内燃机工作过程计算讲解课件

1、内燃机学第十二章 内燃机工作过程计算第一节 内燃机计算模型第二节 柴油机实际工作过程的循环数值计算 一. 基本微分方程 二. 气缸内实际工作过程的计算 三. 进、排气系统内过程的计算第三节 汽油机实际工作过程的循环数值计算 内燃机工作过程三维仿真 目的与要求：1.熟悉内燃机简单的工作过程计算法及有关因素的考虑方法2.熟悉内燃机缸内燃烧及进排气总管内流动计算的方法3.熟悉汽油机采用双区模型的原因及处理方法 引言国外情况：仿真计算7080%高可信度、高水平计算的条件：(1) 模型模拟精度高；模型被广泛验证、问题考虑全面；(2) 以大量试验数据为基础；(3) 以全面、完整、大型数据及模型库为支撑；(

2、4) 计算工具先进。GT-POWER；BOOST；FIRE；KIVA第一节 内燃机计算模型一单区模型（零维模型热力学模型）柴油机dT/d=f(,T)；或dt/d=f(,T)二双区模型（两个相对独立的子区零维模型）汽油机dTi/d=f(,Ti)；或dTi/d=f(,Ti)；i=1,2三多区模型dTi/d=f(,Ti)；或dTi/d=f(,Ti)；i=1,2，nFlueNT，KIVA等以有限差分方法为基础的模型属于此。Flotran/Ansys等以有限元方法为基础的模型也基本属于此。但有限元法在每个区内的参数可以非均布 多维。第一节 内燃机计算模型四准维模型 目的：建立内燃机设计参数和运转参数与气

3、流、喷雾、燃烧过程（非零维过程）之间的关系，用来预测结构、运转参数变化后的燃烧特性。 作为补充，可以预估与空间参数不均匀（流动、混合气浓度、温度等）引起的部分性能（排放、燃烧、传热、爆振等）的变化。 准维模型有：油气模型、油滴模型、燃烧模型等 这类模型的基础是试验观察和物理猜测，模型的数学求解比较简单。耦合到零维空间后，一般假设参数变化并不因耦合而变化。第一节 内燃机计算模型五一维模型 参数=f(参数，或，x)为利用波动效应，需要计算进排气管内的压力波。p=f(x,p)偏微分方程：p/x=f(x，p)；p/=f(x，p)；求解困难得多。目前多数发动机整机性能预测软件中的进排气管、供油油管等管路

4、的计算采用一维模型。六二维、多维模型 参数或其导数=f(参数,或，x，y，z)；如p=f(x,y,z,p,T) 叶轮的三元流计算。多为专用软件。第一节 内燃机计算模型 本章主要以柴油机的单区模型、汽油机的双区模型为基础简单介绍其工作过程计算。 简单工作过程计算的意义：（1）是基础，任何内燃机工作过程、性能计算其基础问题是一样的。各阶段的处理特点也相同。初始参数、边界条件的选取也一样。（2）简单工作过程计算对预测内燃机总体性能参数（如：功率、转矩、油耗率等）精度很高，是新机型设计初期必需的研究工作。（3）可以对发动机的调整特性进行较高精度的研究。 因此高水平的软件，如GT-POWER、BOOST

5、、WAVE其核心即为一简单内燃机工作过程计算（零维）+部分准维喷雾等模型+管道内的一维流动。 第二节柴油机工作过程计算对象：四冲程直喷柴油机缸内计算 总体性能指标分析 (a) 指示指标 + 机械损失（效率）（已经介绍）有效指标(b)气体状态方程pV=mRT实际气体修正系数Z pV=ZmRT1*只要得到一个方程只含一个未知数P解决问题！指示指标示功图P=f(V)；P=f() 缸内循环压力P分析 pV=ZmRT1(c) 实际气体修正系数Z= f(T，)，经验公式(d)瞬时过量空气系数（）的定义： = mL/(0*mB)= (m- mB)/(0*mB)； mL缸内空气量 mB缸内燃料量(废气量要折合

6、成燃料量) m缸内总质量 0理论空燃比 mL 、mB可由：进排气准稳定流动计算、扫气模型、喷油规律模型(放热规律)定。*有了一个方程，但有三个未知数P、T、m 分析 需要：T=f() , m=f() P=f()(e) 质量m质量守恒:m=0 ；质量的变化由进排气准稳定流动计算 ；扫气模型；喷油规律模型(放热规律)计算确定；(f)能量守恒方程：=0 假设计算基础：基本微分方程 （1）单区模型假设（零维假设）（2）工质物性参数=f(T，)；瞬时过量空气系数反映气体组成。CV，Cp，比内能u，工质焓h，hs，R,Z等=f(T，)（3）气体流入或流出气缸为准稳定流动（4）不计进排气系统内压力和温度波动

