（光学工程专业论文）重型车用涡轮增压柴油机egr方案布置设计与流动过程模拟.pdf

摘要 摘要 废气再循环( e g r ) 技术是目前最有效的控制氮氧化物( n o x ) 排放的措施， 但重型车用涡轮增压柴油机本身的流动特性，为其e g r 布置带来一定难度和特 殊性。本文主要以某公司一款重型车用涡轮增压柴油机为研究对象，利用一维发 动机流动过程模拟软件b o o s t ，以流动分析为基础，为其设计并优化了低压循 环与高压循环文丘里管式两种e g r 布置方案。本文的研究内容和主要结论如下： 1 ) 本文通过适当简化处理，使用b o o s t 软件为某公司一款重型车用涡轮 增压柴油机建立了流动过程模拟计算模型。对该款柴油机进行试验研究， 通过试验结果与计算结果对比分析，验证了所建一维流动模型的准确性。 此外提出了表征发动机零部件流通特性的流量系数的测量方法，并对一 套气道稳态流动试验台提出初步改造设计方案，使其具有测量发动机重 要零部件流量系数的功能。 2 ) 通过流动过程模拟，分析了重型车用涡轮增压柴油机的流动特性对e g r 布置方式的影响。在充分研究相关国内外文献的基础上，结合流动过程 建模，分析了一些重型车用涡轮增压柴油机上e g r 实现方式的优点和局 限性。 3 ) 以流动分析为基础，为该款重型车用涡轮增压柴油机设计并优化了低压 循环与高压循环文丘里管式两种e g r 布置方案，主要优化参数为：e g r 管引出角、e g r 管引入角、e g r 管直径、文丘里管结构等。此外研究了 柴油机微粒捕集器与e g r 冷却器对柴油机性能以及e g r 流动特性的影 响。 4 ) 通过对比低压循环e g r 系统与文丘里管式高压循环e g r 系统在各个 e s c 工况点下e g r 阀全开时及相同e g r 策略下的流动过程，分析两种 e g r 布置方案的流动特性。 关键词：重型车用涡轮增压柴油机，废气再循环( e g r ) ，流动模拟计算，低压 循环e g r ，高压循环e g r ，文丘里管 a b s t r a c t a b s t r a c t e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ( e g r ) t e c h n o l o g yi sa tp r e c e n tt h em o s te f f e c t i v e w a yt or e d u c et h ee m i s s i o no fn o x b u tt h ef l o wp r o c e s sc h a r a c t e r i s t i co ft h eh e a v y d u t yv e h i c l et u r b od i e s e le n g i n eb r i n g sd i f f i c u l t ya n ds p e c i a l i t yt ot h ee g rl a y o u ti n t h eh dd i e s e le n g i n e i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hf o c u s e do nat y p eo fh e a v yd u t y v e h i c l et u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e l o wp r e s s u r el o o pe g r s y s t e ma n dh i g hp r e s s u r e l o o pe g rs y s t e mw i t hv e n t u r im i x e rw e r ed e s i g n e da n do p t i m i z e di nt h i sd i e s e l e n g i n eo nt h eb a s i so ff l o wp r o c e s sa n a l y s i sb ym e a n so fo n e - d i m e n s i o ne n g i n ef l o w p r o c e s ss i m u l a t i o ns o f t w a r eb o o s t a f t e rt h i sp a p e r , t h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t s h a v eb e e na t t a i n e d ： 1 ) a f l o wc a l c u l a t i o nm o d e lo fah e a v y d u t yv e h i c l et