第五章-内燃机工作过程计算

第五章内燃机工作过程计算内燃机热力系统的划分气缸内热力过程的基本微分方程式内燃机燃烧放热率进排气系统内的热力过程废气涡轮增压子系统发动机性能参数计算内燃机热力系统的划分废气涡轮增压器子系统（涡轮机压气机功量平衡、空气流量相等和转速相同）空气中间冷却器子系统（是一个节流降温的换热器件）进气管子系统（方法一：将进气管内压力和温度视为常数，方法二：容积法）排气管子系统（方法一：容积法；方法二：特征线法）若忽略排气过程沿排气管长度方向上的排气压力波的传播、反射和叠加现象，将排气过程视为排气对排气管容积的充填与排空过程，且在整个容积内压力等参数处处相等，不随空间坐标位置而变化，压力等参数只随曲轴转角而变化，满足零维假设，这种处理方法称为排气管过程计算的“容积法”。若排气管内压力等参数不单随曲轴转角而变化，还随沿排气管长度方向、即x坐标方向而变化，这时压力等参数是φ和x的函数，p＝p(x，)。这是排气管子系统计算的一维模型，通常用“特征线法”或“高精度差分格式（TVD）计算。气缸子系统新鲜充量经进气系统进入气缸子系统，废气由气缸子系统流入排气管，子系统与外界进行质量交换。气缸子系统在压缩、膨胀作功过程中与外界进行功量交换。同时气缸子系统还与外界发生热量交换。气缸内热力过程的基本微分方程式jjjiidmhdQdWdUddVpddWmduudmumddU)(ddQddQddQwBiiddmhddmhddmheessjjj)()(dduddTTumddmudumdddmhddmhddVpddQddQdumdeesswB)()(1ddumddmuddmhddmhddVpddQddQcmddTeesswBv)(1ddmuddmhddmhddVpddQddQcmddTeesswBv忽略工质成分对比内能的影响，有：ddmddmddmddmBes质量守恒方程：ddXgddmddmddmfesuujBHddXgddQ理想气体状态方程mRTpV气缸内各阶段的热力过程分析内燃机燃烧放热率阿累尼乌斯定律韦柏函数模拟燃烧放热率双韦伯函数叠加模拟燃烧放热规律阿累尼乌斯定律1889年，阿累尼乌斯由实验得出了反应速度常数和温度的定量关系式：RTEAek式中：A，E为实验常数。将阿累尼乌斯方程代入反应速度方程得到化学反应速度方程中即得：BARTEACCeAdtdC设有反应：A+B→产物则化学反应速度可以表示为：BAAACCkdtdC韦柏函数模拟燃烧放热率一般认为同，内燃机燃烧反应是热链式反应，链式反应的化学性质是由反应过程中形成的活化中心的数量确定的，50年代，韦伯根据链反应理论提出的描写内燃机燃烧速度的半经验公式，认为参与化学反应的原始物质的分子数与能引起有效反应的活化中心数目成正比。设dN和dNef分别是某时间间隔内参与有效反应的原始物质的分子数和有效活化中心的数目，则dtdNndtdNef有效活化中心产生的速度对原始物质分子数的比值，称为这一时刻有效活化中心的相对密度，NdtdNefNNndtdNNtNdtnNN00lntndtneNN00用x表示时间t内已参加化学反应的原始物质的百分数，则这一时间内尚未参加化学反应的原始物质的百分数为：01NNxtndtnex01dtnntnendtdx0上式的推导是根据链式反应的基本概念，所导出的化学反应速度方程的普遍形式，对于工质均匀的汽油机是比较适宜的。这也是韦伯燃烧规律的表达式，具有普遍的意义。完全应用链式反应理论来描述柴油机燃烧过程的放热规律是困难的，推导韦伯过程的物理模型还不完全符合柴油机的燃烧过程，但根据柴油机燃烧过程的有关资料，利用韦伯公式的基本形式，建立起能反映柴油机燃烧过程的当量燃烧规律，实践证明还是可行的。柴油机当量燃烧规律定义函数：tNdtntf0)(t=0时，即化学反应开始时x=0,f(t)=0;燃烧反应过程中，有效活化中心的相对密度没有突变，即f(t)为连续函数;f(t)为增函数；t→无穷大,f(t)→无穷大;t→无穷大,dx/dt=0;燃烧速度曲线下面的面积应当等于1.将ρN=φ(t)的关系式用指数函数的形式表示，即：mNtK*：式中:K*比例系数；m反应燃烧过程中有效活化中心相对密度随时间变化的特性参数，下面又称燃烧品质指数或形状系数)在柴油机燃烧过程中，若取比例系数n=常数，则10*01)(mtmtNtmKdttnKdtntf*nKK可以推导出柴油机燃烧规律的半经验公式：111mtmKex11mtmKmeKtdtdx11mZtttCex柴油机燃油燃烧的方程式：(tZ为燃烧结束时间）908.6)999.01ln()1ln(zxC1908.61mZtttex1(908.61908.6mZttmZZetttmdtdx化成曲轴转角韦伯公式中的燃料燃烧百分数X及x的变化率如下：1)(908.61mZBeX1)(908.6)(1908.6mzBemddXmZBz讨论：本质上讲韦伯公式是用阿累尼斯定律的形式描述放热率；m与实际放热率形状有关；通常用凑试方法得到，可以计算出一个与实测示功图很接近的示功图，其计算出的发动机最大爆发压力和平均指示压力在允许的精度范围内。