7、的影响目的：预估柴油机的总体性能指标（单区模型）基本方程 （1）实际气体气体状态方程： pV=ZmRT 1 （2）质量守恒方程： dm/d=dmB/d+dms/d+ dme/d 2 （3）能量守恒方程： dU/d=dQB/d+ dQW/d+ dW/d+ hsdms/d+hdme/d 3 dQw/ddQB/ddmB/d hSdmS/dhdme/ddU/ddm/d dW/d基本方程 （1）实际气体状态方程：pV=ZmRT 1 （2）质量守恒：dm/d=dmB/d+ dms/d+ dme/d 2 （3）能量守恒：dU/d=dQB/d+ dQW/d+ dW/d+ hsdms/d+hdme/d 3 dW

8、/d=-pdV/d dU/d=d(mu)/d=udm/d+mdu/d *1全微分：du/d=du(T,)/d=u/T*dT/d+u/*d/d 上述全微分代入*1式，再代入能量守恒方程，经推导可得： dT/d=1/(mu/T)*( dQB/d+ dQW/d-pdV/d+hsdms/d+ + hdme/d-udm/d-mu/*d/d) 基本方程分析dT/d=1/(mu/T)*( dQB/d+ dQW/d-pdV/d+ hsdms/d+ +hdme/d-udm/d-mu/*d/d) （1）m、dm/d喷油规律；质量守恒；扫气模型 （3） u/T、hs、h、u、u/、d/d= f(T，)已知 （4）瞬

9、时过量空气系数:= mL/(0*mB)= (m- mB)/(0*mB)喷油规律；质量守恒；扫气模型 （5）dQB/d喷油规律、放热规律 （6）dQW/d缸内传热 （2）dms/d、dme/d进排气准稳定流动计算 （7）pdV/dp实际气体气体状态方程；dV/d内燃机运动学计算 式 dT/d=f（T, ） dT/d=f（T,）解法思路简介 数值解法：离散法。（1）离散。将时间区域离散化，步长=i+1-i 0,1,i-1,i,i+1, （2）分段拟合。分段低次函数代实际函数。（折线曲线）（3）每段内可分段或分几段积分求和。常微分方程求解：（初值问题） dT/d=f（T,）初值：T(0)=F(T,0

10、)=T01欧拉折线法1欧拉折线法： 用 i点的斜率f（Ti,i）代替ii1段上的斜率。 0123TT0T1T2T3T=F()常微分方程求解：（初值问题） dT/d=f（T,）初值：T(0)=F(T,0)=T02. 改进欧拉法2.改进欧拉法 用i点和i1点斜率的均值代替该段上的斜率0123TT0T1T2T3T=F()需要迭代在曲线斜率作为纵坐标T= dT/d=f（T,）的图中 欧拉法用矩形面积代替实际积分面积；而改进欧拉法用梯形代替 T=dT/d=f(T,)ii+13Runge-Kutta法 为了提高精度，同时降低计算次数（不迭代）。 T=dT/d=f(T,)ii+1 思路：用几条接近实际斜率曲

11、线的水平线（斜率）的线形组合代替此段斜率曲线。常用的是4阶Runge-Kutta法。由4条（在T上为水平线）线组合： T1T4T2T3/6/6/3/3基本方程各项计算dT/d=1/(mu/T)*(dQB/d+ dQW/d-pdV/d+ hsdms/d+ +hdme/d-udm/d-mu/*d/d)已推出dT/d=f（T,） 已会解 工质物性参数=f(T，)= f(T，) 瞬态气体常数R 工质物性参数=f(T，) 瞬态定容平均比热容Cvm工质物性参数=f(T，) 瞬态绝热指数k工质物性参数=f(T，) 比内能u工质物性参数=f(T，) 焓h（1）气缸工作容积：dV/ddT/d=1/(mu/T)*

12、(dQB/d+ dQW/d-pdV/d+ hsdms/d+ +hdme/d-udm/d-mu/*d/d)（1）气缸工作容积：dV/d （2）进气质量流：dms/d进气均为亚临界流动s=a-b(hv/Dv)chv气门瞬时升程Dv气门阀盘内径fs进气门瞬时几何流通截面积（2）排气质量流：dme/d当（p/pT）(k+1)/ 2k/(k-1) 1.9 时为超临界流动。流动和压差无关当（p/pT）(k+1)/ 2k/(k-1)时为亚临界流动（3）传热计算：dQW/d其中：充量更换时取 c1=6.18+0.417cu/vm； 压缩和膨胀冲程取 c1=2.28+0.308cu/vm； c2=3.24103

