HCCI 内燃机燃烧机理测试与实验系统的开发-

1、ABSTRACT论文分类号TK39 单位代码10183 密级内部研究生学号 2201310吉林大学硕士学位论文题目:HCCI内燃机燃烧机理测试与实验系统的开发Topic: HCCI Engines Combusion Mechanisms Test and the Development of Experiment System作者姓名:常国峰专业:热能工程导师姓名及职称:许思传教授论文起止年月: 2001年09月至2003年02月吉林大学硕士学位论文摘要本文介绍了内燃机(燃烧弹燃烧分析系统的结构、工作原理、功能和特点。本系统采用工业控制计算机和应用软件运行方式,提高了系统的抗干扰性和可操作性

2、;采用数据采集卡配以自行开发的软件,利用DMA技术,对内燃机的运行参数进行采样;采用高速A/D,提高了系统的测量精度和分析精度,并建立了放热规律的数学模型。还论述了内燃机试验参数的测量方法以及提高其测试精度的措施。此燃烧分析系统具有全中文界面、价格低、操作简单、使用维护方便、功能便于扩充等优点。经过测试,证明此系统是一套准确,高效,自动化程度高的内燃机燃烧分析系统。系统在检测数据的实时显示,保存,输出等方面具有十分突出的优点。关键词:内燃机;燃烧弹;工业控制计算机;- V -ABSTRACTAbstractIn this paper, we introduced the structure,

3、mechanisms, power and virtues of the internal combustion engines (combustion bomb combustion analysis system. The system includes industrial PC and software to boost anti-jamming and maneuverability.Using Advanced Acquisition Card and self-developed software through DMA technology to collect engine

4、running-parameters such as cylinder pressure and temperature.In this system, we validated high speed A/D to improve testing and analysis accuracy. The self-developed software can describe successfully heat release rate. In addition, the paper offers a method to test engine running-parameters and a m

5、easure to improve testing accuracy the combustion analysis system has many virtues, such as chinese interface, low cost, manageable and easy to maintain and develop.The results show that that combustion analysis system is very accurate and effective. The system can display sane and output real time.

6、Keywords: Engine; Combustion Bomb; Industrial PC;吉林大学硕士学位论文目录第一章绪论 (11.1 引言 (11.2 HCCI燃烧的技术特点和面临的主要问题 (21.3 计算机检测技术的发展现状 (41.4 HCCI燃烧技术在国外、国内的研究情况 (71.5 本文的研究内容 (8第二章气缸内热力过程计算数学模型建立方法 (92.1气缸内热力过程的基本微分方程 (92.2气缸内各阶段的热力过程分析 (132.3气缸周壁的传热 (172.4燃烧放热率的计算 (202.5热力过程计算中需要注意的几个问题 (23第三章 HCCI发动机燃烧分析系统的开发 (

7、293.1开发背景 (293.2硬件结构 (293.3软件设计 (343.4软件的人机交互界面开发 (40第四章试验结果分析 (46第五章全文总结 (51致谢 (52参考文献 (53论文摘要 (- VII -ABSTRACT第一章绪论1.1 引言随着世界各国排放法规日趋严格,低排放已经成为发动机进入市场的前提条件。同时,人们出于经济性考虑,对车辆的燃油经济性要求也越来越高。与汽油机相比,柴油机具有较高的热效率和优越的燃油经济性,以及更低的HC和CO排放,受到越来越多发动机厂商的青睐。但是,传统柴油机的排放存在一个难题:无法同时有效降低NOx和PM排放。因为NOx生成的主要机理是高温富氧,为减少

8、NOx排放而采取的导致燃烧温度降低的措施,往往会减少碳烟的氧化,从而导致碳烟排放恶化,这是以扩散燃烧为主的传统柴油机所无法避免的。因此,人们开始尝试一种预混合燃烧和低温燃烧相结合的新型燃烧方式:依靠预混合燃烧形成的均匀混合气和低温燃烧较低的缸内温度来同时降低PM和NOx排放。这种燃烧方式被称作均质压燃式燃烧方式(Homogeneous Charge Compression Ignition combustion。采用这种燃烧方式的发动机不仅可以燃用柴油,还可以燃用汽油、天然气和醇类等燃料2 3。在传统的火花点火发动机上,均质混合气被火花塞点燃,火焰前锋在均质混合气中传播,火焰前锋及其燃烧产物的

9、局部温度远远高于其他未燃混合气,因此燃烧过程和温度分布极不均匀,局部的高温易导致已燃区内NOx 的生成3。传统的柴油机采用扩散燃烧,化学反应速率远高于燃料和空气的混合与扩散速率,燃烧快慢由混合扩散速率决定;在这种类型的燃烧中,混合气和温度分布都极不均匀,扩散火焰外壳的高温区产生NOx,内部高温缺氧区产生PM。上述两种传统的燃烧方式存在着火温度分布不均匀的问题,即局部高温和整体平均低温。从理论上讲,在HCCI燃烧过程中,均匀的空气与燃料混合气及残余废气被压缩点燃,燃烧在多点同步发生无明显火焰前锋,燃烧温度比较均匀,NOx和PM的形成能够被有效抑止。在发动机整个工作过程中,燃烧始点和燃烧快慢的控制

