内燃机工作过程计算指导书

内燃机工作过程计算一、内燃机实际工作过程的数值计算1、基本原理与公式在推导气缸工作过程计算的基本微分方程式时，作如下的简化假定：①不考虑气缸内各点的压力、温度和浓度的差异，并认为在进气期间，流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，缸内状态是均匀的，亦即为单区计算模型。②工质为理想气体，其比热、内能仅与气体的温度和气体的组成有关。③气体流入或流出的气流为准稳定流动。④不计进气系统内压力和温度波动的影响。⑴能量平衡方程式根据热力学第一定律，得出能量守恒方程的一般形式如下：()wseBsdQdmdmdQdmudWhhddddddm：工质的质量u：工质比内能QB：燃烧放出的热量Qw：通过系统边界传入或传出的热量W：作用在活塞上的机械功ms：通过进气阀流入气缸的质量me：通过排气阀流出气缸的质量hs和h：分别为进气阀前和气缸内气体的比焓1()(,).1()()wseBsdmududmmudddufTduudTuddTdddQdmdmdQdTdVdmudphhumuddddddddmT⑵质量平衡方程式通过系统边界的质量有：喷入气缸的瞬时燃油质量Bm、流入气缸的气体质量sm及流出气缸的气体质量em，质量平衡的微分方程可写为：seBdmdmdmdmdddd⑶气体状态方程式pVmRT⑷气缸工作容积222221[1cos(11sin)]21sincos(sin).21801sinhsshssVVVdVdhV气缸工作容积（3m）V气缸瞬时容积（3m）s曲柄连杆比（2sSL）dVd气缸容积变化率（3m/度）⑸传热计算公式气缸中的气体通过活塞顶面、气缸盖底面及气缸套的瞬时传热面进行热量传递。为简单起2见，通常将整个传热面分为活塞、气缸盖及气缸套三部分，用三部分传热面的平均壁温及按位置平均瞬时传热系数进行传热量的计算，计算公式为：33111()6wwgiwiiidQdQFTTddn（J/度）iF:传热表面积i=1和i=2活塞顶部和气缸盖21,24DF（2m）i=3气缸套3FDh（2m）wiT：传热表面的平均温度i=1活塞顶部112030273weTp（k）i=2气缸盖21007273weTpi=3气缸套31004273weTp注：ep为平均有效压力33010eehNpiVn（bar）其中：为冲程数，eN额定功率(kw)，hV为工作容积(3m)，n发动机转速（转/分），i气缸数。传热系数经验公式：1、G．Sitkei公式0.70.70.20.30.205(1)mgepCbTd2(/())wmKalf=0.205*(1+b)*pow((P/1000000),0.7)*pow(Cm,0.7)/(pow(T,0.2)*pow(de,0.3));注：b：为系数。对直喷式的为0~0.15,本设计选用0.09。22eDhdDh无量纲。24VhD（m）h为活塞顶到气缸盖底面距离。30msnC（m/s）活塞平均速度p气缸内工质绝对压力（MPa）3T气缸内工质绝对温度（K）2、佛劳姆（W.Pflanm）公式37.81gmCpT2(/())wmK注：符号和单位同上⑹燃烧规律对于一般性能预测和增压柴油机的匹配计算，采用代用燃烧规律可满足要求。经常使用的代用燃烧函数是韦柏的半经验公式：116.9086.908116.908mmymyzxedxmyedx：燃料燃烧百分比y：无因次时间函数0zy0：燃烧起始角：瞬时曲轴转角z：燃烧持续角m：燃烧品质指数由此可算出气缸中燃料燃烧时的瞬时放热率BubudQdxHgdd（J/度）bg：每循环喷油量30000eebNggni（kg）u：燃烧效率，对于柴油机稳定运算，可取1u⑺工质内能变化的计算柴油机工质为空气和燃烧废气的混合物，一般常用瞬时过量空气系数来表示，这样，工质的内能可表示为两个变量的函数(,)ufT可用于工质内能变化的经验公式很多，下面用的是Justi公式：4362420.750.80.930.04853.3646.4144.55[(0.0975)(273)10(7.768)(273)10(489.6)(273)101356.8]muTTT（J/kg）⑻机械功的计算公式dwdVpdd⑼气缸温度1()()wseBsdQdmdmdQdTdVdmudphhumuddddddddmT3、气缸内各过程的计算计算一般从压缩始点开始，压缩、燃烧和膨胀三部分为高压阶段，从排气门打开到进气门打开为止为排气期，以及延续到气门迭开期，接着是延续到进气门关闭的吸气期，这三个时期为工质更换阶段。⑴压缩期0,0dmddd1()()wdQdTdVpudddmT⑵燃烧期由于燃烧气缸内工质质量发生变化：1BBudmdQdmddHd任一时刻气缸内工质质量为：LBmmm工质成分也因燃烧发生变化，瞬时过量空气系数200LLBBBummdQdlmdlmHd可得：1()()wBdQdQdTdVdmudpumuddddddmT⑶膨胀期膨胀期气缸工质的质量不变，方程式和压缩期的一样，只是各项数值不同。51()()wdQdTdVpudddmT⑷换气过程1()()wsesdQdmdmdTdVdmudphhumudddddddmTsedmdmdmddd,,,,16seseseseuudmApdn122[()()]1uuukkkudduuukppkpp12()1uukkduuppk1122()11ukuuukkk12()1uukkduuppk下标u表示上游，d表示下游；s表示进气，e表示排气。01sBdmddlmd4、常微分方程的数值解法常用的数值解法有三种：欧拉法、改进欧拉法和龙格—库塔法。