u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e w a sb u i l tb yb o o s tw i t hs u i t a b l es i m p l i f i c a t i o n 1 1 犯e x p e r i m e n to ft h eb a s e l i n e e n g i n ew a sd o n et ob u i l dt h ec o r r e c tm o d e l v i at h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h e c a l c u l a t i o nv a l u e sa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ev a l i d i t yo ft h e1 - df l o wm o d e l w a sv e r i f i c d am e a s u r e m e n tm e t h o do ft h ef l o wc o e f f i c i e n tw a sp r o p o s e d , w h i c h c h a r a c t e r i z e dt h ef l o wp e r f o r m a n c eo ft h ei m p o r t a n te n g i n ep a r t s f u r t h e r m o r e ，a m o d i f i c a t i o np l a no fa p o r ts t e a d yf l o wt e s tb e n c hw a sd e s i g n e dt oa d dt h ef u n c t i o no f m e a s u r i n gf l o wc o e f f i c i e n to fi m p o r t a n te n g i n ep a r t so ni t 劲t h ei n f l u e n c eo ff l o wp r o c e s sc h a r a c t e r i s t i ci nl i dv e h i c l et u r b o c h a r g e d d i e s e le n g i n eo nt h ee g r l a y o u tw a sa n a l y z e db ym e a n so ff l o wp r o c e s ss i m u l a t i o n o nt h eb a s i so fac o m b i n a t i o no fs t u d yo nc u r r e n tl i t e r a t u r ea n df l o wp r o c e s s m o d e l i n g , a d v a n t a g e s a n dl i m i t a t i o n so fs o m ee g rl a y o u t si nh dv e h i c l e t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n ew e r ea n a l y z e d 3 1l o wp r e s s u r el o o pe g rs y s t e ma n dh i g hp r e s s u r el o o pe g rs y s t e mw i t h v e n t u f im i x e rw e r ed e s i g n e da n do p t i m i z e di nt h i sd i e s e le n g i n eo nt h eb a s i so ff l o w p r o c e s sa n a l y s i s t h em a i no p t i m i z e dp a r a m e t e r sw e r e ：e g rp i p ei n l e ta n g l e ，e g r p i p eo u t l e ta n g i e ，e g rp i p ed i a m e t e r , s t r u c t u r eo fv e n t u r im i x e re t c f u r t h e r m o m ，t h e e f f e c to fd i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ( d p f ) a n de g rc o o l e ro nt h ed i e s e l e n g i n e p e r f o r m a n c ea n de g r f l o wp r o c e s sc h a r a c t e r i s t i cw a s i n v e s t i g a t e d 。 