10、是两个主要问题。在HCCI中控制燃烧始点很困难,为了获得良好的自燃就需要较高的充量温度和压缩比,而在发动机的整个工况范围内,由于爆震和失火的限制,这样高的温度和压缩比不可能在所有工况都实现。在传统的燃烧系统中,是靠空气与燃油的混合率或火焰传播率来控制燃烧速率,但在HCCI中这两种方式均不能被采用,采用高的废气再循环(EGR和稀的混合比能较好地控制燃烧速率。与传统吉林大学硕士学位论文的火花点火发动机相比,HCCI方式采用均匀的空气与燃料混合气,但是用压燃代替火花塞点火方式;与传统的柴油机相比,HCCI方式采用压燃着火,但混合气充量是均质的。试验证明这种燃烧方式具有较高热效率、低NOx 和PM排放

11、等优点4。1.2 HCCI燃烧的技术特点和面临的主要问题一.技术特点3HCCI采用均质混合气在发动机中压缩燃烧,它不同于传统的点燃式或压燃式发动机。(1热效率HCCI通常具有很高的放热速率(见图1-1,在一定的工况下,放热速率可接近Otto循环;没有高温区和不发光的燃烧,使得热损失减小;因此HCCI有较高的热效率。 图1-1 规范化放热率曲线(2排放研究HCCI方式的主要目的之一在于明显减少某些有害物质的排放(见图1-2。1.Nox HCCI方式由于燃烧室中没有高温区,能显著减小NOx排放。HCCI是以较稀的混合比,大EGR燃烧,燃烧温度明显低于汽油机或柴油机,- IX -ABSTRACT另外

12、一些研究HCCI的NOx排放数学模型的学者也讨论过此类问题。不过目前NOx排放减少的结论都是在部分负荷条件下得出的,在相同过量空气系数下,HCCI对降低NOx排放效果不大。 图1-2 NOx排放2.PM目前的研究表明,采用HCCI的PM排放较低。PM减少的机理目前还不十分清楚,也没有太多的文献讨论,不过大部分人认为燃油碰壁扩散燃烧和局部浓混合区的减少都有效地抑止了PM的形成。3.HC和CO人们普遍认为与传统的柴油机燃烧相比,HCCI的HC和CO 排放是增加的。导致这种现象产生的原因之一是由于HCCI采用较稀的混合气和较强的EGR,缸内温度较低,最终使得HC和CO的氧化率下降,排放增加。(3运行

13、范围提高HCCI发动机高负荷时的功率输出发动机采用HCCI方式运行受到失火(混合气过稀和敲缸(混合气过浓的限制,失火信号一般用点火始点和最高燃烧压力的急剧变动及功率迅速下降来判别。敲缸用爆震仪来检测。进气温度、EGR等都会影响失火和爆震的产生。目前HCCI方式在2行程发动机上主要应用在中低负荷工况区。二.面临的主要问题4HCCI在内燃机上的应用有着诱人的前景,但目前还有许多问题有待进一步解决。根据工作方式不同,HCCI发动机可以分为专用HCCI发动机和“双模式”HCCI发动机。前者在发动机的全部工况下都采用HCCI燃烧方式;而后者则在部分负荷下用HCCI燃烧方式工作,在很高负荷及全负荷下采用传

14、吉林大学硕士学位论文统柴油机或汽油机的工作方式。其中专用HCCI发动机是研究者正在力求实现的目标。它具有改善发动机全部工况下排放状况以及提高经济性能的潜力,但是专用HCCI发动机的实现还面临一些难题。(1燃烧相位的控制HCCI是一个复杂的过程,其影响因素很多,其中包括燃料的自燃特性和蒸发潜热;混合气的均匀度;残余废气量及其反应活力,压缩比,进气温度和机体温度;传热及其他相关因素。(2功率输出HCCI方式目前的主要缺点是功率输出不理想。当EGR较强,空燃比较大时,HCCI燃烧比较稳定;但当压缩比接近理论压缩比时,燃烧稳定性下降,排放变差。HCCI燃烧是一种稀燃反应。稀薄燃烧的特点和为避免混合气在

15、压缩过程中过早着火所采取的降低压缩比和提高EGR率的措施,导致专用HCCI发动机在高负荷下功率输出不足。(3均质混合气的准备均质混合气的准备对于减少HC和PM排放,获得较高的热效率很关键,燃油对燃烧室壁面的溅击直接影响HC排放,燃烧室中混合气不均质将使NOx排放增加。1.3 计算机检测技术的发展现状计算机的出现,在科学技术上引起了一场深刻的革命。特别是近年来半导体电路的高度集成化,其运行速度和工作可靠性的提高、成本的不断降低,使计算机广泛应用于工业、农业、国防以至日常生活的各个领域。电子计算机不仅在数据处理、科学计算等方面应用极广,而且在工业自动检测方面也得到越来越广泛的应用。由于微型计算机具