13、 m/(s.K)cuDnD气道在稳态试验台上的空气圆周速度nD气道稳态试验台上的风速仪转速；V1压缩开始时工质容积；Vs气缸工作容积； p燃烧时工质的压力；T燃烧时工质的温度；p1压缩开始时工质的压力；T1压缩开始时工质的温度；p0没有燃烧时工质的压力；vm活塞平均速度；D气缸直径。（4）燃烧放热规律：dQB/d；放热率dx/ddQB/d=Hu*gf*M*dx/dx已燃燃料的百分比；dx/d放热率0燃烧起始角；Z燃烧持续角m燃料品质系数。 （4）燃烧放热规律：双韦伯公式 x=x1+x2=1-exp-6.908*(-0)/ZP (mp+1)(1-Qd)+1-exp-6.908*(-0-)/Zd

14、(md+1)Qd-(扩散燃烧比例) 喷油定质量变化dmB/d与放热规律定dQB/d。 两种规律原则不同，但喷油规律与燃烧质量规律的差别对总体参数的预估影响较小。 低速机多为单峰，单峰也可用双韦伯公式（精确）；目前，为了降低排放，着火已经在上止点后，速燃期燃烧量少，双峰不明显，用单韦伯公式也较精确。几何供油规律实际喷油规律燃烧规律喷油延迟着火延迟（4）燃烧放热规律：双韦伯公式机型QdZP/AdP/A高速开式燃烧室增压0.60.814186580高速半开式燃烧室0.60.816206580中速增压0.60.812146075低速增压0.60.830405070高速预燃室燃烧室0.60.814188

15、095Qd、 ZP 、 dP推荐值dx/dQpQdmpmdZdZPZ（4）燃烧放热规律：余弦放热率曲线x=0.5*(1-cos(-0)/ZP ) 滞燃期的计算公式研究者计算公式1.H.H.WolferID=0.44p-1.19exp(4650/T)2.N.Watson-M.MarzoukID=3.52p-1.02exp(2100/T)3.Henein-BoltID=0.146exp(5250/RT)4.SitkeiID=0.5+(0.133p-0.7+4.63p-1.8)exp(375648/RT)5.江少军，顾宏中ID=0.1+2.672p-0.87exp(1967/T)6.J.H.Ship

16、inskiID=0.0271(40/CN)0.69p-0.386exp(8360/T)7.K.C.Tsao(曹克诚)ID=(123/p+0.415)(-36.3/T+0.0222)n +(47.45/T*103-26.66)+(T/1000-1.45)*(1000-n/60)8.HiroyasuID=4*10-3p-2.5-1.04exp(4000/T)（5）平均机械损失压力：pmm pmm=0.0062+0.016pzmax+0.00003n (MPa) 为了由指示指标 有效指标 机械损失（效率）pmm=6.7D-3.29+89D-0.9451-(n/n0)2 (Dmm；bar) pmm=D

17、-0.1778（0.0855vm+0.0789pme-0.214) (Dm；kgf/cm2) 二.气缸内实际工作过程的计算 (1)压缩期与(2)膨胀期 dT/d=1/(mu/T)*(dQB/d+ dQW/d-pdV/d+ hsdms/d+ +hdme/d-udm/d-mu/*d/d)dm/d=dmB/d+ dms/d+ dme/dpV=ZmRT没有质量得流入和流出 dm/d=0；dms/d=0；dme/d =0；dmB/d=0也没有化学反应发生 dQB/d=0 ； d/d =0；=constdT/d=1/(mu/T)*(dQW/d-pdV/d)(3) 燃烧期dT/d=1/(mu/T)*(dQB

18、/d+ dQW/d-pdV/d+ hsdms/d+ +hdme/d-udm/d-mu/*d/d)dms/d=0；dme/d =0 不考虑着火延迟，不考虑喷油规律与燃烧放热规律不同造成的质量变化差异（两者并不一样）dm/d=dmB/d= 1/Hu*dQB/d空气量没有变mL=Const， dmL/d=0 （化学反应后的产物要折算回去） = mL/(0*mB)d/d=1/(0*mB)(dmL/d-mL/mB*dmB /d) =-mL/(0*mB2*Hu)*dQB /d)dT/d=1/(mu/T)*(dQB/d+ dQW/d-pdV/d-udm/d-mu/*d/d)(4) 换气阶段缸内是均值的：（完

19、全混合模型）微分方程内除 dQB/d=0（无燃烧）外，项项俱全纯排气：=Const；d/d=0；dmB/d=mB/(mB+mL)dme/d；dmL/d=mL/(mB+mL)dme/d 尽管dmB/d 0；但是dQB/d=0（无燃烧）纯进气：燃料量mB=Const；dmB/d=0；dmL/d=dms/dd/d=1/(L0mB)dmL/d=1/(L0mB)dms/d扫气简单的处理方法： 扫气可以想象成先分成n段，每段再等分成两段：前一段排气，后一段进气。前一段排气=Const，后一段进气将变化，但变化率计算方法 dms/d(/2)=2dms/d 再由/2均布到 流量依然为dms/d，但燃料量要减去

