內燃機工作過程計算指導書

1、內燃機工作過程計算一、 內燃機實際工作過程的數(shù)值計算1、 基本原理與公式在推導氣缸工作過程計算的基本微分方程式時，作如下的簡化假定：不考慮氣缸內各點的壓力、溫度和濃度的差異，并認為在進氣期間，流入氣缸內的空氣與氣缸內的殘余廢氣實現(xiàn)瞬時的完全混合，缸內狀態(tài)是均勻的，亦即為單區(qū)計算模型。工質為理想氣體，其比熱、內能僅與氣體的溫度和氣體的組成有關。氣體流入或流出的氣流為準穩(wěn)定流動。不計進氣系統(tǒng)內壓力和溫度波動的影響。能量平衡方程式 根據(jù)熱力學第一定律，得出能量守恒方程的一般形式如下： m：工質的質量 u：工質比內能 Q：燃燒放出的熱量 Q：通過系統(tǒng)邊界傳入或傳出的熱量 W：作用在活塞上的機械功 m：

2、通過進氣閥流入氣缸的質量 m：通過排氣閥流出氣缸的質量 h和h：分別為進氣閥前和氣缸內氣體的比焓質量平衡方程式 通過系統(tǒng)邊界的質量有：噴入氣缸的瞬時燃油質量、流入氣缸的氣體質量及流出氣缸的氣體質量，質量平衡的微分方程可寫為：氣體狀態(tài)方程式氣缸工作容積氣缸工作容積（） 氣缸瞬時容積（）曲柄連桿比（） 氣缸容積變化率 （/度）傳熱計算公式 氣缸中的氣體通過活塞頂面、氣缸蓋底面及氣缸套的瞬時傳熱面進行熱量傳遞。為簡單起見，通常將整個傳熱面分為活塞、氣缸蓋及氣缸套三部分，用三部分傳熱面的平均壁溫及按位置平均瞬時傳熱系數(shù)進行傳熱量的計算，計算公式為： （J/度）: 傳熱表面積i=1和i=2活塞頂部和氣缸

3、蓋 （）i=3 氣缸套 （）：傳熱表面的平均溫度i=1活塞頂部 （k）i=2 氣缸蓋 i=3 氣缸套 注：為平均有效壓力 （bar） 其中：為沖程數(shù)，額定功率(kw)，為工作容積()，n發(fā)動機轉速（轉/分），i 氣缸數(shù)。傳熱系數(shù)經(jīng)驗公式：1、GSitkei公式alf=0.205*(1+b)*pow(P/1000000),0.7)*pow(Cm,0.7)/(pow(T,0.2)*pow(de,0.3);注：b：為系數(shù)。對直噴式的為00.15,本設計選用0.09。 無量綱。 （m）h為活塞頂?shù)綒飧咨w底面距離。 （m/s）活塞平均速度 p氣缸內工質絕對壓力（MPa） T 氣缸內工質絕對溫度（K）2、

4、 佛勞姆（W.Pflanm）公式注：符號和單位同上燃燒規(guī)律 對于一般性能預測和增壓柴油機的匹配計算，采用代用燃燒規(guī)律可滿足要求。經(jīng)常使用的代用燃燒函數(shù)是韋柏的半經(jīng)驗公式：x：燃料燃燒百分比y：無因次時間函數(shù)：燃燒起始角： 瞬時曲軸轉角：燃燒持續(xù)角m：燃燒品質指數(shù)由此可算出氣缸中燃料燃燒時的瞬時放熱率 （J/度）：每循環(huán)噴油量 （kg）：燃燒效率，對于柴油機穩(wěn)定運算，可取工質內能變化的計算柴油機工質為空氣和燃燒廢氣的混合物，一般常用瞬時過量空氣系數(shù)來表示，這樣，工質的內能可表示為兩個變量的函數(shù)可用于工質內能變化的經(jīng)驗公式很多，下面用的是Justi公式： （J/kg）機械功的計算公式氣缸溫度3、

5、氣缸內各過程的計算計算一般從壓縮始點開始，壓縮、燃燒和膨脹三部分為高壓階段，從排氣門打開到進氣門打開為止為排氣期，以及延續(xù)到氣門迭開期，接著是延續(xù)到進氣門關閉的吸氣期，這三個時期為工質更換階段。壓縮期燃燒期由于燃燒氣缸內工質質量發(fā)生變化：任一時刻氣缸內工質質量為：工質成分也因燃燒發(fā)生變化，瞬時過量空氣系數(shù)可得：膨脹期膨脹期氣缸工質的質量不變，方程式和壓縮期的一樣，只是各項數(shù)值不同。換氣過程下標u表示上游，d表示下游；s表示進氣，e表示排氣。4、 常微分方程的數(shù)值解法 常用的數(shù)值解法有三種：歐拉法、改進歐拉法和龍格庫塔法。歐拉法：改進歐拉法：龍格庫塔法(略)5、 工作過程計算程序編程步驟（1）