16、有成本低、体积小、功耗少、可靠性高和使用灵活等特点,为实现计算机检测创造了良好的条件,使计算机检测技术的水平发展到一个崭新的阶段33。一.硬件组成7微型计算机(简称微型机控制系统的硬件一般是由微型机、外部设备、输入输出通道等组成。(1微型机微型机是具有完整运行功能的计算机,它除了有相应的微处理器作为核- XI -ABSTRACT心部件外,还应包括存贮器、输入/输出电路以及其它配套电路。在控制系统中,微型机完成程序存贮、程序执行等功能。即进行必要的数值计算、逻辑判断和其他处理工作。(2外部设备实现微型机和外界交换信息的功能的设备称为外部设备(简称外设。外部设备包括人-机通信设备、输入/输出设备和

17、外存贮器等。(3输入输出通道输入输出通道是计算机和生产过程之间设置信息传递和变换的连接通道,它的作用有:一方面将工业对象的生产过程参数取出,经传感器(一次仪表变换成计算机能够接受和识别的代码。另一方面将计算机输出的控制命令和数据,经过变换后作为操作执行机构的控制信号,以实现对生产过程的控制。输入输出通道一般分为:模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道、开关量输出通道。自动化仪表则包括测量元件、检测仪表、显示仪表、调节仪表、执行机构等。直接将输入输出通道与工业对象发生联系。二.计算机检测系统的软件软件是指计算机检测系统的程序系统。软件通常分为两大类:一类是系统软件,另一类是应用软件。系统

18、软件包括程序设计系统、操作系统以及与计算机密切相关的程序。带有一定的通用性,由计算机制造厂提供。应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。在微型机检测系统中,每个检测对象或检测任务都配有相应的检测程序,用这些检测程序来完成对各个检测对象的不同要求。这种为检测目的而编制的程序,通常称为应用程序。这些程序的编制,首先要建立符合实际的数学模型,确定控制检测算法和检测功能,然后将其编成相应的程序。计算机检测系统随着硬件技术的日臻完善,对软件提出了越来越高的要求。只有软件和硬件相互间有机的配合,才能充分发挥计算机的优势,研制出完善的计算机检测系统。三.工业控制机的特点数字计算机的运算和逻辑功能

19、,可以有效地满足当代复杂生产过程的检测要求。用于生产过程检测的数字计算机,通常称为生产过程检测用计算机吉林大学硕士学位论文系统(简称工业计算机。工业计算机一般有以下特点:(1工业计算机可靠性和可维修性。工业计算机可靠性和可维修性是两项非常重要的因素它们决定系统在检测上的可用程度,用计算机检测连续性工业过程要求高度的可靠。(2环境的适应性强工业计算机除特殊要求外,一般应用在生产现场,易受环境条件,如强电流、强磁场、腐蚀性气体、灰尘、温度变化的影响,这些都会影响计算机的可靠性和使用寿命。(3检测的实时性所谓实时是指信号的输入,计算和输出都要在一定的时间范围内完成,亦即计算机对输入信息,以足够快的速

20、度进行处理,并在一定的时间内作出反应。(4较完善的输入输出通道为了对生产装置和生产过程进行检测,计算机经常不断地与被检测的工业对象变换信息。通常,需要配备较完善的输入输出通道,如模拟量输入、开关量输入、模拟量输出、开关量输出、人-机通信设备等。(5较丰富的软件工业控制计算机应配备有比较完整的操作系统和适合生产过程检测的应用程序,使机器的操作简单、使用合理、检测性能高。(6适当的计算机精度和运算速度一般工业对象,对于精度和运算速度要求并不苛刻。通常字长为832位。但随着自动化程度的发展,对于精度和运算速度的要求也在不断提高,应根据具体的应用对象及使用方式,选取合适的机型。四.微型计算机检测系统的

21、发展趋势微型计算机检测系统的发展是与组成该检测系统的核心部分微型机的发展紧密相连的。微型机和微处理器自从70年代崛起以来,发展极为迅猛:芯片的集成度越来越高;半导体存贮器的容量越来越大;检测和计算性能,几乎每两年就提高一个数量级;另外大量新型接口和专用芯片不断涌现,软件的日益完善和丰富,大大扩大了微型计算机的功能,这为促进微型计算机检测系统的发展创造了有利的条件。目前,微型计算机检测系统的发展趋势是普及工业用- XIII -ABSTRACT可编程序控制器(简称PC。工业用可编程序控制器,是采用微型机芯片,根据工业生产特点而发展起来的一种控制器,它具有下述特点:(1可靠性高,有较强的抗干扰能力,