Wiebe函数在循环计算中有广泛的应用，如增压器匹配计算、进排气系统设计或计算出的示功图作为强度计算输入数据。双韦伯函数叠加模拟燃烧放热规律21XXXddXddXddX211dpQQ)1(111)()21(908.61dQeXpmBpmdQeXdmBdmzd11)()1(908.621)1()()21(908.6)1(11)()21(908.611dmBmpQemddXpmBpmppdmBmzddQemddXdmBdmzddd11)()1(908.612)()1(908.6)1(进排气系统内的热力过程¡ª压气机；2—进气管；3—内燃机气缸；4—排气管；5—涡轮机；6—中冷器。排气管子系统容积法特征线法进气管子系统排气管内的热力过程(容积法)忽略排气系统中压力波沿管长方向上的传播、反射和叠加现象，认为同一瞬时中排气管内各点的状态是均匀的。认为排气管中的状态参数只随时间t(或)而变化。并且在足够小的计算步长Δ内，把排气管内不稳定流动简化为准稳定流动。排气从气缸经排气阀流入排气管，总是由n个气缸依次流入同一根排气管。实际排气的气体常数RB变化很小，故取RB=常数。在排气管内，排气不对外做功。niwBTTieeBBddQddmhddmhdumd1)()(niTieBddmddmddm1)(BBBBBTRmVpniBBvBwBTTieeBvBBddmTcddQddmhddmhmcddT1])([1进气管内的基本微分方程ddmddmddmsss31222222sssssTRmVpddQddmhddmhdumdwsinissssss211122)(nisswsisssssvssddmuddQhddmhddmmCddT1222112221废气涡轮增压子系统dtdmkηksηmk23NkηTKNTηTSηmT4涡轮增压器热力系统图dtdm涡轮基于压气机功率平衡；涡轮机与压气机转速相等，并且在一个循环内可认为转速时恒定的；通过涡轮的废气流量应等于通过压气机的空气流量与循环喷油量的总和。0TKNNmKKskskKiidtdmN1)(211134131331121133]}1)[(//111{kkkkTKkTppTTdtdmdtdmkkkkppkskkkppTTT1]1)[(11112112dtdmdtdmdtdmfKT发动机性能参数计算cyciJdddVpW,PaSDWpimj,42mimmimpppMPanppm,00003.00016.00062.0maxMPappmmime,)/(,106.36hKWgWgbifi)/(,hKWgbbmieKWnipSDPmee,3010432iuibH6106.3miecyckgdddmmcycss/,skginmmsk/,260fagLm096.28sssavRTpVm天然气发动机凸轮型线设计基本思路:(1)燃烧持续期比柴油长,排气门晚开,增加膨胀行程(2)着火温度高,增加残余废气,扩大稀燃极限,降低NOx排放(3)气道喷射,减少扫气凸轮型线计算结果100012001400160018002000220024000.0150.0200.0250.0300.0350.040残余废气系数转速（r/min）原机S1S210001200140016001800200022002400195200205210215220225BSFC(g/kw.h)转速（r/min）原机S1S201000200030004000500015oBTDCNO/10-6origincamS1camS2cam01000200030004000500020oBTDCNO/10-601000200030004000500025oBTDCNO/10-60.650.700.750.800.850.900.951.0001000200030004000500030oBTDCNO/10-6Equivalenceratio()(1000r/min96.5kPa)246815oBTDCPmax/MPaorigincamS1camS2cam246820oBTDCPmax/MPa246825oBTDCPmax/MPa0.650.700.750.800.850.900.951.00246830oBTDCPmax/MPaEquivalenceratio()(1000r/min96.5kPa)20022024026028030015oBTDCBSFC/(g/kW.h)origincamS1camS2cam20022024026028030020oBTDCBSFC/(g/kW.h)20022024026028030025oBTDCBSFC/(g/kW.h)0.650.700.750.800.850.900.951.0020022024026028030030oBTDCBSFC/(g/kW.h)Equivalenceratio()(1000r/min96.5kPa)凸轮型线实验结果两级增压器匹配VNT开度计算100012001400160018002000220024001.00.80.60.40.20.0100200300400500600700VNT开度（fraction）扭矩(N.m)转速(r/min)