HCCI 內(nèi)燃機(jī)燃燒機(jī)理測試與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)-

1、ABSTRACT論文分類號TK39 單位代碼10183 密級內(nèi)部研究生學(xué)號 2201310吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文題目:HCCI內(nèi)燃機(jī)燃燒機(jī)理測試與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)Topic: HCCI Engines Combusion Mechanisms Test and the Development of Experiment System作者姓名:常國峰專業(yè):熱能工程導(dǎo)師姓名及職稱:許思傳教授論文起止年月: 2001年09月至2003年02月吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要本文介紹了內(nèi)燃機(jī)(燃燒彈燃燒分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理、功能和特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用工業(yè)控制計算機(jī)和應(yīng)用軟件運(yùn)行方式,提高了系統(tǒng)的抗干擾性和可操作性

2、;采用數(shù)據(jù)采集卡配以自行開發(fā)的軟件,利用DMA技術(shù),對內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采樣;采用高速A/D,提高了系統(tǒng)的測量精度和分析精度,并建立了放熱規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。還論述了內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)參數(shù)的測量方法以及提高其測試精度的措施。此燃燒分析系統(tǒng)具有全中文界面、價格低、操作簡單、使用維護(hù)方便、功能便于擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過測試,證明此系統(tǒng)是一套準(zhǔn)確,高效,自動化程度高的內(nèi)燃機(jī)燃燒分析系統(tǒng)。系統(tǒng)在檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示,保存,輸出等方面具有十分突出的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞:內(nèi)燃機(jī);燃燒彈;工業(yè)控制計算機(jī);- V -ABSTRACTAbstractIn this paper, we introduced the structure,

3、mechanisms, power and virtues of the internal combustion engines (combustion bomb combustion analysis system. The system includes industrial PC and software to boost anti-jamming and maneuverability.Using Advanced Acquisition Card and self-developed software through DMA technology to collect engine

4、running-parameters such as cylinder pressure and temperature.In this system, we validated high speed A/D to improve testing and analysis accuracy. The self-developed software can describe successfully heat release rate. In addition, the paper offers a method to test engine running-parameters and a m

5、easure to improve testing accuracy the combustion analysis system has many virtues, such as chinese interface, low cost, manageable and easy to maintain and develop.The results show that that combustion analysis system is very accurate and effective. The system can display sane and output real time.

6、Keywords: Engine; Combustion Bomb; Industrial PC;吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄第一章緒論 (11.1 引言 (11.2 HCCI燃燒的技術(shù)特點(diǎn)和面臨的主要問題 (21.3 計算機(jī)檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 (41.4 HCCI燃燒技術(shù)在國外、國內(nèi)的研究情況 (71.5 本文的研究內(nèi)容 (8第二章氣缸內(nèi)熱力過程計算數(shù)學(xué)模型建立方法 (92.1氣缸內(nèi)熱力過程的基本微分方程 (92.2氣缸內(nèi)各階段的熱力過程分析 (132.3氣缸周壁的傳熱 (172.4燃燒放熱率的計算 (202.5熱力過程計算中需要注意的幾個問題 (23第三章 HCCI發(fā)動機(jī)燃燒分析系統(tǒng)的開發(fā) (

7、293.1開發(fā)背景 (293.2硬件結(jié)構(gòu) (293.3軟件設(shè)計 (343.4軟件的人機(jī)交互界面開發(fā) (40第四章試驗(yàn)結(jié)果分析 (46第五章全文總結(jié) (51致謝 (52參考文獻(xiàn) (53論文摘要 (- VII -ABSTRACT第一章緒論1.1 引言隨著世界各國排放法規(guī)日趨嚴(yán)格,低排放已經(jīng)成為發(fā)動機(jī)進(jìn)入市場的前提條件。同時,人們出于經(jīng)濟(jì)性考慮,對車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性要求也越來越高。與汽油機(jī)相比,柴油機(jī)具有較高的熱效率和優(yōu)越的燃油經(jīng)濟(jì)性,以及更低的HC和CO排放,受到越來越多發(fā)動機(jī)廠商的青睞。但是,傳統(tǒng)柴油機(jī)的排放存在一個難題:無法同時有效降低NOx和PM排放。因?yàn)镹Ox生成的主要機(jī)理是高溫富氧,為減少

8、NOx排放而采取的導(dǎo)致燃燒溫度降低的措施,往往會減少碳煙的氧化,從而導(dǎo)致碳煙排放惡化,這是以擴(kuò)散燃燒為主的傳統(tǒng)柴油機(jī)所無法避免的。因此,人們開始嘗試一種預(yù)混合燃燒和低溫燃燒相結(jié)合的新型燃燒方式:依靠預(yù)混合燃燒形成的均勻混合氣和低溫燃燒較低的缸內(nèi)溫度來同時降低PM和NOx排放。這種燃燒方式被稱作均質(zhì)壓燃式燃燒方式(Homogeneous Charge Compression Ignition combustion。采用這種燃燒方式的發(fā)動機(jī)不僅可以燃用柴油,還可以燃用汽油、天然氣和醇類等燃料2 3。在傳統(tǒng)的火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)上,均質(zhì)混合氣被火花塞點(diǎn)燃,火焰前鋒在均質(zhì)混合氣中傳播,火焰前鋒及其燃燒產(chǎn)物的

9、局部溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他未燃混合氣,因此燃燒過程和溫度分布極不均勻,局部的高溫易導(dǎo)致已燃區(qū)內(nèi)NOx 的生成3。傳統(tǒng)的柴油機(jī)采用擴(kuò)散燃燒,化學(xué)反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于燃料和空氣的混合與擴(kuò)散速率,燃燒快慢由混合擴(kuò)散速率決定;在這種類型的燃燒中,混合氣和溫度分布都極不均勻,擴(kuò)散火焰外殼的高溫區(qū)產(chǎn)生NOx,內(nèi)部高溫缺氧區(qū)產(chǎn)生PM。上述兩種傳統(tǒng)的燃燒方式存在著火溫度分布不均勻的問題,即局部高溫和整體平均低溫。從理論上講,在HCCI燃燒過程中,均勻的空氣與燃料混合氣及殘余廢氣被壓縮點(diǎn)燃,燃燒在多點(diǎn)同步發(fā)生無明顯火焰前鋒,燃燒溫度比較均勻,NOx和PM的形成能夠被有效抑止。在發(fā)動機(jī)整個工作過程中,燃燒始點(diǎn)和燃燒快慢的控制