22、便于工业现场使用,一旦出现故障,具有停电保护、自诊断等功能。(2采用功能模块化结构,可根据要求,进行组合和扩充。(3具有独立的编程器,编程简单、易于掌握。(4价格低廉。可以预料,进一步完善和系列化的PC将作为下一代通用检测设备,大量地应用在工业生产自动化系统中。1.4 HCCI燃烧技术在国外、国内的研究情况1979年,Onishi等人在2行程发动机上进行HCCI的研究4,发现低负荷工况下,在1000r/min-4000 r/min的转速范围内HCCI都比传统的工作方式有更好的工作稳定性,燃油经济性和排放也都有显著的改进。Lida在1994年的实验表明,在2行程发动机上用甲醇作燃料,HCCI方式

23、的工作范围可以明显扩展。Honda公司于1997年已展示了采用HCCI的2行程发动机,IPF公司也开发了应用HCCI概念的2行程发动机。在这两款发动机中,HCCI被用来改进部分负荷的稳定性和燃油经济性,减少HC排放。1983年,Niat和Foster指出在4行程发动机上也可采用HCCI方式。1989年,Thring首次采用两种燃烧模式,即在大负荷使用火花点火方式,在部分负荷采用HCCI方式。Ryan和Challahan继续了这项工作,发现当使用柴油时不能采用太高压缩比。1992年,Stockinger等人首次在实用的1.6L VW发动机上研究HCCI,使工作负荷范围从14%拓宽到34%。199

24、7年,Christensen, Johansson等人采用异辛烷(辛烷值100,酒精(辛烷值 107天然气(辛烷值120等3种燃料进行HCCI试验,结果表明高的辛烷值对于HCCI方式是有益的。1998年,Christensen,Johansson,Amneus和Manse的研究结果表明,采用增压可增加发动机使用HCCI燃烧方式时的平均有效压力。1999年, Christensen等人的试验又证明了几乎所有的液体燃料都能用于可变压缩比的HCCI方式中。美国西南研究院也很早就开展柴油机“预混稀燃”的研究,利用类似于汽油进气道低压喷射的方法把柴油直接喷入进气管中;为了使柴油和空气加速混合,采用进气管

25、加热和EGR;预混的稀混合气经压缩后多点着火,消除吉林大学硕士学位论文了扩散燃烧,稀混合气降低火焰温度,可使NOx排放比普通柴油机减少98%之多,由于气缸内不存在局部混合气过浓区可使PM的排放减少27%,指示热效率有所改善。上述研究结果表明,HCCI方式既可用在2行程发动机上,也可用在4行程发动机上,但应用的工作范围受到一定限制;HCCI方式具有较高热效率、低的NOx和PM排放及较小的循环变动等优点;采用增压可有效扩大发动机的稳定工作范围并增大平均有效压力。HCCI方式的主要问题是很难在全部转速和负荷下控制着火时间和相位;此外,该方式在大多数实验中使CO和HC排放增加。1.5 本文的研究内容目

26、前,在对内燃机燃烧基础研究中,一般可以采用的实验装置有两种:内燃机和定容燃烧弹。其中采用内燃机的较多,因为用内燃机作实验有数据准确,可信度高等优点。但也存在着不足,就是实验系统较为复杂,过程不易于控制。为了克服这一缺点,也有科研人员采用定容燃烧弹来进行内燃机燃烧实验。定容燃烧弹(简称容弹主要模拟活塞在上止点附近内燃机的燃烧,其特点是结构简单。它能改变容弹内的热力参数、湍流参数以及点火参数,能够方便地研究单一参数的变化对燃烧过程的影响,因而成为内燃机燃烧基础研究经常采用的方法。内燃机燃烧分析的实验中,实验数据的准确、实时的测量是整个实验的关键,现有的内燃机燃烧分析系统功能已经变得越来越强大,但这

27、些燃烧分析系统又有一定的局限性,它的热力学模型和传热学模型都是固化的模型,我们不能根据自己的要求进行比较分析。更为重要的是,现有的燃烧分析系统都是内燃机燃烧分析系统,不能用于燃烧弹。与内燃机的燃烧过程相比燃烧弹的燃烧过程只是时间的函数,而不同于普通内燃机燃烧分析系统中的输出量都是曲轴转角的函数。所以,以往的内燃机燃烧分析系统不适合燃烧弹的燃烧分析。基于这些方面,开发了新的燃烧分析系统就显得十分的必要。本论文就是详细论述这种能用于定容燃烧的燃烧分析系统的开发过程。- XV -ABSTRACT第二章气缸内热力过程计算数学模型建立方法2.1 气缸内热力过程的基本微分方程内燃机气缸内的工作过程是很复杂

28、的,它是包含物理、化学、流动、传热、传质等的综合过程。为了描述气缸内工质状态变化,视气缸为一个热力系统,系统的边界由活塞顶、气缸盖及气缸套诸壁面组成,如图21所示。系统内工质状态由压力p、温度T、质量m这三个基本参数所确定,并以能量守恒方程、质量守恒方程及理想气体状态方程把整个工作过程联系起来。利用上述三个方程联合求解,解出气缸内压力p、温度T及质量m三个基本参数。以下的分析是对实际内燃机的热力过程分析,而对于燃烧弹的热力过程分析略有区别。我们知道燃烧弹的体积是不随时间改变的,这样我们就可以对本章的各式进行相应的定容简化,就得到燃烧弹的热力过程数学模型。 图2-1 气缸内工作过程简图一.基本假