4 、w h e nt h ee g rv a l v ew a sw i d e l yo p e na sw e l la sa ts a m ee g r s t r a t e g y , t h e f l o wp r o c e s so fl o wp r e s s u r el o o pe g rs y s t e ma n dh i g hp r e s s u r el o o pe g r s y s t e m w i t hv e n t u r im i x e ru n d e re s ct e s tc y c l ew e r ec o m p a r e d ，i no r d e rt oa n a l y z et h ef l o w i l p r o c e s sc h a r a c t e r i s t i co ft h et w oe g rs y s t e m s k e yw o r d s ：h e a v yd u t y v e h i c l e t u r b o c h a r g e d d i e s e l e n g i n e ，e x h a u s t g a s r e c i r c u l a t i o n ( e g r ) ，f l o wp r o c e s ss i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n ，l o w p r e s s u r el o o pe g r ，h i g hp r e s s u r el o o pe g r ，v e n t u r im i x e r 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 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持、消费者对柴油机的认知度及中国柴油机技术相对落后等原因，柴油机一直未 能真j 下进入乘用车市场，但商用车的主体燃料仍是柴油，统计数据显示，2 0 0 6 年商用车的柴油化率为7 8 8 ，比2 0 0 5 年的7 7 6 提高了1 2 个百分点。随着油 价不断上涨，轻客和微卡柴油化比重会逐渐加大，未来商用车的柴油化率还将进 型：傲m睬争坩k卅哑岳 揣 1 1 8 6 4 2 o 第1 章绪论 一步提高。 然而随着中国汽车保有量的增加，汽车的尾气排放对生态环境带来的污染也 日益严重。汽车排放燃烧产物中主要包括：水( h 2 0 ) 、二氧化碳( c 0 2 ) 、碳氢 化合物( h c ) 、一氧化碳( c 0 ) 、氮氧化物( n o x ) 和颗粒物( p m ) 等。其中 碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物和颗粒物均是影响人体健康的有害物质，由于 柴油机的燃烧过程主要在过量空气系数较大的区域内进行，因而排放物中h c 、 c o 含量相对较低，但n o x 与p m 含量比汽油机高。 中国环境科学研究院在2 0 0 1 年1 2 月发布的试点示范城市机动车空气污染 综合评估报告表明，机动车排放的n o x 与p m 是许多大城市的重要污染源， 尤其是重型汽车已经成为中国城市n o x 的主要来源( 见表1 1 ) 。 表1 i 一些城市机动车排放n o x 分担率 城市机动车排放贡献率重型车排放比例 天津市5 5 7 4 0 3 深圳市 8 4 5 7 0 6 6 西安市6 9 4 9 2 0 6 鸟鲁木齐市 4 8 5 7 6 0 6 成都市5 7 0 3 8 5 5 为了控制机动车排放污染物，以达到保护生态环境和保障身体健康的目的， 中国国家环境保护总局根据欧洲排放标准制定了适合我国汽车工业发展形式的 汽车污染物排放标准。 1 2 中国重型汽车排放标准 根据中国国家环境保护总局2 0 0 5 年第2 l 号公告，自2 0 0 7 年1 月1 日起实 施车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法 ( 中国m ，v 阶段x g b l 7 6 9 1 2 0 0 5 ) ) ) 。