柴油机工作过程仿真与实验研究_图文

1、天津大学硕士学位论文柴油机工作过程仿真与实验研究姓名:冯敬奇申请学位级别:硕士专业:动力机械及工程指导教师:高文志20040101 第三章进、排气系统热力过程计算第三章进、排气系统热力过程计算3.1概述废气涡轮增压柴油机进、排气系统热力过程计算时,将进、排气系统划分为两个独立的子系统;进气管子系统和排气管子系统。进气管子系统从中冷器出口至进气门止,包括进气总管、进气歧管及气缸盖进气道。排气管子系统从排气门起至废气涡轮止,包括气缸盖排气道、排气歧管、排气总管及涡轮废气蜗壳。柴油机进、排气管中的实际热力过程是很复杂的。为了简化计算,对进、排气系统按不同的要求分别简化处理。稳定工况下运行时,进气总管

2、的压力通常认为不随时间而变化,视为常数。恒压系统中,因排气管的总容积大,压力波动较小,近视认为压力不变。当排气管容积较大或长度较短时,或是进行发动机整机综合参数与增压器的配合计算时,忽略压力波在排气管内的传播、反射、叠加,将排气管视为一个容器,这个的容器的容积正好等于排气管的总容积,排气过程近视为排气对这个容积的填充与排空过程。这简化计算模型,将实际不稳定的流动过程作为准稳定流动过程处理。此时,排气管内的压力变化过程可用一组常微分方程表达。这种计算方法称为容积法。这种方法大大简化了计算过程,运算时间可大幅度缩短。3.2排气管内热力过程计算(容积法3.2.1容积法的基本假设排气管热力过程计算时,

3、所作的简化假设如下:(1排气管的容积%是个常数。%等于气缸排气道、排气歧管、排气总管及涡轮进气蜗壳容积之和。(2认为排气管中的状态参数只随时间f(或妒而变化。并且在足够小的计算步长口内,把排气管g,j不稳定流动简化为准稳定流动,即把排气过程视为排气对容积为圪的容器准稳定流入和排出的过程。(3排气从气缸经排4i门流入排气管,总是由n个气缸依次流入同一根排气管。(4l¨于实际排。t成分变化很小,假定排气过程中排气成分不f:if叫问变化.即da/do=0。第j章进、排气系统热力过程计算(5实际排气的气体常数屹变化很小,故取R。=常数。(6在排气管内,排气不对外作功。3.2.2排气管内的基本

4、微分方程排气管内的基本微分方程,包括能量守恒方程、质量守恒方程和理想气体状态方程。排气管状态在前述的简化假设条件下,用三个基本微分方程表达如下: l,能量守恒方程掣=孙h d万me卜等一等,2.质量守恒方程等;喜(等l一万dmTz,3.状态方程朋%=%。如瓦(3-3参照推导气缸内能量守恒方程的方法,可以推导出得排气管中排气温度L 随p的变化率的关系式为:等=寺喜卜芳j,也等一警一m矗等j协。,上述各式中%为排气管内排气质量,“。为排气的比内能,f、。为排气的定容比热容;下标分别为:B表示排气管,71表示废气涡轮,P表示气缸排气。对式(3-2、式(3-3、式(3-4联合求解,可解得排气管内排气得

5、三个状态参数:P。、五、m。3.2.3排气系统的散热排气系统中的散热量(k由三部分组成:气缸盖中排气道散热量Q。,排气管散热量如和涡轮进气口水冷蜗壳散热量巩,。排气系统散热量Q。的实际计算比较复杂,不同情况按不容方法处理。针对本文情况,型!丛只需计算气缸d口盖排气道散热量。排气道散热率型!基的计算式为:d百dQwAK=等(丁吸去(3-5式中c,。:排气的定压平均比热容;T:气缸内工质温度:兀。:排气道出口处排气温度;n:发动机转速。71。用卜式确定: 第四章废气涡轮增压器计算%击嘲一t压气机实际消耗功畋可用下式计算:肌:鳖“空气经压气机压缩后,温度由升高至。出口温度为:+瓦p,去式中r考虑向外

6、散热的冷却系数,r:1.041.1。4.1_3压气机特性线图的数值表示(4一lO (4一lI (4一12增压柴油机配合计算中,需在压气机特性线图上确定配合运行点。为了使程序能自动寻找配合运行点,要求将实验得到的压气机特性曲线用数值表示,并输入计算机中储存。压气机特性线图的数值表示方法有以下两种:网格法(数组存储法和分析计算法。下面介绍常用的网格法。用证交网格法离散压气机特性线图上的等嫡效率曲线和等转速曲线,读取每个网格上的张和n,x值,并输入计算机中存储。压气机特性中,rIK=石(rh。,巩,”,。=五(rh。,巩。计算中根据已知的及值用拉格朗日-;元3x3点插值求出对应的值。4.2径流涡轮特