10、是兩個主要問題。在HCCI中控制燃燒始點(diǎn)很困難,為了獲得良好的自燃就需要較高的充量溫度和壓縮比,而在發(fā)動機(jī)的整個工況范圍內(nèi),由于爆震和失火的限制,這樣高的溫度和壓縮比不可能在所有工況都實(shí)現(xiàn)。在傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)中,是靠空氣與燃油的混合率或火焰?zhèn)鞑ヂ蕘砜刂迫紵俾?但在HCCI中這兩種方式均不能被采用,采用高的廢氣再循環(huán)(EGR和稀的混合比能較好地控制燃燒速率。與傳統(tǒng)吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文的火花點(diǎn)火發(fā)動機(jī)相比,HCCI方式采用均勻的空氣與燃料混合氣,但是用壓燃代替火花塞點(diǎn)火方式;與傳統(tǒng)的柴油機(jī)相比,HCCI方式采用壓燃著火,但混合氣充量是均質(zhì)的。試驗(yàn)證明這種燃燒方式具有較高熱效率、低NOx 和PM排放

11、等優(yōu)點(diǎn)4。1.2 HCCI燃燒的技術(shù)特點(diǎn)和面臨的主要問題一.技術(shù)特點(diǎn)3HCCI采用均質(zhì)混合氣在發(fā)動機(jī)中壓縮燃燒,它不同于傳統(tǒng)的點(diǎn)燃式或壓燃式發(fā)動機(jī)。(1熱效率HCCI通常具有很高的放熱速率(見圖1-1,在一定的工況下,放熱速率可接近Otto循環(huán);沒有高溫區(qū)和不發(fā)光的燃燒,使得熱損失減小;因此HCCI有較高的熱效率。 圖1-1 規(guī)范化放熱率曲線(2排放研究HCCI方式的主要目的之一在于明顯減少某些有害物質(zhì)的排放(見圖1-2。1.Nox HCCI方式由于燃燒室中沒有高溫區(qū),能顯著減小NOx排放。HCCI是以較稀的混合比,大EGR燃燒,燃燒溫度明顯低于汽油機(jī)或柴油機(jī),- IX -ABSTRACT另外

12、一些研究HCCI的NOx排放數(shù)學(xué)模型的學(xué)者也討論過此類問題。不過目前NOx排放減少的結(jié)論都是在部分負(fù)荷條件下得出的,在相同過量空氣系數(shù)下,HCCI對降低NOx排放效果不大。 圖1-2 NOx排放2.PM目前的研究表明,采用HCCI的PM排放較低。PM減少的機(jī)理目前還不十分清楚,也沒有太多的文獻(xiàn)討論,不過大部分人認(rèn)為燃油碰壁擴(kuò)散燃燒和局部濃混合區(qū)的減少都有效地抑止了PM的形成。3.HC和CO人們普遍認(rèn)為與傳統(tǒng)的柴油機(jī)燃燒相比,HCCI的HC和CO 排放是增加的。導(dǎo)致這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因之一是由于HCCI采用較稀的混合氣和較強(qiáng)的EGR,缸內(nèi)溫度較低,最終使得HC和CO的氧化率下降,排放增加。(3運(yùn)行

13、范圍提高HCCI發(fā)動機(jī)高負(fù)荷時的功率輸出發(fā)動機(jī)采用HCCI方式運(yùn)行受到失火(混合氣過稀和敲缸(混合氣過濃的限制,失火信號一般用點(diǎn)火始點(diǎn)和最高燃燒壓力的急劇變動及功率迅速下降來判別。敲缸用爆震儀來檢測。進(jìn)氣溫度、EGR等都會影響失火和爆震的產(chǎn)生。目前HCCI方式在2行程發(fā)動機(jī)上主要應(yīng)用在中低負(fù)荷工況區(qū)。二.面臨的主要問題4HCCI在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用有著誘人的前景,但目前還有許多問題有待進(jìn)一步解決。根據(jù)工作方式不同,HCCI發(fā)動機(jī)可以分為專用HCCI發(fā)動機(jī)和“雙模式”HCCI發(fā)動機(jī)。前者在發(fā)動機(jī)的全部工況下都采用HCCI燃燒方式;而后者則在部分負(fù)荷下用HCCI燃燒方式工作,在很高負(fù)荷及全負(fù)荷下采用傳

14、吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文統(tǒng)柴油機(jī)或汽油機(jī)的工作方式。其中專用HCCI發(fā)動機(jī)是研究者正在力求實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。它具有改善發(fā)動機(jī)全部工況下排放狀況以及提高經(jīng)濟(jì)性能的潛力,但是專用HCCI發(fā)動機(jī)的實(shí)現(xiàn)還面臨一些難題。(1燃燒相位的控制HCCI是一個復(fù)雜的過程,其影響因素很多,其中包括燃料的自燃特性和蒸發(fā)潛熱;混合氣的均勻度;殘余廢氣量及其反應(yīng)活力,壓縮比,進(jìn)氣溫度和機(jī)體溫度;傳熱及其他相關(guān)因素。(2功率輸出HCCI方式目前的主要缺點(diǎn)是功率輸出不理想。當(dāng)EGR較強(qiáng),空燃比較大時,HCCI燃燒比較穩(wěn)定;但當(dāng)壓縮比接近理論壓縮比時,燃燒穩(wěn)定性下降,排放變差。HCCI燃燒是一種稀燃反應(yīng)。稀薄燃燒的特點(diǎn)和為避免混合氣在

15、壓縮過程中過早著火所采取的降低壓縮比和提高EGR率的措施,導(dǎo)致專用HCCI發(fā)動機(jī)在高負(fù)荷下功率輸出不足。(3均質(zhì)混合氣的準(zhǔn)備均質(zhì)混合氣的準(zhǔn)備對于減少HC和PM排放,獲得較高的熱效率很關(guān)鍵,燃油對燃燒室壁面的濺擊直接影響HC排放,燃燒室中混合氣不均質(zhì)將使NOx排放增加。1.3 計算機(jī)檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀計算機(jī)的出現(xiàn),在科學(xué)技術(shù)上引起了一場深刻的革命。特別是近年來半導(dǎo)體電路的高度集成化,其運(yùn)行速度和工作可靠性的提高、成本的不斷降低,使計算機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防以至日常生活的各個領(lǐng)域。電子計算機(jī)不僅在數(shù)據(jù)處理、科學(xué)計算等方面應(yīng)用極廣,而且在工業(yè)自動檢測方面也得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于微型計算機(jī)具