29、设5气缸内热力过程计算时,为了使问题简化,特作如下基本假设:吉林大学硕士学位论文- XVII -(1气缸内工质的状态均匀,即同一瞬时气缸内各点的压力、温度和浓度处处相等。并假定在进气期间,通过系统边界进入气缸内的空气与气缸内的残余废气实现瞬时的完全混合。(2工质为理想气体,其比热容c 、内能u 、焓h 等参数仅与气体温度T 及气体成分(瞬时过量空气系数有关。(3气体流入或流出气缸的流动过程为准稳定流动过程,即在足够小的计算步长内视为稳定流动。(4工质进、出口处的流动动能忽略不计。假定系统边界内同一瞬时各点热力状态、化学成分完全相同的系统称为零维系统。显然零维系统内压力、温度、浓度等各项参数不随

30、空间坐标而变化,只随时间(或曲轴转角而变化。为了简化计算,上述所作的基本假设又称为零维假设。按照这些假设,零维系统内的状态变化可用常微分方程来描述。这种把内燃机的实际工作过程假定为一个或多个零维系统来进行数值计算的数学模型称为零维模型。二.基本微分方程(1能量守恒方程如图21所示的系统中,能量守恒方程(热力学第一定律可写成下列通用形式:+=I jj j I dm h dQ dW dU (2-1式中 U 系统的内能;W 作用在活塞上的机械功;Q 通过系统边界交换的热量;j h 第J 种物质的比焓;j j dm h 质量j dm 带入(或带出系统的能量。而 mdu udm u m d dU +=(

31、 (2-2 式中 m 系统内工质质量;u 比内能。方程式中的正负号,作统一规定:加入系统的能量、质量为正值;从系统取出的能量、质量为负值。通过系统边界交换的各种能量随曲轴转角的变化ABSTRACT率有下列各项:机械功 d dV p d dW = (2-3 按上述正负号规定,压缩时向系统加入的功取正值,此时容积减小,dV 为负值,故容积变化所作的功必须加上负号。热量 d dQ d dQ d dQ w B i i += (2-4 进、排气质量带入(或带出的能量:d dm h d dm h d dm h e e s s j jj += (2-5 式中 p 气缸内工质压力;V 气缸工作容积;Q B 燃

32、料在气缸内燃烧放出的热量;Q w 通过气缸诸壁面传入或传出的热量;m s 流入气缸的质量;m e 流出气缸的质量;h s .h e 进气门处和排气门处工质的比焓通常情况,气缸内的比内能u 和质量m 同时发生变化,故有:d du m d dm u d u m d d dU +=( (2-6 对于柴油机,内能可简化为温度T 和广义过量空气系数(表征工质的成分的函数,即u =u (T ,。将u 写成全微分的形式:d d u d dT T u d du += (2-7 故式(2-6可写成:(d d u d dT T u m d dm u d u m d += (2-8 将式(2-3、式(2-4、式(2

33、-5代入式(2-1,可整理成下列能量守恒方程:吉林大学硕士学位论文- XIX -d dm h d dm h d dV P d dQ d dQ d u m d e e s s W B +=( (2-9 将式(2-8代入(2-9,并注意到v c Tu =,则得温度T 对曲轴转角得微分方程为:(d d u m d dm u d dm h d dm h d dV p d dQ d dQ c m d dT e e s s w B v +=1 (2-10若忽略对u 的影响即0=u 则式(2-10可简化为: (d dm u d dm h d dm h d dV p d dQ d dQ c m d dT e

34、e s s w B v +=1 (2-11(2质量守恒方程如图21所示,按照质量守恒原理,通过系统边界交换的质量总和等于系统内工质质量变化,即=jj dm dm (2-12若忽略漏泄,则通过系统边界交换的质量为:流入气缸的空气质量m s 、流出气缸的废气质量m e 、喷入气缸内的瞬时燃料质量m B 。质量守恒方程表达为:d dm d dm d dm d dm B e s += (2-13 若已知发动机的循环喷油量为f g (kg /cyc ,气缸内燃料燃烧百分数X =fB g m l00%,则 d dX g d dm j B = (2-14 燃料燃烧放出热量随的变化率为:u u f B H d

35、 dX g d dQ = (2-15ABSTRACT式中 H u 一燃料低热值;u 燃烧效率,计及不完全燃烧的影响,其值取决于燃烧状况。通常为了简化计算,取u =1。d dX g d dm d dm d dm f e s += (2-16 (3理想气体状态方程mRT pV = (2-17 能量守恒方程式(2-10、质量守恒方程式(2-13和状态方程式(2-17,三个方程联合求解即可解得确定气缸内状态的三个参数:压力p 温度T 及质量m 。2.2 气缸内各阶段的热力过程分析在气缸内,微分方程组的求解计算是分阶段进行的。如图2-1所示:通常选择实际压缩始点,即进气门关闭时刻作为计算始点,一直逐步计

