發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)工作過(guò)程計(jì)算

1、發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程數(shù)值計(jì)算作業(yè)缸內(nèi)圭寸閉過(guò)程數(shù)值計(jì)算學(xué)院：汽車(chē)學(xué)院專(zhuān)業(yè)：動(dòng)力機(jī)械及工程姓 名：滑海寧學(xué) 號(hào)：2012122056教 師：張春化二一三年五月氣缸封閉過(guò)程的數(shù)值計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)工作過(guò)程的數(shù)值計(jì)算，是以?xún)?nèi)燃機(jī)缸內(nèi)各工作階段的物理模型為 基礎(chǔ)，通過(guò)微分方程來(lái)對(duì)其各階段工作過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，然后通過(guò)程序編寫(xiě)求解微分方程， 得到缸內(nèi)溫度、壓力等參數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。基本熱力學(xué)模型統(tǒng)包括了質(zhì)量交換項(xiàng)， 如排氣dmA,進(jìn)氣dmE，噴入氣缸內(nèi)瞬時(shí)燃料質(zhì)量dmB ； 與能量交換項(xiàng)，如焓變， 功，燃燒放熱等。 圖中T、P、V、m及u分別 為缸內(nèi)瞬時(shí)氣體溫度、壓力、體積、燃料質(zhì)量及比內(nèi)能。二、簡(jiǎn)化假設(shè)1

2、. 假定工質(zhì)為理想混合氣體；2. 假定缸內(nèi)各處溫度、壓力及混合氣濃度均勻；3. 用純空氣的氣體常數(shù)代替混合氣氣體常數(shù)；4. 假定掃氣完全，即不考慮殘余廢氣；5. 不計(jì)漏氣損失，并假定只有在燃燒始點(diǎn)才有燃油噴入氣缸；6. 按代用燃燒規(guī)律進(jìn)行噴油，并認(rèn)為著火延遲等于零；7. 假定放熱率為100%三、基本方程1、氣體狀態(tài)方程PV=mRT2、 壓縮期（ESVB）能量方程：dT二丄 （dQw - pdV ） dmcvdd質(zhì)量方程：dm = 0d3、燃燒期（VBVE）能量方程：匹二丄（dQB +些-p叫-u也-沁J ）dme.ddddd質(zhì)量方程:dmdm)B 1dQBddHud4、膨脹期（VEAO )能量

3、方程:dT(dQwdV、 p )dmc,dd質(zhì)量方程：dm = 0d四、其他計(jì)算公式1、氣缸瞬時(shí)工作容積：V（）仏1 cos 丄（1 v12 sin2 ）D2S=Vl1)式中：Vh -氣缸行程容積V L-發(fā)動(dòng)機(jī)排量-壓縮比s-曲柄連桿比S-活塞行程D -氣缸直徑2、氣缸容積隨曲軸轉(zhuǎn)角變化率:dV dVhsin2sin cos2 . 2sSi n3、單位曲軸轉(zhuǎn)角的傳熱量:dQwd6L" Ai (Twi6n 1 1T)式中：i 1 -活塞i 2 -氣缸蓋i 3 -氣缸套A -傳熱表面積124V()Ai D2 ； A21.5Ai ； A34DTw-傳熱表面平均溫度Twi 560K ； Tw

4、2548K ； Tw3 548K-換熱面平均的瞬時(shí)傳熱系數(shù)利用Wosch ni公式：130T-0.53P0.8D 0.2c1cm c2VhT1(P P0)08RM式中：/-活塞行程容積ci-氣體速度系數(shù)壓縮、膨脹階段ci2.28 0.308久換氣階段c16.18 0.417乜GmC2-燃燒室形狀系數(shù)，直噴式燃燒室C2=3.24X10-3Cm-活塞平均速度，計(jì)算得6.9m/sR、V、T1分別為壓縮始點(diǎn)的氣缸壓力、容積、溫度。分別取值為 102kPa, 0.89L, 375KP0-發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖時(shí)的氣缸壓力,取為100kPa4、代用放熱規(guī)律：m 1( )累積放熱量：Qbu mB0 Hu1 e 6.90

5、8瞬時(shí)放熱率：dQB 6.908 u mB0 Hu (m 1)( )m ed式中：u -燃燒效率,取為100%Hu-燃料低熱值，取為42500kJ/kgm-燃燒品質(zhì)指數(shù),取為1.0-燃燒持續(xù)角，取為80° CAmB0-循環(huán)噴油量,為3.5421X10-6kgvb -燃燒始點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角，為 338 ° CA5、工質(zhì)內(nèi)能:u=u( ,T )0.0485363.36240.14455 (0.0975礦)(T273)310 6(7.768 p)(T273)210 4(489.6 464)273) 10 21356.8式中：-瞬時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)1）壓縮階段，取1042）燃燒階段：血L&