⑴欧拉法：2121()dTTTd⑵改进欧拉法：212112[()()]2TTdTdTTTdd⑶龙格—库塔法(略)5、工作过程计算程序编程步骤（1）定义初始和全局变量（2）编写Qb，Qw，dV，C，Cv各量的子函数6（3）从进气门关闭角开始计算，首先给定该角度的气缸压力、温度、残余废气系数（初始条件），计算出该角度下的体积、工质质量和（2）步骤的各子函数，以及该角度下的温度变化率dTd。（4）由式2121()dTTTd计算2角度的温度2T，通常取21=1度。（5）计算2角度的体积V、工质质量2m，再由2222/pmRTV计算此时的压力。返回到步骤（3），可根据2角度的值继续下一个角度的计算直到排气门打开，结束计算。（6）将计算的结果保存到“outdata.txt”文件中。二、应用Lotus软件计算内燃机工作过程1、点图标进入LotusEngineSimulation软件。72、选LotusEngineSimulation和Newblank.Simfile，新建一个模拟文件，OK，进入工作界面。3、点油箱图标，在右边设置为柴油Diesel和直喷DirectInjection，油箱图标变为。4、建单缸柴油机模型，从左边的图标框里选取气缸、进排气管路元件，连接成下图的模型：85、点气缸图标，到右边表格中设置气缸参数，Bore缸径，Stroke行程，CylSweptVolume气缸排量，Con-rodLength连杆长度，Pinoff-set活塞销偏置，CompressionRatio压缩比，CleareanceVolume压缩间隙体积，Phase发火相位角。有些参数有重复关系，显示为灰色。6、设置模型。CombustionModel燃烧放热模型，选单Wiebe函数OpenCycleHT和ClosedCycleHT开、闭循环壁面传热模型，选Woschni模型9SurfaceAreas燃烧室表面面积，Head/Bore缸盖与气缸截面积比值=1，Psiton/Bore活塞与气缸截面积比值=1.4，Explosureliner活塞上止点时缸套露出高度=1mm。SurfaceTemperatues表面温度设置，采用缺省设置，Head缸盖、Liner缸套材料设为CastIron铸铁。10或根据自编程序计算得到的活塞、缸套、缸盖温度分别设置。Scavenge-Cylinder换气阶段扫气模型，采用缺省设置。其它参数不用管。7、设置进排气系统参数点，设置进气门参数，ValveOpen（deg）开启提前角，ValveClose(deg)关闭迟后角，MaxLift最大气门升程=9mm，其它不管；点，设置NoofValves进气门数量=1，ValveThroatDia进气门座圈内径=40mm；点，设置排气门参数，ValveOpen（deg）开启提前角，ValveClose(deg)关闭迟后角，MaxLift最大气门升程=9mm，其它不管；点，设置NoofValves进气门数量=1，ValveThroatDia排气门座圈内径=36mm；进排气边界用缺省值。8、设计发动机运行工况条件点，点TestPoint，InsertNewTestPoint，设置转速11点Heat-Phase，Phaseoption设为UserDefined，设置Phaseangle放热提前角为=5度，即上止点前5度开始燃烧放热。点Heat-Period，PeriodOption设为UserDefined，设置ReleasePeriod放热持续角=60度。点Fuelling，CombustionOption=Efficiency+Maldistribution，FuellingOption=FuellingRate，FuellingRate=25mm3/inj（循环体积喷油量，不同工况喷油量不同）点BoundaryConditions，HumidityOption=RelativeHumidity相对湿度，设置RelativeHumidity=0.2，其它压力和温度条件为缺省值。129、保存和运行模型保存模型文件为2.sim，有时候保存不成功，可以先建一个同名文件覆盖保存。点，设置ExistingDataFileName为本模型文件2.sim，再点Use.sim，这样计算结果的文件就保存为同名文件2.mrs和2.prs。点，运行模型，跳出黑色计算窗口，计算结束后跳出计算结果调入窗口，勾上1、2、4号框，Load载入mrs和prs文件。1310、查看计算结果退回到主界面后，点可以查看计算结果的文本格式文件。要看懂里面的数据需要一定的专业英语基础。14点，可以查看转矩、功率、平均有效压力（BMEP）等随转速的变化关系曲线。由于本例只算一个转速工况点，在图上只能看到一个点。点，可以查看发动机在一个循环内的变化情况。进入界面后，在右边的坐标图中点右键，出现弹出菜单。点.prsFileAdd..载入计算对应的结果文件2.prs1，点左边模型中的气缸图15标，右边的坐标中将显示气缸内的压力、温度随转角的变化曲线。继续使用右键弹出菜单，点AutoscaleAllGraphs使4个图的比例尺为自动，则曲线完整显示。若要显示其它的信息，如缸内放热速率和壁面传热率，则继续使用右键弹出菜单，点.prsGraphStatus图片状态，把Graphs中第3、4行的内容改为CombustionEnergyReleaseRate和HeatTransferRate，点Apply和Autoscale后显示为：16若要输出缸压数据，选择右键弹出菜单的ListlineValue，然后保存文本。17或者，在File-Expo