36、算到下一个循环的进气门关闭时刻结束。将内燃机一个工作循环划分为压缩、燃烧、膨胀、排气、进排气门叠开和进气等六个阶段。各阶的起止时刻由配气正时控制。配气正时角度值作为已知数据录入。在不同阶段中,能量守恒方程式(2-10、质量守恒方程式(2-13可作简化。下面按各个阶段分别进行分析。 图2-2 气缸内工作过程计算各阶段划分示意图一.压缩阶段吉林大学硕士学位论文- XXI -压缩阶段由进气门关闭时刻起至显著燃烧开始时刻止。此阶段中进、排气门均处于关闭状态,若不计漏气损失、并假定在燃烧开始时才有燃料喷入气缸,故压缩阶段中气缸内工质质量保持不变,0=d dm s ,0=d dm e ,0=d dm B

37、。 质量守恒方程式(2-13简化为0=d dm (2-18 压缩阶段,既无气体流入气缸内与工质混合,又无燃烧反应,因此工质成分不变,瞬时广义过量空气系数等于定值。即0=d d 。由于无燃烧反应,故常0=d dQ B ,这样能量守恒方程式(2-18简化为 (d dV p d dQ c m d dT W v =1 (2-19二.燃烧阶段燃烧阶段由燃烧开始时刻起至燃烧终点止。此阶段中,进、排气门处于关闭状态,d dm s =0,0=d dme ,但有燃料逐步喷入气缸,故质量守恒方程式(2-16简化为:d dX g d dm d dm f B = (2-20 在燃烧阶段,能量守恒方程式(2-10简化为

38、(d d u m d dm u d dV p d dQ d dQ c m d dT w B v +=1 (2-21 若忽略对u 的影响,能量守恒方程式(2-11简化为:(d dm u d dV p d dQ d dQ c m d dT w B v +=1 (2-22 将式(2-15、式(2-16代入式(2-22后,能量守恒方程可整理成:ABSTRACT(+=d dV p d dQ d dX u H g c m d dT W u u f v 1 (2-23三.膨胀阶段膨胀阶段由燃烧终点起至排气门开启时刻止。此阶段与压缩阶段类似,进、排气门关闭,无燃料喷入气缸,气缸内工质质量不变,但工质数量上比压

39、缩阶段增加了一个循环的喷油量f g ,即0=d dm s ,0=d dm e ,0=d dm B ,0=d d 质量守恒方程式(2-13简化成与压缩阶段相同的形式,即0=d dm (2-24 能量守恒方程式(2-10亦简化成与压缩阶段相同的形式:(d dV p d dQ c m d dT w v =1 (2-25四.排气阶段 单纯排气阶段由排气门开启时刻起至进气门开启时刻止。此阶段中,d dm s =0,0=d dm B ,0=d d 质量守恒方程式(2-13简化为: d dm d dm e = (2-26 能量守恒方程式(2-10简化为(d dm u d dm h d dV p d dQ c

40、 m d dT e e w v +=1 (2-27 将式(2-26代入式(2-27后。整理得(d dm u h d dV p d dQ c m d dT e e w v +=1 (2-28五.进气阶段吉林大学硕士学位论文- XXIII - 单纯进气阶段由排气门关闭起至进气门关闭止。此阶段中,d dm s =0,0=d dm B ,质量守恒方程式(2-13简化为: d dm d dm s = (2-29 能量守恒方程式(2-10简化为(d d u m d dm u d dm h d dV p d dQ c m d dT s s w v +=1 (2-30 若忽略对u 的影响,能量守恒方程式(2-

41、11简化为(d dm u d dm h d dV p d dQ c m d dT s s w v +=1 (2-31 代入式(2-29后,式(2-31可整理成(d dm u h d dV p d dQ c m d dT s s w v +=1 (2-32六.进徘气门叠开阶段进排气门叠开阶段由进气门开启至排气门关闭止。此阶段中,有新气进入气缸。同时又有废气流出气缸。气门叠开阶段无燃烧反应,0=d dm B ,0=d dQ B ,气门叠开阶段的质量守恒方程为: d dm d dm d dm e s += (2-33 能量守恒方程式(2-10简化为(d d u m d dm u d dm h d d

42、m h d dV p d dQ c m d dT e e s s w v +=1 (2-34 将式(2-33代入后,能量守恒方程式(2-11整理成:(d dm u h d dm u h d dV p d dQ c m d dT e e s s w v +=1 (2-35ABSTRACT七.气缸工作容积内燃机工作过程计算中,发动机的主要结构参数。如气缸直径D 、活塞行程S 、连杆曲柄比、压缩余隙容积V 、压缩比等均作为已知数据输入,根据这些数据即可算得气缸工作容积及其它几何参数。瞬时气缸工作容积为: +=180sin 11180cos 11214222S S D V (2-36式中,曲轴转角(A