6、定義初始和全局變量（2） 編寫Qb，Qw，dV，C ，Cv各量的子函數(shù)（3） 從進氣門關閉角開始計算，首先給定該角度的氣缸壓力、溫度、殘余廢氣系數(shù)（初始條件），計算出該角度下的體積、工質質量和（2）步驟的各子函數(shù)，以及該角度下的溫度變化率。（4） 由式計算角度的溫度，通常取=1度。（5） 計算角度的體積、工質質量，再由計算此時的壓力。返回到步驟（3），可根據(jù)角度的值繼續(xù)下一個角度的計算直到排氣門打開，結束計算。（6） 將計算的結果保存到“outdata.txt”文件中。二、 應用Lotus軟件計算內燃機工作過程1、點圖標進入Lotus Engine Simulation軟件。2、選Lotus

7、Engine Simulation和New blank.Sim file，新建一個模擬文件，OK，進入工作界面。3、點油箱圖標，在右邊設置為柴油Diesel和直噴Direct Injection，油箱圖標變?yōu)椤?、建單缸柴油機模型，從左邊的圖標框里選取氣缸、進排氣管路元件，連接成下圖的模型：5、點氣缸圖標，到右邊表格中設置氣缸參數(shù)，Bore缸徑，Stroke行程，Cyl Swept Volume氣缸排量，Con-rod Length連桿長度，Pin off-set活塞銷偏置，Compression Ratio壓縮比，Cleareance Volume壓縮間隙體積，Phase發(fā)火相位角。有些參數(shù)

8、有重復關系，顯示為灰色。6、設置模型。Combustion Model燃燒放熱模型，選單Wiebe函數(shù)Open Cycle HT 和Closed Cycle HT 開、閉循環(huán)壁面?zhèn)鳠崮Ｐ停xWoschni模型Surface Areas燃燒室表面面積，Head/Bore缸蓋與氣缸截面積比值=1，Psiton/Bore活塞與氣缸截面積比值=1.4，Explosure liner活塞上止點時缸套露出高度=1mm。Surface Temperatues表面溫度設置，采用缺省設置，Head缸蓋、Liner缸套材料設為Cast Iron鑄鐵?；蚋鶕?jù)自編程序計算得到的活塞、缸套、缸蓋溫度分別設置。Scave

9、nge-Cylinder換氣階段掃氣模型，采用缺省設置。其它參數(shù)不用管。7、設置進排氣系統(tǒng)參數(shù)點，設置進氣門參數(shù)，Valve Open（deg）開啟提前角，Valve Close (deg)關閉遲后角，Max Lift最大氣門升程=9mm，其它不管；點，設置No of Valves進氣門數(shù)量=1，Valve Throat Dia進氣門座圈內徑=40mm；點，設置排氣門參數(shù)，Valve Open（deg）開啟提前角，Valve Close (deg)關閉遲后角，Max Lift最大氣門升程=9mm，其它不管；點，設置No of Valves進氣門數(shù)量=1，Valve Throat Dia排氣門座

10、圈內徑=36mm；進排氣邊界用缺省值。8、設計發(fā)動機運行工況條件點，點Test Point，Insert New Test Point，設置轉速點Heat-Phase，Phase option設為User Defined，設置Phase angle放熱提前角為=5度，即上止點前5度開始燃燒放熱。點Heat-Period，Period Option設為User Defined，設置Release Period放熱持續(xù)角=60度。點Fuelling，Combustion Option=Efficiency+Maldistribution，F(xiàn)uelling Option=Fuelling Rate，

11、Fuelling Rate=25mm3/inj（循環(huán)體積噴油量，不同工況噴油量不同）點Boundary Conditions，Humidity Option =Relative Humidity相對濕度，設置Relative Humidity=0.2，其它壓力和溫度條件為缺省值。9、保存和運行模型保存模型文件為2.sim，有時候保存不成功，可以先建一個同名文件覆蓋保存。點，設置Existing Data File Name為本模型文件2.sim，再點Use .sim，這樣計算結果的文件就保存為同名文件2.mrs和2.prs。點，運行模型，跳出黑色計算窗口，計算結束后跳出計算結果調入窗口，勾上1

12、、2、4號框，Load載入mrs和prs文件。10、查看計算結果退回到主界面后，點可以查看計算結果的文本格式文件。要看懂里面的數(shù)據(jù)需要一定的專業(yè)英語基礎。點，可以查看轉矩、功率、平均有效壓力（BMEP）等隨轉速的變化關系曲線。由于本例只算一個轉速工況點，在圖上只能看到一個點。點，可以查看發(fā)動機在一個循環(huán)內的變化情況。進入界面后，在右邊的坐標圖中點右鍵，出現(xiàn)彈出菜單。點.prs File Add.載入計算對應的結果文件2.prs1，點左邊模型中的氣缸圖標，右邊的坐標中將顯示氣缸內的壓力、溫度隨轉角的變化曲線。繼續(xù)使用右鍵彈出菜單，點Autoscale All Graphs使4個圖的比例尺為自動，則曲線完整顯示。若要顯示其它的信息，如缸內放熱速率和壁面?zhèn)鳠崧剩瑒t繼續(xù)使用右鍵彈出菜單，