柴油機(jī)工作過程仿真與實(shí)驗(yàn)研究_圖文

1、天津大學(xué)碩士學(xué)位論文柴油機(jī)工作過程仿真與實(shí)驗(yàn)研究姓名:馮敬奇申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):動(dòng)力機(jī)械及工程指導(dǎo)教師:高文志20040101 第三章進(jìn)、排氣系統(tǒng)熱力過程計(jì)算第三章進(jìn)、排氣系統(tǒng)熱力過程計(jì)算3.1概述廢氣渦輪增壓柴油機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)熱力過程計(jì)算時(shí),將進(jìn)、排氣系統(tǒng)劃分為兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng);進(jìn)氣管子系統(tǒng)和排氣管子系統(tǒng)。進(jìn)氣管子系統(tǒng)從中冷器出口至進(jìn)氣門止,包括進(jìn)氣總管、進(jìn)氣歧管及氣缸蓋進(jìn)氣道。排氣管子系統(tǒng)從排氣門起至廢氣渦輪止,包括氣缸蓋排氣道、排氣歧管、排氣總管及渦輪廢氣蝸殼。柴油機(jī)進(jìn)、排氣管中的實(shí)際熱力過程是很復(fù)雜的。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,對(duì)進(jìn)、排氣系統(tǒng)按不同的要求分別簡(jiǎn)化處理。穩(wěn)定工況下運(yùn)行時(shí),進(jìn)氣總管

2、的壓力通常認(rèn)為不隨時(shí)間而變化,視為常數(shù)。恒壓系統(tǒng)中,因排氣管的總?cè)莘e大,壓力波動(dòng)較小,近視認(rèn)為壓力不變。當(dāng)排氣管容積較大或長(zhǎng)度較短時(shí),或是進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)綜合參數(shù)與增壓器的配合計(jì)算時(shí),忽略壓力波在排氣管內(nèi)的傳播、反射、疊加,將排氣管視為一個(gè)容器,這個(gè)的容器的容積正好等于排氣管的總?cè)莘e,排氣過程近視為排氣對(duì)這個(gè)容積的填充與排空過程。這簡(jiǎn)化計(jì)算模型,將實(shí)際不穩(wěn)定的流動(dòng)過程作為準(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng)過程處理。此時(shí),排氣管內(nèi)的壓力變化過程可用一組常微分方程表達(dá)。這種計(jì)算方法稱為容積法。這種方法大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過程,運(yùn)算時(shí)間可大幅度縮短。3.2排氣管內(nèi)熱力過程計(jì)算(容積法3.2.1容積法的基本假設(shè)排氣管熱力過程計(jì)算時(shí),

3、所作的簡(jiǎn)化假設(shè)如下:(1排氣管的容積%是個(gè)常數(shù)。%等于氣缸排氣道、排氣歧管、排氣總管及渦輪進(jìn)氣蝸殼容積之和。(2認(rèn)為排氣管中的狀態(tài)參數(shù)只隨時(shí)間f(或妒而變化。并且在足夠小的計(jì)算步長(zhǎng)口內(nèi),把排氣管g,j不穩(wěn)定流動(dòng)簡(jiǎn)化為準(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng),即把排氣過程視為排氣對(duì)容積為圪的容器準(zhǔn)穩(wěn)定流入和排出的過程。(3排氣從氣缸經(jīng)排4i門流入排氣管,總是由n個(gè)氣缸依次流入同一根排氣管。(4l¨于實(shí)際排。t成分變化很小,假定排氣過程中排氣成分不f:if叫問變化.即da/do=0。第j章進(jìn)、排氣系統(tǒng)熱力過程計(jì)算(5實(shí)際排氣的氣體常數(shù)屹變化很小,故取R。=常數(shù)。(6在排氣管內(nèi),排氣不對(duì)外作功。3.2.2排氣管內(nèi)的基本

4、微分方程排氣管內(nèi)的基本微分方程,包括能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程和理想氣體狀態(tài)方程。排氣管狀態(tài)在前述的簡(jiǎn)化假設(shè)條件下,用三個(gè)基本微分方程表達(dá)如下: l,能量守恒方程掣=孫h d萬me卜等一等,2.質(zhì)量守恒方程等;喜(等l一萬dmTz,3.狀態(tài)方程朋%=%。如瓦(3-3參照推導(dǎo)氣缸內(nèi)能量守恒方程的方法,可以推導(dǎo)出得排氣管中排氣溫度L 隨p的變化率的關(guān)系式為:等=寺喜卜芳j,也等一警一m矗等j協(xié)。,上述各式中%為排氣管內(nèi)排氣質(zhì)量,“。為排氣的比內(nèi)能,f、。為排氣的定容比熱容;下標(biāo)分別為:B表示排氣管,71表示廢氣渦輪,P表示氣缸排氣。對(duì)式(3-2、式(3-3、式(3-4聯(lián)合求解,可解得排氣管內(nèi)排氣得