6、#176;mB（）mLdQB3）膨脹階段:=co nstL 0 mB0式中：L0-理論空氣量，取14.3kg/kgmB（）-噴入燃料量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化函數(shù)mBo-每循環(huán)噴油量6等容比熱:C/ (中V0 0485263 360.14455 3 (0.0975 箒 )(T273)2 10 62 (7.768 罟)仃 273)446.4210 4(489.6 p) 1027、比內(nèi)能對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)的偏導(dǎo)0.144550.75 0.04851.75 仃 273)3 10 60.8 3.361.8 (T273)2100.93 46.41'93 仃 273） 10 28、燃燒期混合氣的質(zhì)量：m=m+

7、mdmH dmB 1 dQB d d Hu d五、龍格一庫(kù)塔法的計(jì)算步驟已知i，Ti步驟一:f( i,Ti)T1'步驟二：K1f( iTi)T1'步驟三：Ti -K12步驟四：f( i-,TiK1) T222步驟五：k2f(i 2,Ti21)T2'步驟六：TiK22步驟七：f( i,Ti2T3步驟八：K3f(i 2,TiT3步驟九：TiK3步驟十：f( i,TiK3)T4步驟十一:K4f( i,TiK3)T4步驟十二:M2K22K3K4)2T26步驟十三:Ti1TiT52T3 T4)T5六、發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)形式：四沖程、直噴、水冷、單缸柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)：ZH105W

8、壓縮比：=16.5排量：Vh=0.96L活塞行程：s= 115mm缸徑：D= 105mm循環(huán)噴油量：3.5421X10-5kg燃燒持續(xù)角：80° CA曲柄半徑和連桿長(zhǎng)度比s = 0.3噴油提前角：22 CA配氣相位：進(jìn)氣提前（上止點(diǎn)前）12° CA進(jìn)氣遲后（下止點(diǎn)后）38° CA排氣提前（下止點(diǎn)前）55° CA排氣遲后（上止點(diǎn)后）12° CA七、程序框圖八、源程序（matlab）1、壓縮過(guò)程自定義ysgc函數(shù)并生成m文件，源程序如下：function f=ysgc(fai,T)P1=102000;%壓縮始點(diǎn)氣缸內(nèi)氣體壓力，單位 paV1=0.0

9、0089;%壓縮始點(diǎn)氣缸內(nèi)氣體體積(計(jì)算得)，單位m3T1=375;%壓縮始點(diǎn)氣缸內(nèi)氣體的溫度(計(jì)算得)，單位KR=8.314;%氣體常數(shù)，單位J/mol.kML=29;%氣摩爾質(zhì)量，單位g/molnL=P1*V1/R/T1;%空氣摩爾量，單位molmL=nL*ML;%E縮始點(diǎn)氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量，單位glmd=10000;%過(guò)量空氣系數(shù)D=0.105;%氣缸直徑，單位 mc1=2.29;%氣體速度系數(shù)cm=6.9;%活塞平均速度(計(jì)算得)，單位m/sc2=3.24*10A-3;%燃燒室形狀系數(shù)Vh=0.96/16.5*15.5/1000;% 行程容積，單位 m3卩0=100*10八3;%發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖

10、時(shí)的氣缸壓力,單位paksai=16.5;% 壓縮比lmds=0.3;%曲柄連桿比V=Vh/2*(2/(ksai-1)+1-cos(fai)+1/lmds*(1-sqrt(1-lmdsA2*sin(fai)*sin(fai);% 氣缸瞬時(shí)工作容積，單位 m3A1=pi*DA2/4;%活塞傳熱表面積，單位 m2A2=1.5*A1;%氣缸蓋傳熱表面積，單位 m2A3=4*V/D;%氣缸套傳熱表面積，單位m2Tw仁560;%活塞表面的平均溫度，單位KTw2=548;%缸蓋表面的平均溫度，單位 KTw3=548;%缸套表面的平均溫度，單位 Kn=1800;%發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位r/minP=n L*R*

