第四章内燃机热力学模型及应用

1、第四章第四章 内燃机热力学模型及内燃机热力学模型及应用应用报告人：尧命发2014年5月13日主要内容主要内容内燃机热力学模型内燃机热力学模型燃烧放热率分析燃烧放热率分析两区和多区热力学模型两区和多区热力学模型内燃机内燃机热力学模型热力学模型 以内燃机为研究对象，以研究内燃机工作过程为目标，为满足研究所需的要求，抓住影响内燃机工作过程的主要变量进行必要的简化，应用热力学基本原理所建立的热力学模型。 发展概况 主要研究领域 基本控制方程内燃机热力学模型发展概况内燃机热力学模型发展概况 G.T. Borman等人(1966) 首先应用热力学模型，进行了工作过程模拟，取得了一些很有价值的计算结果：研究

2、了排气门/进气门对容积效率的影响，计算结果表明柴油机需要大的排气门，这是由于柴油机有较大的压缩比，排气门打开时自由排气能较小，因而需要较大的活塞功排除缸内的废气，结果增大了泵气功；分析了循环过程中传热的影响；研究了放热率形状对缸内最大爆发压力和压力升高率的影响；研究了柴油机压缩比和配气定时对发动机性能的影响。 Phil. Myers（1985）指出，使用某种形式的热力学模型，作为设计的工具目前已相当普遍，目的是减小硬件模型优化研究的时间。 早期的热力学模型由于热物性、质量流和热流均匀分布的假定，在油耗、动力性的预测等方面并不是主要问题，主要问题在于不能研究有害产物等由于“不均匀性”引起的小的能

3、量项的影响，这是热力学模型的局限。要消除热力学模型的局限性，有几个主要困难：缺少“不均匀”分布的数据，这表现在内燃机气缸内各种局限性的分布不仅在空间是不均匀的，而且随时间急剧变化，在大多数场合，我们不能去测量这些属性的分布，在理论上也不理解或不能预报这些属性的分布，甚至还不能从工程的角度，建立起描述这些分布规律的关系式燃烧化学反应认识不足，燃烧模型仍是“瓶颈”同时也受到计算的能力和容量的限制。内燃机热力学模型发展概况内燃机热力学模型发展概况热力学模型的几个主要研究领域热力学模型的几个主要研究领域 过渡过程热力学模型（Transient Thermodynamic Model） 子系统和子过程模

4、型(Sub-system & Sub-process Model)是热力学模型发展中的最主要部分 多区模型 第二定律热力学模型 过渡过程热力学模型过渡过程热力学模型 内燃机经常运行在过渡过程，与稳定工作过程有许多不同之处，而且人们特别关心过渡过程的排放特性，如：汽油机进气管中的油膜，其厚度和油膜量都随负荷变化；在冷起动过程中，汽油机的燃空当量比和温度一直都在发生变化（油膜厚度、蒸发）；冷起动过程和变工况过程中，柴油机的着火滞燃期、壁温一直在变化；对于涡轮增压发动机，增压器响应的时间延迟，会引起暂时的各部件、系统之间的不匹配。瞬变工况其它边界条件的变化，如EGR率、喷油、进气等由于过渡过

5、程中在每一次工作循环中，各系统或与部件的变化相对很小，所以对于过渡过程常采用“准稳态”的处理方法。 主要问题是：缺少过渡过程的实验数据，因此，我们不能肯定过渡过程是否可以当作“准稳态”过程来处理。 子系统和子过程模型子系统和子过程模型 对于柴油机，燃油的喷雾混合模型，包括雾化、贯穿、蒸发和混合是最重要的过程，也是柴油机燃烧模型的核心 。 对于汽油机，火焰传播过程是最重要的，如何描述火焰传播是汽油机模拟的核心，人们常用两种不同的方法来描述火焰的传播过程。其一是基于实验建立的经验关系式来描述火焰速度，其二是基于紊流动能耗散理论的方法，基本思想是：化学反应速度决定于分子级的混合率，而分子级混合率决定

6、于紊流微结构与周围流体的传质率，它是由紊流旋涡的扩散、破碎过程完成的。 对于HCCI，燃烧化学反应动力学最为重要，其次是HCCI实质上存在的温度分布的不均匀性，相对于DI和SI对燃烧反应过程的影响更为明显。多区模型多区模型 把内燃机气缸看成一个完整的热力学系统与硬件模型很大的差别，因此不能精细描述缸内发生的过程，对此解决的方法是把大系统分解成许多小的子系统，每个子系统我们可以更有理由看成是一个热力学的平衡系统。 第二定律热力学模型第二定律热力学模型 讨论能量的“质”是由于受到能源危机和环境污染两个因素的推动，其目的是为能量的合理利用寻找途径。 )()(,PATAPATARPUTSHTSHWA由

7、熵增引起的可用能的减少AD：pDSTA0可用能平衡分析：DfiiwqAamAAdtdA.)()(000ssThhaifimssmTVPEmmEE()(000DiAVPPTTQssThh)1 ()()(00000（从上式可以知道，在第一定律基础上，加上熵的计算，可以很容易利用第二定律进行可用能分析。 niiisxs1atmpppRssiii1,ln000KTTdTCsrefTTpiiref0,0非燃烧： 当有燃烧反应时，需要采用专门的程序来计算平衡产物的热物性或依据JANAF表。 dpTVTdhdsdtdppRdtdTTRdtdRdtdETdtds1dtdRETdtdppRpRpETdtdTTR