16、有成本低、體積小、功耗少、可靠性高和使用靈活等特點(diǎn),為實(shí)現(xiàn)計算機(jī)檢測創(chuàng)造了良好的條件,使計算機(jī)檢測技術(shù)的水平發(fā)展到一個嶄新的階段33。一.硬件組成7微型計算機(jī)(簡稱微型機(jī)控制系統(tǒng)的硬件一般是由微型機(jī)、外部設(shè)備、輸入輸出通道等組成。(1微型機(jī)微型機(jī)是具有完整運(yùn)行功能的計算機(jī),它除了有相應(yīng)的微處理器作為核- XI -ABSTRACT心部件外,還應(yīng)包括存貯器、輸入/輸出電路以及其它配套電路。在控制系統(tǒng)中,微型機(jī)完成程序存貯、程序執(zhí)行等功能。即進(jìn)行必要的數(shù)值計算、邏輯判斷和其他處理工作。(2外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)微型機(jī)和外界交換信息的功能的設(shè)備稱為外部設(shè)備(簡稱外設(shè)。外部設(shè)備包括人-機(jī)通信設(shè)備、輸入/輸出設(shè)備和

17、外存貯器等。(3輸入輸出通道輸入輸出通道是計算機(jī)和生產(chǎn)過程之間設(shè)置信息傳遞和變換的連接通道,它的作用有:一方面將工業(yè)對象的生產(chǎn)過程參數(shù)取出,經(jīng)傳感器(一次儀表變換成計算機(jī)能夠接受和識別的代碼。另一方面將計算機(jī)輸出的控制命令和數(shù)據(jù),經(jīng)過變換后作為操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號,以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。輸入輸出通道一般分為:模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關(guān)量輸入通道、開關(guān)量輸出通道。自動化儀表則包括測量元件、檢測儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。直接將輸入輸出通道與工業(yè)對象發(fā)生聯(lián)系。二.計算機(jī)檢測系統(tǒng)的軟件軟件是指計算機(jī)檢測系統(tǒng)的程序系統(tǒng)。軟件通常分為兩大類:一類是系統(tǒng)軟件,另一類是應(yīng)用軟件。系統(tǒng)

18、軟件包括程序設(shè)計系統(tǒng)、操作系統(tǒng)以及與計算機(jī)密切相關(guān)的程序。帶有一定的通用性,由計算機(jī)制造廠提供。應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的實(shí)際問題而編寫的各種程序。在微型機(jī)檢測系統(tǒng)中,每個檢測對象或檢測任務(wù)都配有相應(yīng)的檢測程序,用這些檢測程序來完成對各個檢測對象的不同要求。這種為檢測目的而編制的程序,通常稱為應(yīng)用程序。這些程序的編制,首先要建立符合實(shí)際的數(shù)學(xué)模型,確定控制檢測算法和檢測功能,然后將其編成相應(yīng)的程序。計算機(jī)檢測系統(tǒng)隨著硬件技術(shù)的日臻完善,對軟件提出了越來越高的要求。只有軟件和硬件相互間有機(jī)的配合,才能充分發(fā)揮計算機(jī)的優(yōu)勢,研制出完善的計算機(jī)檢測系統(tǒng)。三.工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn)數(shù)字計算機(jī)的運(yùn)算和邏輯功能

19、,可以有效地滿足當(dāng)代復(fù)雜生產(chǎn)過程的檢測要求。用于生產(chǎn)過程檢測的數(shù)字計算機(jī),通常稱為生產(chǎn)過程檢測用計算機(jī)吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文系統(tǒng)(簡稱工業(yè)計算機(jī)。工業(yè)計算機(jī)一般有以下特點(diǎn):(1工業(yè)計算機(jī)可靠性和可維修性。工業(yè)計算機(jī)可靠性和可維修性是兩項非常重要的因素它們決定系統(tǒng)在檢測上的可用程度,用計算機(jī)檢測連續(xù)性工業(yè)過程要求高度的可靠。(2環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)工業(yè)計算機(jī)除特殊要求外,一般應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場,易受環(huán)境條件,如強(qiáng)電流、強(qiáng)磁場、腐蝕性氣體、灰塵、溫度變化的影響,這些都會影響計算機(jī)的可靠性和使用壽命。(3檢測的實(shí)時性所謂實(shí)時是指信號的輸入,計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成,亦即計算機(jī)對輸入信息,以足夠快的速

20、度進(jìn)行處理,并在一定的時間內(nèi)作出反應(yīng)。(4較完善的輸入輸出通道為了對生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)過程進(jìn)行檢測,計算機(jī)經(jīng)常不斷地與被檢測的工業(yè)對象變換信息。通常,需要配備較完善的輸入輸出通道,如模擬量輸入、開關(guān)量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸出、人-機(jī)通信設(shè)備等。(5較豐富的軟件工業(yè)控制計算機(jī)應(yīng)配備有比較完整的操作系統(tǒng)和適合生產(chǎn)過程檢測的應(yīng)用程序,使機(jī)器的操作簡單、使用合理、檢測性能高。(6適當(dāng)?shù)挠嬎銠C(jī)精度和運(yùn)算速度一般工業(yè)對象,對于精度和運(yùn)算速度要求并不苛刻。通常字長為832位。但隨著自動化程度的發(fā)展,對于精度和運(yùn)算速度的要求也在不斷提高,應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用對象及使用方式,選取合適的機(jī)型。四.微型計算機(jī)檢測系統(tǒng)的

21、發(fā)展趨勢微型計算機(jī)檢測系統(tǒng)的發(fā)展是與組成該檢測系統(tǒng)的核心部分微型機(jī)的發(fā)展緊密相連的。微型機(jī)和微處理器自從70年代崛起以來,發(fā)展極為迅猛:芯片的集成度越來越高;半導(dǎo)體存貯器的容量越來越大;檢測和計算性能,幾乎每兩年就提高一個數(shù)量級;另外大量新型接口和專用芯片不斷涌現(xiàn),軟件的日益完善和豐富,大大擴(kuò)大了微型計算機(jī)的功能,這為促進(jìn)微型計算機(jī)檢測系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。目前,微型計算機(jī)檢測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是普及工業(yè)用- XIII -ABSTRACT可編程序控制器(簡稱PC。工業(yè)用可編程序控制器,是采用微型機(jī)芯片,根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)而發(fā)展起來的一種控制器,它具有下述特點(diǎn):(1可靠性高,有較強(qiáng)的抗干擾能力,