11、T/V;%氣缸內(nèi)氣體瞬時(shí)壓力，單位paref=0.130*TA(-0.53)*(P/100000)A0.8*DA(-0.2)*(c1*cm+c2*Vh*T1*(P-P0)/P1/V1)A0.8;%換熱面平均的瞬時(shí)傳熱系數(shù)，單位dQw_dfai=1/6/n*ref*(A1*(Tw1-T)+A2*(Tw2-T)+A3*(Tw3-T);% 單位曲軸轉(zhuǎn) 角的傳熱量，單位 KJcv=0.14455*(-3*(0.0975+0.0485/lmdA0.75)*(T-273F2*10A(-6)+2*(7.768+3.36/lmdA0.8)*(T-273)*10A(-4)+(489.6+46.4/lmdA0.9

12、8)*10A(-2);% 定容比熱，單位 KJ/Kg.KdV_dfai=Vh/2*(si n(fai)+lmds*si n(fai)*cos(fai)/(sqrt(1-lmdsA2*si n( fai)*sin(fai);% 氣缸容積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率 f=1000/mL/cv*(dQw_dfai-P/1000* dV_dfai);調(diào)用 ysgc 函數(shù)并用龍格庫(kù)塔法法解微分方程，源程序如下： fai,T=ode45('ysgc',(180+38)/180*pi:5/180*pi:(360-22)/180*pi,375)2、燃燒過(guò)程自定義rsgc函數(shù)并生成m文件，源程序如下：fu

13、nction f=rsgc(fai,T)P1=102000;%壓縮始點(diǎn)氣缸內(nèi)氣體壓力，單位 paV1=0.00089;%壓縮始點(diǎn)氣缸內(nèi)氣體體積，單位 m3T1=375;%壓縮始點(diǎn)氣缸內(nèi)氣體的溫度，單位KD=0.105;%氣缸直徑，單位 mR=8.314;%氣體常數(shù)，單位J/mol.kML=29;%氣摩爾質(zhì)量，單位g/molnL=P1*V1/R/T1;%空氣摩爾量，單位molmL=nL*ML;%E縮始點(diǎn)氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量，單位gc1=2.29;%氣體速度系數(shù)cm=6.9;%?舌塞平均速度，單位m/sc2=3.24*10A-3;%燃燒室形狀系數(shù)Vh=15.5*0.96/16.5/1000;% 行程容積

14、，單位 m3yin u=1;%燃燒效率m=1%燒品質(zhì)指數(shù)L0= 1 4.3 ;%柴油理論空燃比mB0=0.03542;%每循環(huán)噴油量，單位gHu=42500;%燃料低熱值，單位KJ/Kgfaivb=(360-22)/180*pi;% 噴油始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角drfai=80/180*pi;% 燃燒持續(xù)角ksai= 1 6 . 5 ;%壓縮比lm ds= 0 . 3 ;%曲柄連桿比V=Vh/2*(2/(ksai-1)+1-cos(fai)+1/lmds*(1-sqrt(1-lmdsA2*si n(fai)*sin(fai);% 氣缸瞬時(shí)工作容積，單位 m3QB=yi nu*mB0/1000*Hu*

15、(1-exp(-6.908*(fai-faivb)/drfaiF(m+1);%累積放熱量，單位 KJdQB_dfai=6.908*yi nu*mB0/1000*Hu/drfai*(m+1)*(fai-faivb)/drfaiF( m+1)*exp(-6.908*(fai-faivb)/drfai)A(m+1);%單位曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的放熱量mB=QB/Hu;曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)fai的時(shí)刻，噴入氣缸燃料的累積質(zhì)量，單位 Kglmd=mL/1000/(mB+0.0000000001)/L0;% 過(guò)量空氣系數(shù)mH=mL/1000+mBj曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)fai的時(shí)刻，氣缸內(nèi)混合氣的質(zhì)量，單位 Kgcv=0.1445

16、5*(-3*(0.0975+0.0485/lmdA0.75)*(T-273)A2*10A(-6)+2*(7.768+3.36/lmdA0.8)*(T-273)*10A(-4)+(489.6+46.4/lmdA0.98)*10A(-2);% 定容比熱，單位 KJ/kg.KdV_dfai=Vh/2*(sin(fai)+lmds*sin(fai)*cos(fai)/(sqrt(1-lmdsA2*sin(fai)*sin(fai);% 氣缸容積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率 ,單位 m3A1=pi*DA2/4;%活塞傳熱表面積，單位 m2A2=1.5*A1;%氣缸蓋傳熱表面積，單位 m2A3=4*V/D;%氣缸套