20、排出的量dmB=mB d/d=1/L0(mB+dmB)dms/d；如果间隔足够小可不考虑dmB的影响dmBmB。 d/d1/(L0mB)dms/d 和纯进气不同，每步mB在变计算流程 读入原始数据确定计算步长，V，V，fBB，fSS等计算初始值，压缩起点始燃烧开始？燃烧结束？排气阀开？排气阀关？开始x，QBm， Qw，W=pVme mB，hme mB、x=0进气阀开？YNYNYNYNmS，hS，Y=0 x， ，mN解方程求： T ，T，m，x， ，P循环完成？NY校核p，误差5%？N计算性能Y校核Pe，误差1%？N输出，p，T结束Y三.进、排气系统内过程的计算 缸内工作过程计算暗含了一条假设：

21、进出气缸环境压力与温度是一定的、已知的。 1容积法：进排气管内的压力取决于气体对容器的填充排出。将不稳定流动作为准稳定流动处理，只能考虑压力随时间的变化，不能考虑其随空间的变化。2假设： （1）零维模型 （2）工质物性参数=f(TT，T)；T瞬时过量空气系数 （3）气体流入或流出为准稳定流动 3适用范围 对恒压增压系统的排气管计算；对低速短进气管、总管容积大的柴油机（不考虑脉动效应）；脉冲增压的中低速柴油机、三缸一根排气管的高速机(相互间无干扰) ，可近似采用该方法。三.进、排气系统内过程的计算 4基本方程： 对外作功dW/d=-pdVT/d=0，dVT=0； 无燃烧；dQB/d=0，dmB/

22、d=0 （1）实际气体状态方程：pTVT=ZTmTRTTT（2）质量守恒：dmT/d=dmTs/d+dmTe/d dmTs/d=(dms/d)i（3）能量守恒：d(mTuT)/d=dQTW/d+ hs*dmTs/d+hTdmTe/d全微分：duT/d=duT(TT,T)/d =uT/TT*dTT/d+uT/T*dT/ddTT/d=1/(muT/TT)*dQTW/d+ dmTs/d(hT-uT)+ +dmTe/d*RTT-mTuT/T*dT/d 第三节 汽油机工作过程计算 1燃烧段的双区模型 2假设： （1）火焰前锋面很薄，并将燃烧室分成已燃区与未燃区两区 （2）两区p相等，T、m等不同。但各区

23、内参数均匀，仅随时间变。（零维双区模型） （3）两区间无热量交换 3基本方程 （1）能量守恒方程 （2）质量守恒方程 （3）气体状态方程 （4）容积限制方程 点火已燃区未燃区V2 T2m2 u2 pV1 T1m1 u1 p dm2/d=-dm1/d3基本方程（1）能量守恒方程 未燃区：d(m1u1)/d= + dQW1/d-pdV1/d-h1dm1/d已燃区：d(m2u2)/d=dQB2/d+ dQW2/d-pdV2/d+h1dm2/d（2）质量守恒方程m=m1+m2=const dm1/d=-dm2/d （3）气体状态方程 未燃区： pV1=Z1m1R1T1 已燃区： pV2=Z2m2R2T

24、2 （4）容积限制方程V=V1+V2dV/d=dV1/d+dV2/d各项求解 如何确定：V2、(d V2/d)、m2、(dm2/d) 、 dQB2/d注意： （1）由燃烧室结构、火焰传播速度、活塞的运动 V2 d V2/d V1 d V1/d （2） 未燃区V1内工质均匀(dm1/d)/ m1=(dV1/d)/ V1 （3）V1内油气是均匀的（瞬时空燃比0 =C）m1 中含油的比例= mb1/(mb1+0 mb1)=1/(1+0)（4）汽油机燃烧阶段：瞬态过量空气系数=const dmb2/d=-1/(1+0)*(dm1/d)=1/(1+0)*(dm2/d) （5）dQB2/d= Hu* dmb2/d= Hu*1/(1+0)*(dm2/d) 4火焰传播速度未燃区：d(m1u1)/d= + dQW1/d-pdV1/d-h1dm1/d已燃区：d(m2u2)/d=dQB2/d+ dQW2/d-pdV2/d+h1dm2/d4火焰传播速度（1）ST火焰传播速度（2）SL层流火焰传播速度 （3）A=const,A5；指数n=0.51 废气涡轮增压柴油机热力系统划分（1）运动与动力学模拟(运动、力传递、振动、噪声等)（2）结构模拟（3）热模拟（4）流动、