与之前g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 标准相比，主 要变化在于： 加严了排气污染物排放限值； 增加了装用以天然气或液化石油气作为燃料的点燃式发动机汽车及其 点燃式发动机的气态污染物的排放限值及测量方法； 改变了测量方法，试验工况由e s c ( 稳念循环) ，e l r ( 负荷烟度试验) 和e t c ( 瞬念循环) 工况所构成，针对不同车种或不同控制阶段，应用 2 第1 章绪论 不同的试验工况； 从第阶段开始，增加了车载诊断系统( o b d ) 或车载测量系统( o b m ) 的要求： 从第1 v 阶段开始，增加了排放控制装置的耐久性要求； 从第阶段开始，增加了在用车符合性的要求； 增加了新型发动机和新型汽车的型式核准规程； 改进了生产一致性检查及其判定方法。 对于已在2 0 0 7 年1 月1 日起实施的第1 h 阶段标准，重型柴油机方面最重要 的变化主要是排放限制的变化( 表1 2 ) 与试验工况的变化( 图1 2 ) 。 表1 2 各阶段排放限值与实施日期 实旌一氧化碳碳氢化合物 氮氧化物 颗粒物( p m ) 阶段 ( n o x ) 日期 ( c 0 ) g k w h( h c ) g k w hg k w h g k w h 2 0 0 4 9 14 o1 1 7 00 1 5 l2 0 0 7 1 12 10 6 65 o0 1 0 2 0 1 0 1 11 50 4 63 50 0 2 v 2 0 1 2 1 11 50 4 62 00 0 2 欧溯1 3 工况( r 4 9 ) 图1 2 欧洲1 3 工况比较 欧洲i l l1 3 t 况( 瞄c ) 与第1 i 阶段标准使用的r 4 9 测试循环相比，e s c 测试循环测试点数也是1 3 个，但是它们在发动机工况区的分布上发生了变化，避开了发动机的最大功率转 速和最大扭矩转速，选择了三个中间转速。同时各工况点的加权系数分布比较均 匀，以保证整车在大部分的运行工况的排放均得到法规的控制。其中e s c 测试 第1 章绪论 循环中发动机转速a 、b 、c 按如下方式确定： 高转速n 扯为发动机最大净功率p 。7 0 下的转速 低转速为发动机最大净功率p n 5 0 下的转速 转速a = n t e + 2 5 ( n h i n b ) 转速b = n l o + 5 0 ( n h l - n k , ) 转速b - - n k , + 7 5 ( n h i - n 1 ) 根据同一台发动机r 4 9 循环与e s c 循环对比试验研究，两个测试循环的排 放物分担率有很大不同。r 4 9 循环排放主要集中在最大扭矩全负荷与额定转速全 负荷两个工况点上( 超过5 0 以上) ，而e s c 循环中排放物分担率相对分布比较 均匀，基本不会出现某个工况点排放物分担率超过1 5 的现象。以n o x 排放值 为例，1 3 7 5 ( 即b 转速下7 5 负荷工况点，下同) 、a 1 0 0 、b 1 0 0 、c 1 0 0 四个工 况分担率最高，均超过1 0 ，但最高不超过1 5 ，而a 7 5 、b 5 0 、c 5 四个工况 点分担率也超过了7 。 因此，相对于第阶段标准使用的r 4 9 测试循环，e s c 测试循环对发动机 总体排放要求更严格，也避免了为达到限制而在特定工况进行特殊优化匹配的方 式，从而要求对发动机所有工况均进行优化匹配才可以达到排放要求。 而在本文研究过程中，也将根据e s c 测试循环建立相应工况作为研究基础。 1 3 发动机流动过程模拟计算的理论研究与发展状况 发动机作为一种能量转换机构，其工作过程包括：进气、压缩、做功、排气 四个部分，其中进气与排气过程均是与外界有物质交换的流动过程，其流动特性 的优劣对单位时间内进入气缸的充气量及此时的工质状态有很大影响，所以改善 发动机流动特性对提高发动机动力性、经济性，改善污染物排放有重要意义。因 此开展对发动机流动过程的研究是十分必要的。 随着市场竞争的日趋激烈和排放法规的日益严格，要求企业能快速响应市场 变化，尽可能地缩短产品开发时间。在此情况下，发动机流动过程模拟计算在改 善发动机流动特性，进而提高发动机整体性能方面发挥了重要作用。利用发动机 流动过程模拟软件，能简单、快速、有效地进行发动机进排气系统和配气系统设 计、涡轮增压器匹配等工作，可以减少试验次数，降低开发成本，缩短开发周期， 对于企业来说有非常重要的意义。 目前，发动机流动过程模拟计算的理论基础有： 线性行波理论：这种理论建立在流体力学守恒定律基础上，忽略了摩擦， 并假定状态量的变化与绝对值相比很小，质点速度小于音速。 4 第1 章绪论 充满和排空法( 或称容积法) ：这种理论假定进排气系统由圆管组成， 圆管相当于一个具有无限大音速的储气室，流进的速度能被转换成为内 能，而不是考虑空气动力学方面的效应，并且忽略了扰动的传播速度对 管系状态的影响。 非线性行波理论：对流体微元的状态变化应用质量、动量和能量守恒定 律，可以计算较大振幅的波的传播。 而发动机流动过程模拟计算的物理模型可以分为； 零维模型：通过容积法建立的模型即为零维模型，在零维模型中系统内 各状态参数只随时间变化，而不随空间坐标变化。零维模型可用于缸内 压力计算和流程很短、传递时间可以忽略的管道计算。