17、傳熱表面積，單位m2Tw仁600;%活塞表面的平均溫度，單位KTw2=548;%缸蓋表面的平均溫度，單位 KTw3=548;%缸套表面的平均溫度，單位 Kn=1800;%發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位r/minP0=100*10W;%發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖時(shí)的氣缸壓力,單位paP=mH*1000/29*R*T/V;%氣缸內(nèi)氣體瞬時(shí)壓力，單位 pa ref=0.130*TA(-0.53)*(P/100000F0.8*DA(-0.2)*(c1*cm+c2*Vh*T1*(P-P0 )/P1/V1)A0.8;% 換熱面平均的瞬時(shí)傳熱系數(shù)，單位 KJ/m2.s.K dQw_dfai=1/6/n*ref*(A1*(Tw1-T)+

18、A2*(Tw2-T)+A3*(Tw3-T);% 單位曲軸轉(zhuǎn) 角的傳熱量，單位 KJdmH_dfai=1/Hu*dQB_dfai;% 氣缸內(nèi)氣體隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率 , 單位 Kgu=0.14455*(-1*(0.0975+0.0485/lmdA0.75)*(T-273)A3*10A(-6)+(7.768+3 .36/lmdA0.8)*(T-273)A2*10A(-4)+(489.6+46.4/lmdA0.93)*(T-273)*10A( -2)+1356.8);% 比內(nèi)能，單位 KJ/Kgzdu_zdlmd=0.14455*(0.75*0.0485*lmdA(-1.75)*(T-273)A3*1

19、0A(-6)-0.8*3.36*lmdA(-1.8)*(T-273)A2*10A(-4)-0.93*46.4*lmdA(-1.93)*(T-273)*1 0A(-2);dlmd_dfai=-mL/1000/L0/(mB+0.0000000001)A2/Hu*dQB_dfai; f=1/mH/cv*(dQB_dfai+dQw_dfai-P/1000*dV_dfai-u*dmH_dfai-mH*zdu_zdl md*dlmd_dfai);調(diào)用 rsgc 函數(shù)并用龍格庫(kù)塔法解微分方程，源程序如下：fai,T=ode45('rsgc',(360-22)/180*pi:1/180*pi:

20、(360-22+80)/180*pi,843)3、膨脹過(guò)程自定義pzgc函數(shù)并生成m文件，源程序如下：function f=pzgc(fai,T)P1=102000;%壓縮始點(diǎn)氣缸內(nèi)氣體壓力，單位paV1=0.00089;%壓縮始點(diǎn)氣缸內(nèi)氣體體積，單位 m3T1=375;%壓縮始點(diǎn)氣缸內(nèi)氣體的溫度，單位KR=8.314;%氣體常數(shù)，單位J/mol.kML=29;嫁氣摩爾質(zhì)量，單位g/molnL=P1*V1/R/T1;%空氣摩爾量，單位molmL=nL*ML;%E縮始點(diǎn)氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量，單位gmB0=3.5421*10A(-5);%每循環(huán)噴油量，單位 KgL0=14.3;%理論空燃比lmd=mL/

21、1000/L0/mB0;%過(guò)量空氣系數(shù)D=0.105;%氣缸直徑，單位 mc1=2.29;%氣體速度系數(shù)cm=6.9;%?舌塞平均速度，單位m/sc2=3.24*10A-3;%燃燒室形狀系數(shù)S=0.115;%活塞行程，單位mVh=pi*DA2*S/4;% 行程容積，單位 m3P0=100*10A3;%發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖時(shí)的氣缸壓力,單位pa ksai=16.5;% 壓縮比lmds=0.3;%曲柄連桿比V=Vh/2*(2/(ksai-1)+1-cos(fai)+1/lmds*(1-sqrt(1-lmdsA2*sin(fai)*sin(fai);% 氣缸瞬時(shí)工作容積，單位 m3A1=pi*DA2/4;%

22、舌塞傳熱表面積，單位 m2A2=1.5*A1;%氣缸蓋傳熱表面積，單位 m2A3=4*V/D;%氣缸套傳熱表面積，單位m2Tw仁560;%活塞表面的平均溫度，單位KTw2=548;%缸蓋表面的平均溫度，單位 KTw3=548;%缸套表面的平均溫度，單位 Kn=1800;%發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位r/minP=(mL+1000*mB0)/29*R*T/V;%氣缸內(nèi)氣體瞬時(shí)壓力，單位 pa ref=0.130*TA(-0.53)*換熱面單位曲軸轉(zhuǎn)(P/1000)A0.8*DA(-0.2)*(c1*cm+c2*Vh*T1*(P-P0)/P1/V1)A0.8;% 平均的瞬時(shí)傳熱系數(shù)，單位 dQw_dfai=