43、 从曲柄在上止点时取=0算起。气缸容积随曲轴转角的变率为: + =180sin 12180sin 2180sin 18082222S D d dV (2-37 式中 CS C V V V += -压缩比 S D V S 24= -气缸工作容积2.3气缸周壁的传热工质向气缸盖底面、活塞顶面和气缸套的湿润表面等燃烧室诸壁画的换热量W Q 是能量守恒方程中的一个部分。根据工质对燃烧室周壁面的瞬时平均换热系数g 和壁面的平均温度W T ,可以计算出W Q 。按传热学中的牛顿公式,单位曲轴角的换热量可写成:(=31311i i Wi i g Wi W T T A d dQ d dQ (2-38 式中 角

44、速度;g 瞬时平均换热系数;A 换热面积;T 气缸内工质瞬时温度;吉林大学硕士学位论文- XXV -w T 壁面的平均温度;i=1气缸盖;i=2活塞;i=3气缸套。气缸套的湿润表面3A 随的变化值,可按活塞位移公式算出。活塞位移随的变化为:( +=180sin 11180cos 11222S x (2-39 气缸套湿润表面面积3A 为:(x S D A c +=3 (2-40式中 c S 余隙高度。计算工质和燃烧室诸壁面的瞬时换热量的关键是确定瞬时平均换热系数g 。现有的内燃机瞬时平均换热系数g 的计算公式较多,基本上可归纳成两大类:纯经验公式和准则公式。目前还经常被引用的纯经验公式如Eich

45、elberg 公式,准则公式如Woschni 公式、Sitkei 公式等。由于影响气缸内工质换热的因素较多,问题比较复杂,加之各研究者对影响换热过程诸因素的不同理解,以及试验机型及条件不同,各公式之间差异较大。下面介绍几种g 计算公式。1.Eichelberg 公式(1939 本公式是纯经验公式,试验是在非增压、低速大型二冲程柴油机上进行的。后来的一些研究者指出,该公式中对活塞平均速度m C 的作用估计偏低。由于本公式很简单,目前还经常被引用。g =T p C m 38.7 (2-412.Wosckni 公式(1970年 Wosckni 公式是以如下的短管内受迫流动对流换热准则方程为根据:8.

46、0Re 035.0=Nu (2-42在直喷式和预燃室式四冲程增压柴油机、火花点火式汽油机上进行比较广泛的试验,整理得出的公式。本公式适用范围较广,目前被广泛采用,但使用本公式时,式中的稳流吹风试验切向速度u C 等不容易准确地被确定。ABSTRACT(8T 气缸内工质温度,K ;D 气缸直径,m ;m C 活塞平均速度,m/s ;a p 压缩始点时的气缸内工质压力,Mpa ;s T 压缩始点时的气缸内工质温度,K ;a V 压缩始点时的气缸内工质压力气缸容积,3m ;s V 气缸工作容积,3m ;0p 发动机倒拖时的气缸压力,MPa ;u C 稳流吹风试验时,风速计叶片的切向速度;1C 气流速

47、度系数;2C 燃烧室形状系数;3.Sitkei 公式(1972年 Sitkei 公式从下列准则方程出发7.0Re =Nu (2-44并在直喷式四冲程小型柴油机上进行试验整理得到计算公式。本公式在小型柴油机计算中目前还较常被引用:e g C p T d b += (2-45 式中 e d 当量直径,h D h D d e 22+=,m ;D 气缸直径,m ;h 曲轴转角为时,活塞顶面至气缸盖燃烧室表面的距离,m ;T 气缸内工质温度,K ;P 气缸内工质压力,MPa ;m C 活塞平均速度,m/s ;b 经验常数;4.朱访君公式(1988年由于各g 计算公式差异较大,在分析现有的瞬时平均换热系数

48、g 各计算公式的基础上,从目前传热学中普遍认同的短管内受迫流动换热的准则方程8.0Re =C Nu 出发,根据实验数据及应用误差理论和回归分析处理,得出吉林大学硕士学位论文 - XXVII -一个回归公式:8T 气缸内工质温度,K ;p 气缸内工质压力,Mpa ;m C 活塞平均速度,m/s ;a p 压缩始点时的气缸内工质压力,Mpa ;a V 压缩始点时的气缸内工质压力气缸容积,3m ;V 气缸瞬时容积,3m ;考虑到燃烧后缸内压力迅速增加产生扰动对换热系数g 的影响而引入了附加系数b ,研究表明,系数b 与max p 明显线性相关。式中 max p 最高燃烧压力,MPa 。若采用工程单位

49、制,式(2-46,式(2-47分别整理为: 82.4燃烧放热率的计算 气缸内燃料燃烧的瞬时燃烧放热率按下式确定d dX H g d dQ u u f B = (2-50 气缸内燃料燃烧百分数X 是表示某曲铀转角时,累计已燃烧掉的燃料量B m 与循环喷油量f g 之比,即:%100=fB g m X (2-51ABSTRACT式中 u 燃烧效率;d dX 燃烧速率,或称放热率。 由于内燃机的燃烧过程极为复杂,燃烧放热率(f d dQ B =或(f d dX =的函数形式显然将是极为复杂的。它与燃烧的物理、化学过程,发动机的结构参数及运行参数等众多因素有关,难于用一个精确的数学方程式进行描述。目前