根据零维模型的 特点，其系统内参数的变化关系可用常微分方程组表达，因为其数值解 比较容易，所以采用零维模型的流动过程模拟计算很方便，但压力波动 与实际差别比较大。 一维模型：系统内参数除了随时间( 或曲轴转角) 变化之外，还随一维 坐标变化，这种模型称为一维模型。基于线性行波理论与非线性行波理 论建立的模型均属于一维模型。根据一维模型的特点，其系统内参数随 时间与一维坐标的变化规律可以用偏微分方程来表达。偏微分方程求解 比常微分方程困难很多，一般采用特征线法求解。 多维模型：多维模型通过完整的数学解析式，可以如实地反映燃烧本质 及其变化规律。在多维模型中，根据质量、动量、能量及化学组分的守 恒方程式可以建立相应的偏微分方程。 在理论上，计算流体力学( c f d ) 可以解决非定常三维问题，但由于计算机 能力的限制，导致计算需要大量时间。因此三维计算只在内燃机系统的某些部分 及某些热力过程计算中采用。而相对来讲，一维模型可以大大减少计算时间，并 且可以获得相当精确的近似解，因此目前仍广泛适用于发动机整体流动特性模 拟。 根据不同理论建立的模型，可以由不同的数值解法进行求解，常用的方法有： 特征线法：其核心是在特征方向上，将偏微分方程转换为转化为常微分 方程来求解。特征线方法在时i 日j 和空间上都是一阶精度，其缺点是控制 方程不是守恒形式，质量流量误差比较大。此外由于在推导特征方程时， 为了简化求解，做出了理想气体假设，用绝热指数k 来决定速度和能量 的繁衍，因此截面积突变和有质量添加的情况下误差较大。 有限差分法：通过选取适当的差分格式将偏微分方程转为差分方程组。 根据差分方式的不同，有限差分法又分为两步中心差分法、迎风差分法、 5 第1 章绪论 l a x w e n d r o f f 差分法，其缺点是在稳定性和计算精度方面存在矛盾。 有限体积法：在每一网格单元体积上，对守恒定律进行积分近似。有限 体积法自动满足严格守恒定律的任意弱解所满足的任意积分方程的离 散近似，可以用来获得守恒定律的数值解。认为所有的格点法近似结果 必然近似于网格单元平均值不尽正确，但是有限体积法具有这种性质。 它是格点近似方法的一种重要变形，它对格点之间的近似解的结构做出 假定，对于求解非连续问题极其有效。如果被求解的函数是光滑的，则 有限体积法与有限差分法是本质上相同的数值解法。有限体积法在边界 的处理上也较简单，尤其可方便地用于有质量添加的情况，如e g r 系统 等的流动计算，因而得到了越来越广泛的应用。 在上述发动机流动过程模拟计算的理论基础、物理模型与计算方法基础上， 国内外已经开发出一维和三维流动模拟软件。在国内，上海交通大学、西安交通 大学、武汉汽车工业大学等先后开发了一些一维和三维流动仿真程序，但商业化 和软件成熟度上尚不如国外一些软件，例如一维模型中有奥地利a v l 公司的 b o o s t 软件，英国r i c a r d o 公司的w a v e 软件、德国f e v 公司的c a t s 软件、 美国g t i 公司的g t p o w e r 软件等；三维模型中有a v l 公司的f i r e 、英国的 f l u e n t 、r i c a r d o 公司的c m s 等。其中a v l 公司的b o o s t 与g t i 公司的 g t p o w e r 已在国内各企业和研究单位的发动机开发过程中得到广泛运用。 1 4 本课题的研究内容 ， - 目前降低发动机n o x 排放的方法有：三元触媒净化、推迟点火、燃油渗水、 废气再循环( e g r ) 等，其中e g r 技术应用最为广泛，因为其降低n o x 排放的 效果最为显著，且对发动机的改动小、设计自由度大。目前，相对于国外e g r 技术的广泛研究和应用，国内对e g r 技术的研究由于起步较晚，还不成熟，尤 其是对e g r 流动特性及使用e g r 后对发动机整体流动性能影响的研究还比较薄 弱。 此外，重型车用涡轮增压柴油机上的e g r 布置是目前e g r 设计的一个难点， 其原因是安装涡轮增压器与中冷器后，发动机本身流动性能发生变化，增压后进 气压力高于排气压力，普通e g r 布置方案无法在重型车用涡轮增压柴油机上实 现足够的e g r 率，尤其在高负荷工况下，e g r 管内甚至可能出现倒流，造成额 外泵气损失。因此，必须对重型车用涡轮增压柴油机的e g r 系统进行特殊设计， 以克服排气压力与进气压力日j 的负压差，达到足够的e g r 率，实现降低n o x 排 放的目标。 