22、便于工業(yè)現(xiàn)場使用,一旦出現(xiàn)故障,具有停電保護(hù)、自診斷等功能。(2采用功能模塊化結(jié)構(gòu),可根據(jù)要求,進(jìn)行組合和擴(kuò)充。(3具有獨(dú)立的編程器,編程簡單、易于掌握。(4價格低廉?？梢灶A(yù)料,進(jìn)一步完善和系列化的PC將作為下一代通用檢測設(shè)備,大量地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)自動化系統(tǒng)中。1.4 HCCI燃燒技術(shù)在國外、國內(nèi)的研究情況1979年,Onishi等人在2行程發(fā)動機(jī)上進(jìn)行HCCI的研究4,發(fā)現(xiàn)低負(fù)荷工況下,在1000r/min-4000 r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)HCCI都比傳統(tǒng)的工作方式有更好的工作穩(wěn)定性,燃油經(jīng)濟(jì)性和排放也都有顯著的改進(jìn)。Lida在1994年的實(shí)驗(yàn)表明,在2行程發(fā)動機(jī)上用甲醇作燃料,HCCI方式

23、的工作范圍可以明顯擴(kuò)展。Honda公司于1997年已展示了采用HCCI的2行程發(fā)動機(jī),IPF公司也開發(fā)了應(yīng)用HCCI概念的2行程發(fā)動機(jī)。在這兩款發(fā)動機(jī)中,HCCI被用來改進(jìn)部分負(fù)荷的穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟(jì)性,減少HC排放。1983年,Niat和Foster指出在4行程發(fā)動機(jī)上也可采用HCCI方式。1989年,Thring首次采用兩種燃燒模式,即在大負(fù)荷使用火花點(diǎn)火方式,在部分負(fù)荷采用HCCI方式。Ryan和Challahan繼續(xù)了這項工作,發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用柴油時不能采用太高壓縮比。1992年,Stockinger等人首次在實(shí)用的1.6L VW發(fā)動機(jī)上研究HCCI,使工作負(fù)荷范圍從14%拓寬到34%。199

24、7年,Christensen, Johansson等人采用異辛烷(辛烷值100,酒精(辛烷值 107天然氣(辛烷值120等3種燃料進(jìn)行HCCI試驗(yàn),結(jié)果表明高的辛烷值對于HCCI方式是有益的。1998年,Christensen,Johansson,Amneus和Manse的研究結(jié)果表明,采用增壓可增加發(fā)動機(jī)使用HCCI燃燒方式時的平均有效壓力。1999年, Christensen等人的試驗(yàn)又證明了幾乎所有的液體燃料都能用于可變壓縮比的HCCI方式中。美國西南研究院也很早就開展柴油機(jī)“預(yù)混稀燃”的研究,利用類似于汽油進(jìn)氣道低壓噴射的方法把柴油直接噴入進(jìn)氣管中;為了使柴油和空氣加速混合,采用進(jìn)氣管

25、加熱和EGR;預(yù)混的稀混合氣經(jīng)壓縮后多點(diǎn)著火,消除吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文了擴(kuò)散燃燒,稀混合氣降低火焰溫度,可使NOx排放比普通柴油機(jī)減少98%之多,由于氣缸內(nèi)不存在局部混合氣過濃區(qū)可使PM的排放減少27%,指示熱效率有所改善。上述研究結(jié)果表明,HCCI方式既可用在2行程發(fā)動機(jī)上,也可用在4行程發(fā)動機(jī)上,但應(yīng)用的工作范圍受到一定限制;HCCI方式具有較高熱效率、低的NOx和PM排放及較小的循環(huán)變動等優(yōu)點(diǎn);采用增壓可有效擴(kuò)大發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定工作范圍并增大平均有效壓力。HCCI方式的主要問題是很難在全部轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下控制著火時間和相位;此外,該方式在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中使CO和HC排放增加。1.5 本文的研究內(nèi)容目

26、前,在對內(nèi)燃機(jī)燃燒基礎(chǔ)研究中,一般可以采用的實(shí)驗(yàn)裝置有兩種:內(nèi)燃機(jī)和定容燃燒彈。其中采用內(nèi)燃機(jī)的較多,因?yàn)橛脙?nèi)燃機(jī)作實(shí)驗(yàn)有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,可信度高等優(yōu)點(diǎn)。但也存在著不足,就是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)較為復(fù)雜,過程不易于控制。為了克服這一缺點(diǎn),也有科研人員采用定容燃燒彈來進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)燃燒實(shí)驗(yàn)。定容燃燒彈(簡稱容彈主要模擬活塞在上止點(diǎn)附近內(nèi)燃機(jī)的燃燒,其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。它能改變?nèi)輳梼?nèi)的熱力參數(shù)、湍流參數(shù)以及點(diǎn)火參數(shù),能夠方便地研究單一參數(shù)的變化對燃燒過程的影響,因而成為內(nèi)燃機(jī)燃燒基礎(chǔ)研究經(jīng)常采用的方法。內(nèi)燃機(jī)燃燒分析的實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、實(shí)時的測量是整個實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵,現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)燃燒分析系統(tǒng)功能已經(jīng)變得越來越強(qiáng)大,但這

27、些燃燒分析系統(tǒng)又有一定的局限性,它的熱力學(xué)模型和傳熱學(xué)模型都是固化的模型,我們不能根據(jù)自己的要求進(jìn)行比較分析。更為重要的是,現(xiàn)有的燃燒分析系統(tǒng)都是內(nèi)燃機(jī)燃燒分析系統(tǒng),不能用于燃燒彈。與內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程相比燃燒彈的燃燒過程只是時間的函數(shù),而不同于普通內(nèi)燃機(jī)燃燒分析系統(tǒng)中的輸出量都是曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)。所以,以往的內(nèi)燃機(jī)燃燒分析系統(tǒng)不適合燃燒彈的燃燒分析?；谶@些方面,開發(fā)了新的燃燒分析系統(tǒng)就顯得十分的必要。本論文就是詳細(xì)論述這種能用于定容燃燒的燃燒分析系統(tǒng)的開發(fā)過程。- XV -ABSTRACT第二章氣缸內(nèi)熱力過程計算數(shù)學(xué)模型建立方法2.1 氣缸內(nèi)熱力過程的基本微分方程內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)的工作過程是很復(fù)雜