50、确定d dQ B 或d dX 常用下列几种方法: (1利用现有发动机的实测示功图进行数值分析,计算出燃烧放热率d dQ B (或d dX ,以此作为已知输入数据进行工作过程计算。这种方法接近实际燃烧过程,但需有母型机,并要求有较精确的实测p 示功图及有关实测参数。(2采用半经验公式,并选择适当的经验系数,模拟实际的燃烧规律。目前国内外较通用的计算放热率的半经验公式是韦柏公式。此外,有时也用一些简单数学函数模拟实际燃烧过程。不论是只用韦柏函数或其它简单数学函数去模拟实际燃烧放热规律的燃烧模型,这些均称经验燃烧模型或零维燃烧模型(3准维燃烧惯型。从实际燃烧的物理、化学过程出发,建立简化的燃烧模型,

51、模型考虑燃烧过程的中间细节,如油束的形成和发展,油滴与空气的相对运动、气缸内工质温度分布、油滴及油气浓度分布等因素,划分区域进行计算,这种模型较为接近实际燃烧过程。要精确模拟内燃机的实际燃烧过程需要在气缸内建立三维非稳态计算模型。这种模型考虑流体的可压缩性和粘性,考虑油束贯穿、油滴破碎、气化及空气的卷吸,考虑紊流扩散和混合。将燃烧室空间划分成足够多的且随实际过程进行而相应“压缩”、“膨胀”曲立方网格,在每个网格上建立Navier Stokes 方程,然后求解这些成千上万个方程的微分方程组。诚然,目前要建立这种精细模型是相当困难的,要求解如此大型的微分方程组仍嫌当今计算机计算速度不够。下面对本系

52、统所采用的用实测示功图计算燃烧放热率的方法进行叙述。目前关于利用实测示功图计算燃烧放热率的文献资料很多它们的原理吉林大学硕士学位论文- XXIX - 都是根据气缸内的能量守恒方程进行计算的:d dQ d dW d dU d dQ w B += (2-52 方程式(2-52的物理涵义是:气缸内燃烧放热率等于气缸内工质的内能变化率、作功变化率及散热率的总和。数值计算中常用差商代替微商:+=W B Q W U Q (2-53 在步长曲轴转角内有:W B Q W U Q += (2-55 在一个工作循环内,可用通式表示;Wi i i Bi Q W U Q +=(2-56 为了计算步长内的燃烧放热量B

53、Q ,可以根据实测的p 示功图及有关参数,分别算出内能变化量U 、作功量W 和散热量Qw 。具体的计算步骤为:(1内能变化量a u a u T c M T c M U = (2-57式中 M 该瞬时气缸内工质千克摩尔数;a M 燃烧前(通常选择压缩始点作为计算始点气缸内工质摩尔数; u c 该瞬时气缸内工质的平均定容摩尔比热容;T 该瞬时气缸内工质温度;a T 压缩始点时刻气缸内工质温度。(2作功量根据实测示功图中的压力值i p 可算出作功量(112+=i i i i i V V p p W (2-58(3工质与燃烧室周壁面的换热量换热量Qw 计算,即(=3161i wi i g w T T

54、A n Q (2-59 根据式(2-56,在第i 个计算时间间隔(步长内,燃烧放热量BiQ ABSTRACT等于U 、i W 及wi Q 的总和。2.5热力过程计算中需要注意的几个问题燃烧放热率计算在燃烧过程模拟计算中起着非常关键的作用。具有足够精度的燃烧放热曲线为对燃烧过程进行较为可靠的定性分析与描述提供了 切实的基础。在测得内燃机的实际工作示功图后,对其进行必要的处理,关系到能否精确还原出放热规律。在这里讨论了在燃烧放热率计算中影响放热率曲线精度的各种因素。一.放热率计算误差分析9燃烧放热率计算的理论基础是热力学第一定律,实践基础是实验测得的p 示功图数据。因此,影响计算精度的因素主要来自

55、两个方面:输入数据的测量误差;计算误差。(1热力学上止点误差的影响计算气缸容积时产生的误差主要归结为上止点的误差和压缩容积的误差,其中来自测量示功图时的上止点定位误差是主要的。柴油机的计算结果,当上止点定位偏差1A 时,引起放热百分率X 值的最大偏差约7%-9%,最大放热率maxd dQ B 的偏差约3%,所以放热率的计算结果对上止点定位误差相当敏感,其影响是相当显著的。在计算放热率时必须对上止点的位置进行适当的修正才能不影响计算的精度如图2-3。 图2-3 上止点误差对放热百分率的影响吉林大学硕士学位论文 - XXXI -(2压力零线漂移误差的影响由于测量示功图的传感器的温度特性、放大器的动态特性及发动机的振动等都可能导致压力零线发生漂移,当压力零线误差为0.02MPa 时,引起X值的偏差在压缩阶段约为2%,在燃烧阶