6 第1 章绪论 在此背景下，本课题以某公司一款重型车用涡轮增压柴油机为研究对象，开 展发动机流动特性及e g r 系统内流动特性的研究，目标是为其设计并优化e g r 布置方案，论文的主要研究内容如下： 1 ) 研究发动机流动过程模拟计算的理论基础与发展状况； 2 1 使用b o o s t 软件建立原机模型并进行试验验证； 设计并优化低压循环e g r 布置方案； 钔设计并优化文丘里管式高压循环e g r 布置方案； 5 ) 研究微粒捕集器、e g r 冷却器对发动机流动特性特别是e g r 流动特性 的影响： 6 ) 对比低压循环e g r 布置方案与文丘里管式高压循环e g r 布置方案的流 动特性； 第2 章流动过程建模及试验验证与流量系数测最试验设计 第2 章流动过程建模及试验验证与流量系数测量试验设计 本文将使用一维发动机流动过程仿真软件b o o s t 建立计算模型。在本章中 将介绍b o o s t 软件的基本原理，基于原机建立相关流动模型，并进行试验，验 证模型精确度与可靠性，此外将介绍表征发动机零部件流通特性的流量系数的定 义、推导及其测量试验设计。 2 1b o o s t 软件结构及计算原理 节1 3 中介绍了一些国内外研究人员开发的发动机工作过程模拟计算软件， 其中本文使用的a v l 公司开发的b o o s t 模拟计算软件就是比较有代表性的一 种。它是一个一维的模拟计算软件，缸内工作过程类似于容积法模型，进、排气 等管道中的气体流动看作是一维非定常流，即管道内气体的每一个流动参量都认 为是相应管道截面上该流动参量的平均值。这种方法由于在发动机性能模拟计算 时具有较高的精度和可靠性而使它具有广泛的应用领域。 越，l b o o s t 软件的主要应用范围包括： 发动机各种方案的性能对比； 进、排气系统，气门尺寸的优化； 气门正时和凸轮型线的优化； 增压系统的设计和匹配； 燃烧噪声研究； 发动机瞬态性能的评价。 2 1 1 软件结构 b o o s t 软件结构可分为三个部分：主要包括前处理程序、运算主程序与后 处理程序。 a 前处理程序 b o o s t 前处理程序包括模型编辑器和数据输入器，均已实现图形化操作。 b o o s t 软件的主要元件包括管道、系统边界、气缸、增压器、中冷器、容 器、空气滤清器、节流阀等。 b o o s t 软件要求输入的数据大致可以分为结构及常规型数据、理论型数据、 控制型数据三类。结构及常规型数据只需根据所需研究的发动机的机型、结构尺 寸等，通过厂家提供的结构参数和图纸就可完成对这些参数的输入，主要包括气 8 第2 章流动过程建模及试验验证与流量系数测量试验设计 缸、进排气管道、腔体、增压器、中冷器等的基本参数。理论型数据的取值取决 于b o o s t 计算主程序所依据的理论基础，用户对这些数据的取值要符合其所采 用的基本理论及其对这些参数的特定定义。这类数据包括放热模型、气缸传热模 型、管道传热模型等。控制型数据是b o o s t 软件中根据用户定义对计算程序进 行控制的数据，主要包括计算模式、存储数据间隔、步长等参数。 b 运算主程序 、 在运算主程序中，计算机根据用户定义的运算控制数据进行计算，计算的方 法是通过不断地迭代，进而渐渐使计算结果趋于稳定，慢慢地逼近真值。计算的 循环次数越多，结果越准确，但花费的计算时间也就越多。 c 后处理程序 b o o s t 软件后处理程序是分析计算结果的一个交互式程序，为用户提供了 发动机整机性能参数，各循环计算对象平均值随计算循环数和时间变化，最近一 次循环计算对随曲轴转角的变化等分析模块。 2 1 2 软件计算原理 a 缸内热力过程基本假设与工作介质特性 对于柴油机缸内实际工作过程进行模拟计算时，作以下基本假设： 气缸内工质的状态是均匀的，也就是不考虑气缸内各点工质的压力、温 度和组分的差异，并认为在进气期间，流入气缸内的空气与缸内残余废 气实现瞬时的完全混合； 工质为理想气体，其比热、内能仅与气体温度和气体成分有关； 燃料喷入气缸内立即燃烧； 空燃比从燃烧始点到燃烧终点逐渐减小。 对于柴油机，空燃比用于描述气体的组成，b o o s t 软件规定：纯空气的空 燃比按无限大计算；当空气与废气混合，按平均空燃比计算，其值通过估算得到。 只要废气的过量空气系数大于i i ，这一规定都是有效的。 空气的质量百分比按下式计算： t a r 一( 1 一p 一u c p ) x 1 0 0 ( 2 1 ) 式中，心。为空气的质量百分比，所为燃烧蒸汽的质量百分比，协为燃 烧产物的质量百分比。 燃烧产物的空燃比按下式计算： 9 第2 章流动过程建模及试验验证与流量系数测量试验设计 彳。丝二丝( 2 2 ) 式中，刎。为燃烧产物的空燃比，钿为已燃燃料的质量百分比。 b 缸内热力过程基本方程 尽管缸内工作过程是很复杂的，它包括了物理、化学及机械等方面的过程， 但根据上述假设条件，总可以用三个基本参数( p ，t ，m ) 来表示缸内的气体状 态，并可用能量守恒方程、质量守恒方程及气体状态方程把整个工作过程联系起 来。 1 ) 能量守恒方程 掣一- p d r d a + 监d a 一盟d a 一虹d a ( 2 3 ) d 口 1 厶 “ 、。 式中，掣为气缸中内能的变化；一p i d v 为活塞所做的功；譬为燃 d a d ad 口 油燃烧加入的热量；罗譬筮为壁面传热损失；h b b 皇争为漏气引起的焓流。 