5、三個(gè)狀態(tài)參數(shù):P。、五、m。3.2.3排氣系統(tǒng)的散熱排氣系統(tǒng)中的散熱量(k由三部分組成:氣缸蓋中排氣道散熱量Q。,排氣管散熱量如和渦輪進(jìn)氣口水冷蝸殼散熱量鞏,。排氣系統(tǒng)散熱量Q。的實(shí)際計(jì)算比較復(fù)雜,不同情況按不容方法處理。針對(duì)本文情況,型!叢只需計(jì)算氣缸d口蓋排氣道散熱量。排氣道散熱率型!基的計(jì)算式為:d百dQwAK=等(丁吸去(3-5式中c,。:排氣的定壓平均比熱容;T:氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度:兀。:排氣道出口處排氣溫度;n:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。71。用卜式確定: 第四章廢氣渦輪增壓器計(jì)算%擊嘲一t壓氣機(jī)實(shí)際消耗功畋可用下式計(jì)算:肌:鱉“空氣經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后,溫度由升高至。出口溫度為:+瓦p,去式中r考慮向外

6、散熱的冷卻系數(shù),r:1.041.1。4.1_3壓氣機(jī)特性線圖的數(shù)值表示(4一lO (4一lI (4一12增壓柴油機(jī)配合計(jì)算中,需在壓氣機(jī)特性線圖上確定配合運(yùn)行點(diǎn)。為了使程序能自動(dòng)尋找配合運(yùn)行點(diǎn),要求將實(shí)驗(yàn)得到的壓氣機(jī)特性曲線用數(shù)值表示,并輸入計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存。壓氣機(jī)特性線圖的數(shù)值表示方法有以下兩種:網(wǎng)格法(數(shù)組存儲(chǔ)法和分析計(jì)算法。下面介紹常用的網(wǎng)格法。用證交網(wǎng)格法離散壓氣機(jī)特性線圖上的等嫡效率曲線和等轉(zhuǎn)速曲線,讀取每個(gè)網(wǎng)格上的張和n,x值,并輸入計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)。壓氣機(jī)特性中,rIK=石(rh。,鞏,”,。=五(rh。,鞏。計(jì)算中根據(jù)已知的及值用拉格朗日-;元3x3點(diǎn)插值求出對(duì)應(yīng)的值。4.2徑流渦輪特

7、性計(jì)算廢氣渦輪增壓中的渦輪計(jì)算,主要是算出渦輪輸出功。計(jì)算的方法有簡(jiǎn)化計(jì)算法及理論分析法兩種。理論分析計(jì)算法一般只在應(yīng)用特征線法計(jì)算排氣壓力波時(shí)才使用。增壓器配合計(jì)算中常采用簡(jiǎn)化計(jì)算法。4.2.1徑流渦輪效率特性徑流渦輪效率叩,是速比“/C0的函數(shù),rl,=f(u/Co。由于徑流渦輪中流體受離心力場(chǎng)作用,速度比“/Co對(duì)坼的影響較大,相對(duì)地/7",對(duì)協(xié)的影響則較小。根據(jù)幾臺(tái)徑流渦輪的試驗(yàn)數(shù)據(jù),得到如下的經(jīng)驗(yàn)公式:L:-0105+2.685f旦1一o.76f旦12-117f旦3(4-13仍。l C0j L C0/L Coj式q,?！皽u輪最商效率,視渦輪的性能情況選定;:I I作葉輪外徑