7、性计算废气涡轮增压中的涡轮计算,主要是算出涡轮输出功。计算的方法有简化计算法及理论分析法两种。理论分析计算法一般只在应用特征线法计算排气压力波时才使用。增压器配合计算中常采用简化计算法。4.2.1径流涡轮效率特性径流涡轮效率叩,是速比“/C0的函数,rl,=f(u/Co。由于径流涡轮中流体受离心力场作用,速度比“/Co对坼的影响较大,相对地/7",对协的影响则较小。根据几台径流涡轮的试验数据,得到如下的经验公式:L:-0105+2.685f旦1一o.76f旦12-117f旦3(4-13仍。l C0j L C0/L Coj式q,。“涡轮最商效率,视涡轮的性能情况选定;:I I作叶轮外径

8、处的圆周速度:第四章废气涡轮增压器计算c0:由P,绝热膨胀至Pro的总焓降算得到理论流速。4.2.2径流涡轮的流量系数径流涡轮流量系数肌的变化规律比较复杂,是速度比“/G及膨胀比口,的函数,肼=f(u/C0,研。随着“/co增大,涡轮流量成线性减小,即,减小。涡轮流量鸭及流量系数所亦随变化而变化。在数值计算中为了得到采用修正涡轮膨胀比的方法,具体处理过程如下:按卜式定义修正涡轮膨胀比刀舀:POT-P:研f1-当j (4-14PoTOL肌7/式中石,涡轮实际膨胀比;岛rpo,o:涡轮进口、出口总压:如:考察涡轮转速影响(即旋转速度头影响的压力修正值。垒:坐风,风r式中%:涡轮绝热焓降:风r:涡轮

9、进1=1焓。将上两式整理后得:(4.15式中:工作叶轮外径处(进口处轮周速度。经过上述修正处理后,可得到如下近似式:一,s,一上20zr.氅+等鼯型f 16-101一一一18【_14.2.3径流涡轮流量特性径流涡轮质量流量廊,可用下式计算哺-吒焘式中,流量系数:咒。等效喷嘴通流面积:/'re,/修正涡轮膨胀比。4.2.4涡轮输出功t流涡轮输fn功彬lr用下式计算:720(360%=%D=O(417(418煮一第四章废气涡轮增乐器计算毗”毗扣弓闩(41927 第八章仿真程序在CY4102BZI,Q柴油机性能改进中的戍HJ3.N次谐波凸轮方案。配气相位:进气:14+180+26=220度曲

10、轴转角排气:48+180+16=244度曲轴转角气门问隙:进气门:O.40排气门:O.404.AVL提供的方案。配气相位:进气:14+180+26=220度曲轴转角排气:48+180+16=244度曲轴转角气门问隙:进气门:0.40排气门:O.40以上4种配气凸轮的工作过程计算结果如下(2800r/rain,103kw:力案号觥过§控气系数残躺壳销T TD0Pi Pmax机减瓣陀功率油牦l5.17581.45860.04280.8979556.8831.213.7911.250.8861.23102.6251.525.67951.40230.055l0.85l575.4864.313

11、.81lO.270.8861.23102.5251.734.88241.4924O.0620O.896553。2845,6i3.7211.390.8851.22101.7254.645.62011.42550.04840.863566.4856.813.93l】.080.8871.24103.6250.3案。从以上计算结果可以看出,第4种方案的功率较大、油耗较低,是较好的方6.3发动机试验为了验证柴油机工作过程计算程序计算结果的F确性,采用上述的两种方案(第1方案和第4方案进行了发动机13工况法试验,得到如下各衄线图和数据表: l冬6-1两种lJJ轮的空气流越对比幽62两种凸轮的:!燃比列比

12、幽63两种凸轮的过量空系数对比图64两种凸轮的漏气鼙对比 幽65两种凸轮的CO排放量对比圈66两种凸轮的排放餐对比 |冬f67阿种f¨I轮的NOx排放培对比图68两种凸轮的FSN_|1|=欣埘刘比42 幽69两种凸轮的中冷磊进气压力对比圈6一10两种凸轮的油耗率对比 图6一11两种凸轮的排放量对比图612两种凸轮的排放颦对比两种凸轮排放对比表c(地nmHl趣N嘲由一帅P1删1A、,L凸轮轴1脚41D462659640164I原H1凸=e轴131471lO堪矗为n168AVL凸轮轴与原机凸轮轴试验结果对比表转速(rhninl=|!c咀Nm功鲫魁E油#啐空然比“】丰E率13。l说点AVL酬A、,L凸轮轴AVL酬i原心J沾吖% 1922I-5n151425啊140.47170039矗9584舶7223嘶845403.8l31700979174355.5381225&175&532442562 417001979