28、的,它是包含物理、化學(xué)、流動、傳熱、傳質(zhì)等的綜合過程。為了描述氣缸內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)變化,視氣缸為一個熱力系統(tǒng),系統(tǒng)的邊界由活塞頂、氣缸蓋及氣缸套諸壁面組成,如圖21所示。系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)由壓力p、溫度T、質(zhì)量m這三個基本參數(shù)所確定,并以能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程及理想氣體狀態(tài)方程把整個工作過程聯(lián)系起來。利用上述三個方程聯(lián)合求解,解出氣缸內(nèi)壓力p、溫度T及質(zhì)量m三個基本參數(shù)。以下的分析是對實(shí)際內(nèi)燃機(jī)的熱力過程分析,而對于燃燒彈的熱力過程分析略有區(qū)別。我們知道燃燒彈的體積是不隨時間改變的,這樣我們就可以對本章的各式進(jìn)行相應(yīng)的定容簡化,就得到燃燒彈的熱力過程數(shù)學(xué)模型。 圖2-1 氣缸內(nèi)工作過程簡圖一.基本假

29、設(shè)5氣缸內(nèi)熱力過程計算時,為了使問題簡化,特作如下基本假設(shè):吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文- XVII -(1氣缸內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)均勻,即同一瞬時氣缸內(nèi)各點(diǎn)的壓力、溫度和濃度處處相等。并假定在進(jìn)氣期間,通過系統(tǒng)邊界進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣與氣缸內(nèi)的殘余廢氣實(shí)現(xiàn)瞬時的完全混合。(2工質(zhì)為理想氣體,其比熱容c 、內(nèi)能u 、焓h 等參數(shù)僅與氣體溫度T 及氣體成分(瞬時過量空氣系數(shù)有關(guān)。(3氣體流入或流出氣缸的流動過程為準(zhǔn)穩(wěn)定流動過程,即在足夠小的計算步長內(nèi)視為穩(wěn)定流動。(4工質(zhì)進(jìn)、出口處的流動動能忽略不計。假定系統(tǒng)邊界內(nèi)同一瞬時各點(diǎn)熱力狀態(tài)、化學(xué)成分完全相同的系統(tǒng)稱為零維系統(tǒng)。顯然零維系統(tǒng)內(nèi)壓力、溫度、濃度等各項參數(shù)不隨

30、空間坐標(biāo)而變化,只隨時間(或曲軸轉(zhuǎn)角而變化。為了簡化計算,上述所作的基本假設(shè)又稱為零維假設(shè)。按照這些假設(shè),零維系統(tǒng)內(nèi)的狀態(tài)變化可用常微分方程來描述。這種把內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際工作過程假定為一個或多個零維系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)值計算的數(shù)學(xué)模型稱為零維模型。二.基本微分方程(1能量守恒方程如圖21所示的系統(tǒng)中,能量守恒方程(熱力學(xué)第一定律可寫成下列通用形式:+=I jj j I dm h dQ dW dU (2-1式中 U 系統(tǒng)的內(nèi)能;W 作用在活塞上的機(jī)械功;Q 通過系統(tǒng)邊界交換的熱量;j h 第J 種物質(zhì)的比焓;j j dm h 質(zhì)量j dm 帶入(或帶出系統(tǒng)的能量。而 mdu udm u m d dU +=(

31、 (2-2 式中 m 系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量;u 比內(nèi)能。方程式中的正負(fù)號,作統(tǒng)一規(guī)定:加入系統(tǒng)的能量、質(zhì)量為正值;從系統(tǒng)取出的能量、質(zhì)量為負(fù)值。通過系統(tǒng)邊界交換的各種能量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化ABSTRACT率有下列各項:機(jī)械功 d dV p d dW = (2-3 按上述正負(fù)號規(guī)定,壓縮時向系統(tǒng)加入的功取正值,此時容積減小,dV 為負(fù)值,故容積變化所作的功必須加上負(fù)號。熱量 d dQ d dQ d dQ w B i i += (2-4 進(jìn)、排氣質(zhì)量帶入(或帶出的能量:d dm h d dm h d dm h e e s s j jj += (2-5 式中 p 氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力;V 氣缸工作容積;Q B 燃

32、料在氣缸內(nèi)燃燒放出的熱量;Q w 通過氣缸諸壁面?zhèn)魅牖騻鞒龅臒崃?m s 流入氣缸的質(zhì)量;m e 流出氣缸的質(zhì)量;h s .h e 進(jìn)氣門處和排氣門處工質(zhì)的比焓通常情況,氣缸內(nèi)的比內(nèi)能u 和質(zhì)量m 同時發(fā)生變化,故有:d du m d dm u d u m d d dU +=( (2-6 對于柴油機(jī),內(nèi)能可簡化為溫度T 和廣義過量空氣系數(shù)(表征工質(zhì)的成分的函數(shù),即u =u (T ,。將u 寫成全微分的形式:d d u d dT T u d du += (2-7 故式(2-6可寫成:(d d u d dT T u m d dm u d u m d += (2-8 將式(2-3、式(2-4、式(2

33、-5代入式(2-1,可整理成下列能量守恒方程:吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文- XIX -d dm h d dm h d dV P d dQ d dQ d u m d e e s s W B +=( (2-9 將式(2-8代入(2-9,并注意到v c Tu =,則得溫度T 對曲軸轉(zhuǎn)角得微分方程為:(d d u m d dm u d dm h d dm h d dV p d dQ d dQ c m d dT e e s s w B v +=1 (2-10若忽略對u 的影響即0=u 則式(2-10可簡化為: (d dm u d dm h d dm h d dV p d dQ d dQ c m d dT e

34、e s s w B v +=1 (2-11(2質(zhì)量守恒方程如圖21所示,按照質(zhì)量守恒原理,通過系統(tǒng)邊界交換的質(zhì)量總和等于系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量變化,即=jj dm dm (2-12若忽略漏泄,則通過系統(tǒng)邊界交換的質(zhì)量為:流入氣缸的空氣質(zhì)量m s 、流出氣缸的廢氣質(zhì)量m e 、噴入氣缸內(nèi)的瞬時燃料質(zhì)量m B 。質(zhì)量守恒方程表達(dá)為:d dm d dm d dm d dm B e s += (2-13 若已知發(fā)動機(jī)的循環(huán)噴油量為f g (kg /cyc ,氣缸內(nèi)燃料燃燒百分?jǐn)?shù)X =fB g m l00%,則 d dX g d dm j B = (2-14 燃料燃燒放出熱量隨的變化率為:u u f B H d

