动机运行工况条件点B，点 Test Point, Insert New Test Poin，设置转速 点 Heat-Phase Phase option设为 User Defined, 设置 Phase angie放热提前角为=5度，即上止点前5度开始燃烧放热点 Heat-Period, Period Optio

16、n 设为 User Defined,设置 Release Period放热持续角=60度。点 Fuelling, Combustion Option=Efficiency+Maldistribution , FuellingOption=Fuelling Rate, Fuelling Rate=25mm3/inj 循环体积喷油量，不同工况喷油量不同点 Boundary Conditions, Humidity Option 二Relative Humidity 相对湿度，设置Relative Humidity=0.2，其它压力和温度条件为缺省值。9、保存和运行模型保存模型文件为2.sim，有时

17、候保存不成功，可以先建一个同名文件覆盖 保存。点：亠，设置Existing Data File Name为本模型文件2.sim，再点Use .sim，这样计算结果的文件就保存为同名文件2.mrs和2.prs。占八、，运行模型，跳出黑色计算窗口，计算结束后跳出计算结果调入窗口，勾上1、2、4号框，Load载入mrs和prs文件Job FinLxtl Result?0Btdi Job FiinislieiJILoad Po&ulic Fioiorob.时性？iubwis itwtt i-r-r eiTnr «!» ibi-wibbb «l7 Load 1 ex

18、t Results (.mrs:raa ¥«! ri!Tii9iTS-ir iivBriBrwia arBaBin aeI ad Si jmrrory (m rs) R目刖ilK inln Fri尸 I r Load Graphic® Results (.mrs广 _aad Aesulte bxdusivB厂Lanrl Rm号和|标日hitfli3<* Load Result PosHcuni 1C Load Fteufe PosrtQn 2LjQdd Rp'Ult? Poiioh 3L -dOad Hesulte Posnon 4Lood Rfsi

19、jI Posrian 5厂 Lu sd Gropce R&suke 讣沧)广 -O曰d Results： bxdusiYB广 rinrl Re詢is AddLoad ICancel10、查看计算结果退回到主界面后，点團可以查看计算结果的文本格式文件。要看懂里面的数据需要一定的专业英语根底。点丄，可以查看转矩、功率、平均有效压力BMEP等随转速的变化关系曲线。由于本例只算一个转速工况点，在图上只能看到一个点pfiprarhncf sunn artT 口口口N 口 ： 口0口UQhl* Ibxta SFhibO>口r*-Hli. w .a., i .a.*: .1* 18 -14-1* £4.wlTr只 口亍 DE 舄皀ocu 1-nkD03 007亠量F岂宦 EV芒点创，可以查看发动机在一个循环内的变化情况。进入界面后，在右边的坐标图中点右键，出现弹出菜单点.prs File Add.载入计算对应的结果文件2.prs1，点左边模型中的气缸图标，右边的坐标中将显示气缸内的压力、温度随转角的变化曲线。继续使 用右键弹出菜单，点Autoscale All Gr