8、處的圓周速度:第四章廢氣渦輪增壓器計(jì)算c0:由P,絕熱膨脹至Pro的總焓降算得到理論流速。4.2.2徑流渦輪的流量系數(shù)徑流渦輪流量系數(shù)肌的變化規(guī)律比較復(fù)雜,是速度比“/G及膨脹比口,的函數(shù),肼=f(u/C0,研。隨著“/co增大,渦輪流量成線性減小,即,減小。渦輪流量鴨及流量系數(shù)所亦隨變化而變化。在數(shù)值計(jì)算中為了得到采用修正渦輪膨脹比的方法,具體處理過程如下:按卜式定義修正渦輪膨脹比刀舀:POT-P:研f1-當(dāng)j (4-14PoTOL肌7/式中石,渦輪實(shí)際膨脹比;島rpo,o:渦輪進(jìn)口、出口總壓:如:考察渦輪轉(zhuǎn)速影響(即旋轉(zhuǎn)速度頭影響的壓力修正值。壘:坐風(fēng),風(fēng)r式中%:渦輪絕熱焓降:風(fēng)r:渦輪

9、進(jìn)1=1焓。將上兩式整理后得:(4.15式中:工作葉輪外徑處(進(jìn)口處輪周速度。經(jīng)過上述修正處理后,可得到如下近似式:一,s,一上20zr.氅+等鼯型f 16-101一一一18【_14.2.3徑流渦輪流量特性徑流渦輪質(zhì)量流量廊,可用下式計(jì)算哺-吒燾式中,流量系數(shù):咒。等效噴嘴通流面積:/'re,/修正渦輪膨脹比。4.2.4渦輪輸出功t流渦輪輸fn功彬lr用下式計(jì)算:720(360%=%D=O(417(418煮一第四章廢氣渦輪增樂器計(jì)算毗”毗扣弓閂(41927 第八章仿真程序在CY4102BZI,Q柴油機(jī)性能改進(jìn)中的戍HJ3.N次諧波凸輪方案。配氣相位:進(jìn)氣:14+180+26=220度曲

10、軸轉(zhuǎn)角排氣:48+180+16=244度曲軸轉(zhuǎn)角氣門問隙:進(jìn)氣門:O.40排氣門:O.404.AVL提供的方案。配氣相位:進(jìn)氣:14+180+26=220度曲軸轉(zhuǎn)角排氣:48+180+16=244度曲軸轉(zhuǎn)角氣門問隙:進(jìn)氣門:0.40排氣門:O.40以上4種配氣凸輪的工作過程計(jì)算結(jié)果如下(2800r/rain,103kw:力案號(hào)觥過§控氣系數(shù)殘?zhí)蓺やNT TD0Pi Pmax機(jī)減瓣陀功率油牦l5.17581.45860.04280.8979556.8831.213.7911.250.8861.23102.6251.525.67951.40230.055l0.85l575.4864.313

11、.81lO.270.8861.23102.5251.734.88241.4924O.0620O.896553。2845,6i3.7211.390.8851.22101.7254.645.62011.42550.04840.863566.4856.813.93l】.080.8871.24103.6250.3案。從以上計(jì)算結(jié)果可以看出,第4種方案的功率較大、油耗較低,是較好的方6.3發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)為了驗(yàn)證柴油機(jī)工作過程計(jì)算程序計(jì)算結(jié)果的F確性,采用上述的兩種方案(第1方案和第4方案進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)13工況法試驗(yàn),得到如下各衄線圖和數(shù)據(jù)表: l冬6-1兩種lJJ輪的空氣流越對(duì)比幽62兩種凸輪的:!燃比列比

12、幽63兩種凸輪的過量空系數(shù)對(duì)比圖64兩種凸輪的漏氣鼙對(duì)比 幽65兩種凸輪的CO排放量對(duì)比圈66兩種凸輪的排放餐對(duì)比 |冬f67阿種f¨I輪的NOx排放培對(duì)比圖68兩種凸輪的FSN_|1|=欣塒劉比42 幽69兩種凸輪的中冷磊進(jìn)氣壓力對(duì)比圈6一10兩種凸輪的油耗率對(duì)比 圖6一11兩種凸輪的排放量對(duì)比圖612兩種凸輪的排放顰對(duì)比兩種凸輪排放對(duì)比表c(地nmHl趣N嘲由一帥P1刪1A、,L凸輪軸1腳41D462659640164I原H1凸=e軸131471lO堪矗為n168AVL凸輪軸與原機(jī)凸輪軸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表轉(zhuǎn)速(rhninl=|!c咀Nm功鯽魁E油#啐空然比“】豐E率13。l說點(diǎn)AVL酬A、,L凸輪軸AVL酬i原心J沾吖% 1922I-5n151425啊140.47170039矗9584舶7223嘶845403.8l31700979174355.5381225&175&532442562 417001979