35、 dX g d dQ = (2-15ABSTRACT式中 H u 一燃料低熱值;u 燃燒效率,計及不完全燃燒的影響,其值取決于燃燒狀況。通常為了簡化計算,取u =1。d dX g d dm d dm d dm f e s += (2-16 (3理想氣體狀態(tài)方程mRT pV = (2-17 能量守恒方程式(2-10、質(zhì)量守恒方程式(2-13和狀態(tài)方程式(2-17,三個方程聯(lián)合求解即可解得確定氣缸內(nèi)狀態(tài)的三個參數(shù):壓力p 溫度T 及質(zhì)量m 。2.2 氣缸內(nèi)各階段的熱力過程分析在氣缸內(nèi),微分方程組的求解計算是分階段進(jìn)行的。如圖2-1所示:通常選擇實(shí)際壓縮始點(diǎn),即進(jìn)氣門關(guān)閉時刻作為計算始點(diǎn),一直逐步計

36、算到下一個循環(huán)的進(jìn)氣門關(guān)閉時刻結(jié)束。將內(nèi)燃機(jī)一個工作循環(huán)劃分為壓縮、燃燒、膨脹、排氣、進(jìn)排氣門疊開和進(jìn)氣等六個階段。各階的起止時刻由配氣正時控制。配氣正時角度值作為已知數(shù)據(jù)錄入。在不同階段中,能量守恒方程式(2-10、質(zhì)量守恒方程式(2-13可作簡化。下面按各個階段分別進(jìn)行分析。 圖2-2 氣缸內(nèi)工作過程計算各階段劃分示意圖一.壓縮階段吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文- XXI -壓縮階段由進(jìn)氣門關(guān)閉時刻起至顯著燃燒開始時刻止。此階段中進(jìn)、排氣門均處于關(guān)閉狀態(tài),若不計漏氣損失、并假定在燃燒開始時才有燃料噴入氣缸,故壓縮階段中氣缸內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量保持不變,0=d dm s ,0=d dm e ,0=d dm B

37、。 質(zhì)量守恒方程式(2-13簡化為0=d dm (2-18 壓縮階段,既無氣體流入氣缸內(nèi)與工質(zhì)混合,又無燃燒反應(yīng),因此工質(zhì)成分不變,瞬時廣義過量空氣系數(shù)等于定值。即0=d d 。由于無燃燒反應(yīng),故常0=d dQ B ,這樣能量守恒方程式(2-18簡化為 (d dV p d dQ c m d dT W v =1 (2-19二.燃燒階段燃燒階段由燃燒開始時刻起至燃燒終點(diǎn)止。此階段中,進(jìn)、排氣門處于關(guān)閉狀態(tài),d dm s =0,0=d dme ,但有燃料逐步噴入氣缸,故質(zhì)量守恒方程式(2-16簡化為:d dX g d dm d dm f B = (2-20 在燃燒階段,能量守恒方程式(2-10簡化為

38、(d d u m d dm u d dV p d dQ d dQ c m d dT w B v +=1 (2-21 若忽略對u 的影響,能量守恒方程式(2-11簡化為:(d dm u d dV p d dQ d dQ c m d dT w B v +=1 (2-22 將式(2-15、式(2-16代入式(2-22后,能量守恒方程可整理成:ABSTRACT(+=d dV p d dQ d dX u H g c m d dT W u u f v 1 (2-23三.膨脹階段膨脹階段由燃燒終點(diǎn)起至排氣門開啟時刻止。此階段與壓縮階段類似,進(jìn)、排氣門關(guān)閉,無燃料噴入氣缸,氣缸內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量不變,但工質(zhì)數(shù)量上比壓

39、縮階段增加了一個循環(huán)的噴油量f g ,即0=d dm s ,0=d dm e ,0=d dm B ,0=d d 質(zhì)量守恒方程式(2-13簡化成與壓縮階段相同的形式,即0=d dm (2-24 能量守恒方程式(2-10亦簡化成與壓縮階段相同的形式:(d dV p d dQ c m d dT w v =1 (2-25四.排氣階段 單純排氣階段由排氣門開啟時刻起至進(jìn)氣門開啟時刻止。此階段中,d dm s =0,0=d dm B ,0=d d 質(zhì)量守恒方程式(2-13簡化為: d dm d dm e = (2-26 能量守恒方程式(2-10簡化為(d dm u d dm h d dV p d dQ c

40、 m d dT e e w v +=1 (2-27 將式(2-26代入式(2-27后。整理得(d dm u h d dV p d dQ c m d dT e e w v +=1 (2-28五.進(jìn)氣階段吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文- XXIII - 單純進(jìn)氣階段由排氣門關(guān)閉起至進(jìn)氣門關(guān)閉止。此階段中,d dm s =0,0=d dm B ,質(zhì)量守恒方程式(2-13簡化為: d dm d dm s = (2-29 能量守恒方程式(2-10簡化為(d d u m d dm u d dm h d dV p d dQ c m d dT s s w v +=1 (2-30 若忽略對u 的影響,能量守恒方程式(2-

41、11簡化為(d dm u d dm h d dV p d dQ c m d dT s s w v +=1 (2-31 代入式(2-29后,式(2-31可整理成(d dm u h d dV p d dQ c m d dT s s w v +=1 (2-32六.進(jìn)徘氣門疊開階段進(jìn)排氣門疊開階段由進(jìn)氣門開啟至排氣門關(guān)閉止。此階段中,有新氣進(jìn)入氣缸。同時又有廢氣流出氣缸。氣門疊開階段無燃燒反應(yīng),0=d dm B ,0=d dQ B ,氣門疊開階段的質(zhì)量守恒方程為: d dm d dm d dm e s += (2-33 能量守恒方程式(2-10簡化為(d d u m d dm u d dm h d d

42、m h d dV p d dQ c m d dT e e s s w v +=1 (2-34 將式(2-33代入后,能量守恒方程式(2-11整理成:(d dm u h d dm u h d dV p d dQ c m d dT e e s s w v +=1 (2-35ABSTRACT七.氣缸工作容積內(nèi)燃機(jī)工作過程計算中,發(fā)動機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。如氣缸直徑D 、活塞行程S 、連桿曲柄比、壓縮余隙容積V 、壓縮比等均作為已知數(shù)據(jù)輸入,根據(jù)這些數(shù)據(jù)即可算得氣缸工作容積及其它幾何參數(shù)。瞬時氣缸工作容積為: +=180sin 11180cos 11214222S S D V (2-36式中,曲軸轉(zhuǎn)角(A