23、1/6/n*ref*(A1*(Tw1-T)+A2*(Tw2-T)+A3*(Tw3-T);%角的傳熱量cv=0.14455*(-3*(0.0975+0.0485/lmdA0.75)*(T-273F2*10A(-6)+2*(7.76 8+3.36/lmdA0.8)*(T-273)*10A(-4)+(489.6+46.4/lmdA0.98)*10A(-2);% 定容比熱dV_dfai=Vh/2*(si n(fai)+lmds*si n(fai)*cos(fai)/(sqrt(1-lmdsA2*si n( fai)*s in (fai);%氣缸容積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率f=1/(mL/1000+mB0)/

24、cv*(dQw_dfai-P* dV_dfai);調(diào)用pzgc函數(shù)并用龍格庫(kù)塔法解微分方程，源程序如下： fai,T=ode45('pzgc',(360-22+80)/180*pi:5/180*pi:(540-55)/180*pi ,997)九、程序運(yùn)行結(jié)果1、壓縮過(guò)程表1壓縮過(guò)程運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果faiV（ L）T( K)P (bar)faiV（ L）T（ K）P (bar)3.800.89375.00 :1.02P 4.940.47479.002.453.890.87378.301.055.030.43495.832.783.980.85382.131.095.110.39514

25、.833.184.070.82386.53 :1.14P 5.200.35536.303.704.150.80391.561.195.290.31560.614.354.240.77397.271.255.380.27588.165.19 :4.331 0.74403.741.3315.460.24619.396.2914.420.70411.061.415.550.20654.807.754.500.67419.30 :1.52P 5.640.17694.839.68 :4.590.63428.591.645.720.15739.7912.284.680.59439.051.795.810.

26、12789.5915.754.760.55450.82 :1.97P 5.900.10843.3420.304.850.51464.072.18注：瞬時(shí)容積 V、缸內(nèi)氣體瞬時(shí) P是用excel表格計(jì)算得到2、燃燒過(guò)程表2燃燒過(guò)程運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果faiV（ L）T（ K）P (bar)faiV（ L）T（ K）P (bar)5.90 :0.1006843.34r 20.306.610.09001268.6057.245.920.0969854.1021.356.630.09331266.8056.265.930.0933865.3022.456.650.09691264.3055.265.950.0

27、899876.7023.616.670.10061261.3054.225.970.0867888.4024.836.680.10441257.8053.165.99 :0.0837900.50P 26.126.700.10841253.70P 52.086.000.0808913.0027.476.720.11261249.1051.006.020.0781925.8028.896.740.11691244.1049.916.04 :0.0756939.20P 30.386.750.12141238.60P 48.836.060.0732953.0031.946.770.12601232.8

28、047.756.070.0710967.2033.576.790.13071226.6046.686.09 :0.0689981.90P 35.276.810.13561220.00:45.616.110.0671996.9037.026.820.14071213.2044.576.130.06541012.3038.836.840.14581206.1043.546.14 :0.06391027.90:40.686.860.15111198.70:42.536.160.06261043.7042.566.880.15661191.1041.536.180.06141059.6044.456.

29、890.16221183.3040.566.200.06041075.50:46.346.91 10.16791175.40:39.626.210.05961091.2048.216.930.17371167.3038.696.230.05901106.8050.046.950.17971159.1037.796.250.05861122.00P 51.816.96 :0.18571150.80P 36.916.270.05831136.8053.496.980.19191142.4036.056.280.05821151.1055.087.000.19821134.0035.226.300.

30、05831164.80P 56.547.02 10.20461125.60P 34.426.320.05861177.8057.867.030.21121117.1033.636.340.05901190.0059.047.050.21781108.7032.886.350.05961201.50P 60.057.07 10.22451100.20P 32.146.370.06041212.1060.907.090.23131091.8031.446.390.06141221.8061.577.100.23821083.5030.756.410.06261230.60P 62.067.120.

31、24521075.20:30.096.420.06391238.5062.407.140.25241066.9029.446.440.06541245.5062.557.160.25951058.8028.826.460.06711251.60P 62.567.17 :0.26681050.80P 28.226.480.06891256.8062.417.190.27421042.8027.646.490.07101261.1062.137.210.28161034.9027.086.510.07321264.5061.717.230.28911027.2026.546.53 :0.07561267.10P 61.197.240.29661019.60P 26.036.550.07811268.9060.557.260.30421012.1025.526.560.08081269.9059.847.