8、TRTETTdtds1111通过热力学第二定律可以直观地给出可用能损失的原因，找出尚存在的可用能，并确定改进内燃机工作过程的方向。 热力学模型的基本控制方程热力学模型的基本控制方程 假定热力学控制体内的热力学状态和各组分浓度分布均匀（热力学平衡系统）；压力和温度分布也均匀；符合理想气体状态方程。能量方程（热力学第一定律）质量方程（质量守恒定律）理想气体状态方程混合气热物性参数气体常数变化率方程其它补充条件能量方程iiiWhmQVpdtmud.)(dtdmudtdumdtmud)(PVVpmhhmdtmud)( 同样以焓表示的能量平衡方程iiiWmhpVQmhhmdtmhd)(质量守恒方程iim

9、m状态方程mRTpV TTmmRRVVpp控制体内混合气的热特性 51)(jjijmoliTuRThiihMTh)(dtdhdtdpphdtdTThdtdhhpCTCTp瞬时当量比，控制体内的燃空比（F/A）与理论燃空比（F/A）st（用fst表示）的比值，即， stafstfmmAFAF)/()/()/(瞬时当量比用于描述控制体内混合气的浓度，也用于判断控制体是否能够着火的判断依据；瞬时当量比首先是Borman等人采用了瞬时当量比的概念，与前面定义的其它描述缸内混合气的浓度其它参数不同 ；在内燃机缸内热力过程作为单区处理的热力学模型中，热力学模型方程中也可使用瞬时过量空气系数来代替瞬时当量比

10、来计算缸内的热物性参数 ；瞬时当量比更多应用于多区的热力模型中 。瞬时当量比的概念是一种虚拟的概念，与前面定义的当量比不同，前面定义的当量比，是指反应物的化学当量比 ，瞬时当量比的概念主要是为了满足计算混合气热物性的要求。 )1)(1(000stffmmdtdmmffdtdst001bbstfafffdddMmdddMm/bstfafdddMm/气体常数的变化率方程dtdRdtdppRdtdTTRdtdR补充条件 缸内容积（发动机的几何尺寸）；传热系数和壁面温度；初始条件，缸内初始压力、温度、容积，进气量等；征对不同问题求解的补充方程。如燃烧计算补充燃烧放热速率，示功图分析则缸内压力为已知。

11、主要内容主要内容内燃机热力学模型内燃机热力学模型燃烧放热率分析燃烧放热率分析两区和多区热力学模型两区和多区热力学模型燃烧放热规律计算燃烧放热规律计算 为什么要进行燃烧放热规律计算 基本方程 参数求解 应用举例为什么要进行燃烧放热规律计算为什么要进行燃烧放热规律计算反应燃烧过程的基本特征，是诊断燃烧过程的一种有效手段。分析设计参数对燃烧过程的影响。 示功图p-指示功（指示压力），机械效率着火始点，燃烧持续期燃烧放热规律基本方程 ddUddVpddQddQiWf31)(iWWqnWTTFddQiiidduddTTumddmudmudddU)(ufHddQddm1uffHddQmdd1mRTpV u

12、fmHTddQmRddVpddpVmRpVddddTfuWfmumTTuuHddVpddpVTuRddQddVpddQi111参数求解 )(,fddVV 已知量 fddpp,),(,mfmVpfTmmff,fmmmfTfuTuu根据上述的参数，在内燃机结构参数确定的情况下，只要知道缸内瞬时的工质质量m和燃油质量mf，通过测量缸内示功图即可求出燃油燃烧放热率 累积放热率：CYCfufmHddQddx1应用举例-20020406080100 120 140010203040506070 纯柴 油 LPG 55.6%放 热 率 （ J / deg CA ）曲 轴 转 角 （d e g C A ）22

13、00r/min， 9. 9 kW后喷放热特性后喷放热特性-20-1001020304050050100150200250RoHR(J/deg) Crank Angle(deg.ATDC)main-injecion timing:-6.2deg.ATDC main injection:41mg/cycboost pressure:1.9bar EGR Rate:35%024681012post-injecion mass:9mg/cycpost-injecion timing: 3.8deg.ATDC 9.8deg.ATDC 15.8deg.ATDC 21.8.8deg.ATDC In-cyli

14、nder pressure(MPa)-30-20-1001020304002468101214050100150200250300350CA1500rpm combustion pressure(MPa)crank angle(CA ATDC） EGR=36% EGR=40% EGR=43% rate of heat release(J/deg）主要内容主要内容内燃机热力学模型内燃机热力学模型燃烧放热率分析燃烧放热率分析两区和多区热力学模型两区和多区热力学模型 两区和多区热力学模型两区和多区热力学模型 问题提出 汽油机两区热力学模型控制方程 多区热力学模型问题提出问题提出 对于汽油机，火焰把燃

15、烧室分成两个区，即已燃区和未燃区，希望通过计算解决两个问题，其一是计算已燃区的燃烧产物成分，NOX生成率，进行热负荷计算和燃烧放热率；其二是计算未燃区的温度，研究低温自燃过程，对发动机爆燃进行预测。因而需要对汽油机缸内划分为两个开口热力学系统。 对于柴油机，喷雾的油束区域所经历的热力过程，即燃烧区和空气区热力过程差别较大，也可以划分为两个开口热力系统，通过这种假设可以计算喷雾油束的发展、卷吸率、贯度、燃烧放热率和NOX生成率。 汽油机两区热力学模型控制方程汽油机两区热力学模型控制方程ubchVVV0ubmmuuuubbbbVTRmVTRmpiiiiiiiiiVVTTRRmmppbuwbbbmhQVpdmu