43、 從曲柄在上止點(diǎn)時取=0算起。氣缸容積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變率為: + =180sin 12180sin 2180sin 18082222S D d dV (2-37 式中 CS C V V V += -壓縮比 S D V S 24= -氣缸工作容積2.3氣缸周壁的傳熱工質(zhì)向氣缸蓋底面、活塞頂面和氣缸套的濕潤表面等燃燒室諸壁畫的換熱量W Q 是能量守恒方程中的一個部分。根據(jù)工質(zhì)對燃燒室周壁面的瞬時平均換熱系數(shù)g 和壁面的平均溫度W T ,可以計算出W Q 。按傳熱學(xué)中的牛頓公式,單位曲軸角的換熱量可寫成:(=31311i i Wi i g Wi W T T A d dQ d dQ (2-38 式中 角

44、速度;g 瞬時平均換熱系數(shù);A 換熱面積;T 氣缸內(nèi)工質(zhì)瞬時溫度;吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文- XXV -w T 壁面的平均溫度;i=1氣缸蓋;i=2活塞;i=3氣缸套。氣缸套的濕潤表面3A 隨的變化值,可按活塞位移公式算出?；钊灰齐S的變化為:( +=180sin 11180cos 11222S x (2-39 氣缸套濕潤表面面積3A 為:(x S D A c +=3 (2-40式中 c S 余隙高度。計算工質(zhì)和燃燒室諸壁面的瞬時換熱量的關(guān)鍵是確定瞬時平均換熱系數(shù)g ?，F(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)瞬時平均換熱系數(shù)g 的計算公式較多,基本上可歸納成兩大類:純經(jīng)驗(yàn)公式和準(zhǔn)則公式。目前還經(jīng)常被引用的純經(jīng)驗(yàn)公式如Eich

45、elberg 公式,準(zhǔn)則公式如Woschni 公式、Sitkei 公式等。由于影響氣缸內(nèi)工質(zhì)換熱的因素較多,問題比較復(fù)雜,加之各研究者對影響換熱過程諸因素的不同理解,以及試驗(yàn)機(jī)型及條件不同,各公式之間差異較大。下面介紹幾種g 計算公式。1.Eichelberg 公式(1939 本公式是純經(jīng)驗(yàn)公式,試驗(yàn)是在非增壓、低速大型二沖程柴油機(jī)上進(jìn)行的。后來的一些研究者指出,該公式中對活塞平均速度m C 的作用估計偏低。由于本公式很簡單,目前還經(jīng)常被引用。g =T p C m 38.7 (2-412.Wosckni 公式(1970年 Wosckni 公式是以如下的短管內(nèi)受迫流動對流換熱準(zhǔn)則方程為根據(jù):8.

46、0Re 035.0=Nu (2-42在直噴式和預(yù)燃室式四沖程增壓柴油機(jī)、火花點(diǎn)火式汽油機(jī)上進(jìn)行比較廣泛的試驗(yàn),整理得出的公式。本公式適用范圍較廣,目前被廣泛采用,但使用本公式時,式中的穩(wěn)流吹風(fēng)試驗(yàn)切向速度u C 等不容易準(zhǔn)確地被確定。ABSTRACT(8T 氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度,K ;D 氣缸直徑,m ;m C 活塞平均速度,m/s ;a p 壓縮始點(diǎn)時的氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力,Mpa ;s T 壓縮始點(diǎn)時的氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度,K ;a V 壓縮始點(diǎn)時的氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力氣缸容積,3m ;s V 氣缸工作容積,3m ;0p 發(fā)動機(jī)倒拖時的氣缸壓力,MPa ;u C 穩(wěn)流吹風(fēng)試驗(yàn)時,風(fēng)速計葉片的切向速度;1C 氣流速

47、度系數(shù);2C 燃燒室形狀系數(shù);3.Sitkei 公式(1972年 Sitkei 公式從下列準(zhǔn)則方程出發(fā)7.0Re =Nu (2-44并在直噴式四沖程小型柴油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)整理得到計算公式。本公式在小型柴油機(jī)計算中目前還較常被引用:e g C p T d b += (2-45 式中 e d 當(dāng)量直徑,h D h D d e 22+=,m ;D 氣缸直徑,m ;h 曲軸轉(zhuǎn)角為時,活塞頂面至氣缸蓋燃燒室表面的距離,m ;T 氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度,K ;P 氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力,MPa ;m C 活塞平均速度,m/s ;b 經(jīng)驗(yàn)常數(shù);4.朱訪君公式(1988年由于各g 計算公式差異較大,在分析現(xiàn)有的瞬時平均換熱系數(shù)

48、g 各計算公式的基礎(chǔ)上,從目前傳熱學(xué)中普遍認(rèn)同的短管內(nèi)受迫流動換熱的準(zhǔn)則方程8.0Re =C Nu 出發(fā),根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及應(yīng)用誤差理論和回歸分析處理,得出吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 - XXVII -一個回歸公式:8T 氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度,K ;p 氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力,Mpa ;m C 活塞平均速度,m/s ;a p 壓縮始點(diǎn)時的氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力,Mpa ;a V 壓縮始點(diǎn)時的氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力氣缸容積,3m ;V 氣缸瞬時容積,3m ;考慮到燃燒后缸內(nèi)壓力迅速增加產(chǎn)生擾動對換熱系數(shù)g 的影響而引入了附加系數(shù)b ,研究表明,系數(shù)b 與max p 明顯線性相關(guān)。式中 max p 最高燃燒壓力,MPa 。若采用工程單位

49、制,式(2-46,式(2-47分別整理為: 82.4燃燒放熱率的計算 氣缸內(nèi)燃料燃燒的瞬時燃燒放熱率按下式確定d dX H g d dQ u u f B = (2-50 氣缸內(nèi)燃料燃燒百分?jǐn)?shù)X 是表示某曲鈾轉(zhuǎn)角時,累計已燃燒掉的燃料量B m 與循環(huán)噴油量f g 之比,即:%100=fB g m X (2-51ABSTRACT式中 u 燃燒效率;d dX 燃燒速率,或稱放熱率。 由于內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程極為復(fù)雜,燃燒放熱率(f d dQ B =或(f d dX =的函數(shù)形式顯然將是極為復(fù)雜的。它與燃燒的物理、化學(xué)過程,發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)等眾多因素有關(guān),難于用一個精確的數(shù)學(xué)方程式進(jìn)行描述。目前