d 口 口口 2 ) 质量守恒方程 忽略泄漏，缸内的气体质量变化量等于喷入气缸的燃料质量、流入气缸的气 体质量与流出气缸的气体质量之差，即： 塑纽+ d m , d m e ( 2 4 ) d 妒d 妒d 妒d 妒 、 7 式中，m 。为喷入气缸的燃料质量( k g ) ，m s 为流入气缸的气体质量( 1 【g ) ，他为 流出气缸的气体质量( k g ) 3 ) 气体状态方程 对于理想气体，满足气体状态方程： p 一言。m r o t ( 2 5 ) 式中，r 0 为气体常数o k g i o c 燃烧放热规律 燃烧放热规律决定了内燃机气缸内气缸压力与温度的变化，影响内燃机的热 力过程，从而对发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和排放产生重要影响。b o o s t 软件中提供了v i b e 、d o u b l ev i b e 、w o s c h n i a n i s i 、h i r o y a s u 、a v lm c c 等燃烧 模型。 本文选用v i b c 燃烧放熟模型，其半经验公式为： 1 0 第2 章流动过程建模及试验验证与流量系数测量试验设计 嘉- 壶懈1 ) y 。彳吖 ( 2 - 6 ) d r - 詈 ( 2 7 ) y 。i 产 ( 2 - 8 ) 式中，q 为燃油总放热量，口为曲轴转角，为燃烧起始角，a a c 为燃烧 持续期，m 为燃烧品质指数，a 为韦伯参数，对于完全燃烧a = 6 9 。 d 管内流动的基本方程与管端边界条件处理 b o o s t 软件中的管道模型有固定的长度，而且它的横截面面积可以随着长 度变化而变化。模型考虑了管壁摩擦、管壁热传递、由于强迫或自由对流而引起 的向外界的热传递、管道弯曲( 增加了摩擦损失) 等因素。管道模型的基础是基 于一维气体动力学的，由下列三个方程构成方程组。 连续性方程： 0 _ p p + p 丝+ “望+ 丝堡。0( 2 9 ) o t 觑缸fd t 、7 动量方程： 能量方程： 丝+ 丝+ ! 望+ g 0 a f 缸p 0 x ( 2 1 0 ) ( 詈+ “豢) 叫2 ( 望o t 仙詈) 一 一帅q + 球g ) 一o ( 2 m ) im缸ji缸j 、 、 式中，g 为单位质量的壁面摩擦力，g 。，f 了u e 两u 石4 ，其中箭项保证摩擦力 总是与运动方向相反。u 、p 、p 、f 、d 分别表示流体的流速、密度、压力、截面 面积和当量直径。对于一维流动，认为管内截面面积的变化率d f d r 很小，管道 周壁有能量交换而没有质量交换，在垂直与流线的截面上，可以有能量和质量交 换。 管道端部的求解采用了特征线法。管道尾端的流动取决于管道内的压力波， 环境压力以及管道尾端的有效流动截面积。从封闭的管道尾部得到的压力确定了 流动的方向。孔道下游的静态压力和上游的滞止压力决定了流动是亚音速、音速 或者是超音速流动。因此在计算之i ； 要先判断气体流动的方向。 第2 章流动过程建模及试验验证与流量系数测量试验设计 e 涡轮增压器模型 对于稳态运转的发动机，可用能量平衡或热力学第一定律确定其涡轮增压器 的运转方式。总的来讲，压气机消耗的平均功率必须与涡轮机提供的平均功率相 等： 一b ( 2 1 2 ) 透平压气机所消耗的功率取决于通过压气机的质量流量和压气机两端的焓 差。后者受压比，进气温度和压气机绝热效率的影响。 一而。( 1 1 2 一啊) ( 2 1 3 ) 式中，只为压气机的消耗功率，噍为压气机中的质量流量，1 1 2 为压气机出 口处的焓，鬼为压气机进口处的焓。 一扣哥。4 i 亿均 式中，仇，。为压气机的等熵效率，c ，为压气机进口和出口之间的平均比热， 正为压气机进口温度，p 2 p l 为压气机增压比。 涡轮增压器能够提供的功率取决于通过涡轮机的质量流量和涡轮机两端的 焓差。另外，通常在涡轮机一侧考虑涡轮增压器的所有机械损失： 昂- 坼胛( 鸣一k ) ( 2 1 5 ) 式中，弓为涡轮机功率，坼为气轮机质量流量，玛为涡轮机进口处的焓，以 为涡轮机出口处的焓，j c 为涡轮增压器的机械效率。 玛一以一仉，r ，五【一( 尝) 孚】 g ，回 式中，仇，为涡轮机的等熵效率，勺为涡轮机进口和出口之间的平均定压比 热，五为涡轮机进口温度，以p ，为涡轮机膨胀比。 涡轮增压器的总效率定义如下，仍。为涡轮增压器的总效率： 坼c 一耳仇，仉， ( 2 1 7 ) 1 2 第2 章流动过程建模及试验验证与流量系数测量试验设计 2 2 原机流动模型的建立 本文以某公司一款涡轮增压中冷柴油机为原型机，通过对原型机结构和流动 过程特征的分析，利用b o o s t 软件建立模型，其原型机基本数据如表2 1 所示， 所建立模型如图2 1 所示，采用的模块列表如表2 2 所示。 表2 1 发动机基本数据 型号6 c 2 6 m 2 缸径行程1 1 4 1 3 5 ( m m ) 活塞总排量 8 2 8 ( l ) 燃烧室巾6 3 口径的双挤压涡流燃烧室 压缩比 1 8 发火次序 1 5 - 3 6 - 2 4 每缸进气门数 1 每缸排气门数 1 标定工况1 9 2 1 烈晓2 0 0 r m i n 最大扭矩工况 1 0 0 0 n m 1 2 0 0 1 6 0 0 r m i n 低速扭矩工况7 2 0 n m 8 0 0 r m i n 怠速7 0 i n 供油提前角5 0 + 1 0 c a b t d c 。 增压器霍尼威尔，t b p 4 增压器 “ 喷油器欧亚，6 加2 2 5 喷油器 喷油泵电装，p x 喷油泵和r 9 0 1 调速器 第2 章流动过程建模及试验验证与流量系数测鼍试验设计 表2 2 建模元件列表 图例元件标识数量 + 。 管道p i p e s 1 - 3 3 3 3 8 日1 i _ 一 系统边界s y s t e mb o u n d a r i e s s b l s b 33 目c 0 1 空气冷却器a i rc o o l e r s c 0 11 日i l l容器p l e n u m s p l l p l 22 + r 3 节流元件f l o wr e s t r i c t i o n s r 1 r 55 0 c ； 气缸c y l i n d e r s c 1 - c 66 力j 4 管道接头j u n c t i o n sj 1 - j 77 第2 章流动过程建模及试验验证与流量系数测量试验设计 图例元件标识数量 m p l * 测点m e a s u r i n gp o i n t s m p l m p l 91 9 晕w 0 1 排气放气阀w a s t eg a t ew g l 1 日 - c 1涡轮增压器t u r b o c h a r g e r s t c l1 各元件之间用管道相连，管道上的箭头表示气流运动方向。系统边界s b l 、 s b 2 分别是进、排气管口外的环境；s b 3 是大气环境。空冷器c 0 1 的进口容器 上接管6 ，出口容器接管7 。节流元件r 1 一r 5 模拟管道弯曲时气体流动损失。 在管道弯曲半径特别小的情况下，管道中会出现流动分离，此时需要用节流元件 来模拟该处管道流动的分离损失。涡轮增压器的涡轮机进口与管2 4 、2 6 相连， 出口与管3 0 相连。增压器的进口与管2 相连，出口与管3 相连。排气放气阀用 于旁通部分气缸排出的废气，主要在高负荷时使用，以防止压比的进一步升高。 管2 8 连通簧膜高压侧与增压器出口端，管2 9 连通簧膜低压侧与大气。考虑到原 机转速不高，受激波的影响较小，使用容器p l l 模拟进气谐振器。容器p l 2 用 来模拟消声器，与排气管3 2 、3 3 相连。 在各缸的排气道后，1 、2 、3 缸和4 、5 、6 缸的排气管分别汇合，然后再导 入涡轮机。模型中分别采用管1 6 2 6 来模拟。模型中位于管道上的测点本身不 影响管道内气体的流动，设立测点的目的可以让b o o s t 计算并记录下该点处的 气体状态以及流量在一个循环内的变化情况，并可以在后处理程序中输出。如在 本模型中，就利用设在第一缸进气门和排气门处的测点m p 7 、m p 8 来分析一个 循环内流量等参数的变化。 2 3 验证试验 为验证模型b o o s t 模型的可靠性，对该款涡轮增压中冷柴油机进行试验验 证。 2 3 1 试验条件和试验设备 试验条件与试验设备见表2 3 表2 3 试验条件与试验设备 第2 章流动过程建模及试验验证与流量系数测量试验设计 相对湿度2 2 4 9 实验室温度 1 4 1 9 试验用油料 燃油上炼“0 ”号轻柴油 润滑油1 5 w 4 0 c d 机油 试验用仪表及设备 测控仪e i m0 3 0 1 d p d 型发动机台架试验测控仪( 杭州奕科公司) 测功器w e4 2 n 水力测功器( 杭州奕科公司) 温度仪p t l 0 0 数字温度仪( 上海自动化仪表厂) 油耗仪f c m 0 5 型瞬态油耗测量仪( 杭州奕科公司) 烟度计f q d - - 1 0 2 型b o s c h 烟度计( 温州仪表厂) 空气流量内径巾8 0 的双扭线流量计( 上海柴油机厂) 2 3 2 外特性试验结果与分析 表2 4 为外特性试验结果，表2 5 为b o o s t 计算结果。图2 2 至图2 7 分别 为扭矩、功率、燃油消耗率、进气流量、中冷前压力、中冷前温度的试验结果与 计算结果对比，通过比较可得所建模型计算结果基本与试验值相符。 表2 4 外特性试验结果 柴油机柴油机柴油机燃油进气中冷前中冷后中冷前 转速扭矩功率消耗率流量压力压力温度 r ，m i nn m i 州 g k w 。h k g ，h k p ak p ao c 7 9 7 7 4 8 6 2 4