50、確定d dQ B 或d dX 常用下列幾種方法: (1利用現(xiàn)有發(fā)動機(jī)的實(shí)測示功圖進(jìn)行數(shù)值分析,計算出燃燒放熱率d dQ B (或d dX ,以此作為已知輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行工作過程計算。這種方法接近實(shí)際燃燒過程,但需有母型機(jī),并要求有較精確的實(shí)測p 示功圖及有關(guān)實(shí)測參數(shù)。(2采用半經(jīng)驗(yàn)公式,并選擇適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)系數(shù),模擬實(shí)際的燃燒規(guī)律。目前國內(nèi)外較通用的計算放熱率的半經(jīng)驗(yàn)公式是韋柏公式。此外,有時也用一些簡單數(shù)學(xué)函數(shù)模擬實(shí)際燃燒過程。不論是只用韋柏函數(shù)或其它簡單數(shù)學(xué)函數(shù)去模擬實(shí)際燃燒放熱規(guī)律的燃燒模型,這些均稱經(jīng)驗(yàn)燃燒模型或零維燃燒模型(3準(zhǔn)維燃燒慣型。從實(shí)際燃燒的物理、化學(xué)過程出發(fā),建立簡化的燃燒模型,

51、模型考慮燃燒過程的中間細(xì)節(jié),如油束的形成和發(fā)展,油滴與空氣的相對運(yùn)動、氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度分布、油滴及油氣濃度分布等因素,劃分區(qū)域進(jìn)行計算,這種模型較為接近實(shí)際燃燒過程。要精確模擬內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際燃燒過程需要在氣缸內(nèi)建立三維非穩(wěn)態(tài)計算模型。這種模型考慮流體的可壓縮性和粘性,考慮油束貫穿、油滴破碎、氣化及空氣的卷吸,考慮紊流擴(kuò)散和混合。將燃燒室空間劃分成足夠多的且隨實(shí)際過程進(jìn)行而相應(yīng)“壓縮”、“膨脹”曲立方網(wǎng)格,在每個網(wǎng)格上建立Navier Stokes 方程,然后求解這些成千上萬個方程的微分方程組。誠然,目前要建立這種精細(xì)模型是相當(dāng)困難的,要求解如此大型的微分方程組仍嫌當(dāng)今計算機(jī)計算速度不夠。下面對本系

52、統(tǒng)所采用的用實(shí)測示功圖計算燃燒放熱率的方法進(jìn)行敘述。目前關(guān)于利用實(shí)測示功圖計算燃燒放熱率的文獻(xiàn)資料很多它們的原理吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文- XXIX - 都是根據(jù)氣缸內(nèi)的能量守恒方程進(jìn)行計算的:d dQ d dW d dU d dQ w B += (2-52 方程式(2-52的物理涵義是:氣缸內(nèi)燃燒放熱率等于氣缸內(nèi)工質(zhì)的內(nèi)能變化率、作功變化率及散熱率的總和。數(shù)值計算中常用差商代替微商:+=W B Q W U Q (2-53 在步長曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)有:W B Q W U Q += (2-55 在一個工作循環(huán)內(nèi),可用通式表示;Wi i i Bi Q W U Q +=(2-56 為了計算步長內(nèi)的燃燒放熱量B

53、Q ,可以根據(jù)實(shí)測的p 示功圖及有關(guān)參數(shù),分別算出內(nèi)能變化量U 、作功量W 和散熱量Qw 。具體的計算步驟為:(1內(nèi)能變化量a u a u T c M T c M U = (2-57式中 M 該瞬時氣缸內(nèi)工質(zhì)千克摩爾數(shù);a M 燃燒前(通常選擇壓縮始點(diǎn)作為計算始點(diǎn)氣缸內(nèi)工質(zhì)摩爾數(shù); u c 該瞬時氣缸內(nèi)工質(zhì)的平均定容摩爾比熱容;T 該瞬時氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度;a T 壓縮始點(diǎn)時刻氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度。(2作功量根據(jù)實(shí)測示功圖中的壓力值i p 可算出作功量(112+=i i i i i V V p p W (2-58(3工質(zhì)與燃燒室周壁面的換熱量換熱量Qw 計算,即(=3161i wi i g w T T

54、A n Q (2-59 根據(jù)式(2-56,在第i 個計算時間間隔(步長內(nèi),燃燒放熱量BiQ ABSTRACT等于U 、i W 及wi Q 的總和。2.5熱力過程計算中需要注意的幾個問題燃燒放熱率計算在燃燒過程模擬計算中起著非常關(guān)鍵的作用。具有足夠精度的燃燒放熱曲線為對燃燒過程進(jìn)行較為可靠的定性分析與描述提供了 切實(shí)的基礎(chǔ)。在測得內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際工作示功圖后,對其進(jìn)行必要的處理,關(guān)系到能否精確還原出放熱規(guī)律。在這里討論了在燃燒放熱率計算中影響放熱率曲線精度的各種因素。一.放熱率計算誤差分析9燃燒放熱率計算的理論基礎(chǔ)是熱力學(xué)第一定律,實(shí)踐基礎(chǔ)是實(shí)驗(yàn)測得的p 示功圖數(shù)據(jù)。因此,影響計算精度的因素主要來自

55、兩個方面:輸入數(shù)據(jù)的測量誤差;計算誤差。(1熱力學(xué)上止點(diǎn)誤差的影響計算氣缸容積時產(chǎn)生的誤差主要?dú)w結(jié)為上止點(diǎn)的誤差和壓縮容積的誤差,其中來自測量示功圖時的上止點(diǎn)定位誤差是主要的。柴油機(jī)的計算結(jié)果,當(dāng)上止點(diǎn)定位偏差1A 時,引起放熱百分率X 值的最大偏差約7%-9%,最大放熱率maxd dQ B 的偏差約3%,所以放熱率的計算結(jié)果對上止點(diǎn)定位誤差相當(dāng)敏感,其影響是相當(dāng)顯著的。在計算放熱率時必須對上止點(diǎn)的位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚拍懿挥绊懹嬎愕木热鐖D2-3。 圖2-3 上止點(diǎn)誤差對放熱百分率的影響吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 - XXXI -(2壓力零線漂移誤差的影響由于測量示功圖的傳感器的溫度特性、放大器的動態(tài)特性及發(fā)動機(jī)的振動等都可能導(dǎo)致壓力零線發(fā)生漂移,當(dāng)壓力零線誤差為0.02MPa 時,引起X值的偏差在壓縮階段約為2%,在燃燒階