內(nèi)燃機工作過程計算指導書

1、內(nèi)燃機工作過程計算內(nèi)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(nèi)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(nèi)的空氣與氣缸內(nèi)的殘余廢氣實現(xiàn)瞬時的完全混合，缸內(nèi)狀態(tài)是均勻的，亦即為單區(qū)計算模型。工質(zhì)為理想氣體，具比熱、內(nèi)能僅與氣體的溫度和氣體的組成有關(guān)。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(nèi)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：d(mu)=dQB+dQw+dW+hsdms+hdmeddddddm：工質(zhì)的質(zhì)量u:工質(zhì)比內(nèi)能QB:燃燒放出的熱量Qw:通過系統(tǒng)

2、邊界傳入或傳出的熱量W:作用在活塞上的機械功ms:通過進氣閥流入氣缸的質(zhì)量me:通過排氣閥流出氣缸的質(zhì)量 hs和h：分別為進氣閥前和氣缸內(nèi)氣體的比始d(mu)dudmmudddu=f(T,)du：:udT：:ud1,+.dFTdd,dmsdmedmudhshu-m)dddd質(zhì)量平衡方程式通過系統(tǒng)邊界的質(zhì)量有：噴入氣缸的瞬時燃油質(zhì)量 mB、流入氣缸的氣體質(zhì)量 ms及流出氣缸的氣體質(zhì)量 me,質(zhì)量平衡的微分方程可寫為:dmdmBdmsdme=rrdddd氣體狀態(tài)方程式pV=mRT氣缸工作容積V=Vh271Cs(1_.1-ssin2)dVVhsincs二=(sins.).d2.1sin2180Vh氣

3、缸工作容積（m3）V氣缸瞬時容積（m3）S%曲柄連桿比（九s=。dV氣缸容積變化率（m3/度）d傳熱計算公式dTd1dQBdQwdV：-(p-mu)ddd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：喘；染UgFEi-T)dijd6nijF:傳熱表面積i=3 氣缸套 F3=nDh(m2)Twi:傳熱表面的平均溫度i=1 活塞頂部%=120+30pe+273(k)i=2 氣缸蓋 Tw2=100 再+273i=3 氣缸套 Tw3=100

4、照+273注：Pe為平均有效壓力Pe=307Ne3(bar-)iVhn103n 發(fā)動機轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)，i 氣缸數(shù)。傳熱系數(shù)經(jīng)驗公式：1、G.Sitkei 公式0.7p0.7:、=0.205(1b)%m3(w/m2-K)gT.de.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。de=NDh-無量綱。D2h4Vh=-2(m)h為活塞頂?shù)綒飧咨w底面距離。二D2snCm=(m/s)活塞平均速度30p 氣缸內(nèi)工質(zhì)絕對壓力(MPa)(J/度)i=

5、1 和 i=2 活塞頂部和氣缸蓋2DF1,2=-4其中：工為沖程數(shù),Ne額定功率(kw),Vh為工作容積(m3),T 氣缸內(nèi)工質(zhì)絕對溫度（K）=g=7.81 一3不碗(w/m 二 K)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：.6.908ym1x=1-e-dxm1m6.908ym1=6.908yedzx:燃料燃燒百分比V：無因次時間函數(shù)y=*0:燃燒起始角也瞬時曲軸轉(zhuǎn)角 6：燃燒持續(xù)角m：燃燒品質(zhì)指數(shù)由此可算出氣缸中燃料燃燒時的瞬時放熱率“u：燃燒效率，對于柴油機穩(wěn)定運算，可取“u=1工質(zhì)內(nèi)能變化的計

6、算柴油機工質(zhì)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)人來表示，這樣,工質(zhì)的內(nèi)能可表示為兩個變量的函數(shù)u=f（,T）可用于工質(zhì)內(nèi)能變化的經(jīng)驗公式很多，下面用的是 Justi 公式：2、佛勞姆（W.Pflanm）公式dx=Hu)(J/度)gb：每循環(huán)噴油量gbNege(kg)30000ni0.0485363.36_2446.4_2電=144.55(0.0975-)(T-273J10-(7.768-0(T-273f10J(489.6英(T-273)1/1356.8(J/kg)機械功的計算公式dwdV一二-pddd氣缸溫度3、氣缸內(nèi)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

7、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(guān)閉的吸氣期，這三個時期為工質(zhì)更換階段。壓縮期dmdd,ddT_1(dQwdV)d/-:udddm(二;J:T燃燒期由于燃燒氣缸內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量發(fā)生變化：dmdmB1dQBd-d.Hud任一時刻氣缸內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量為：m=mL+mB工質(zhì)成分也因燃燒發(fā)生變化，瞬時過量空氣系數(shù)mLd_mLdQB10mBd加%d-可得:膨脹期膨脹期氣缸工質(zhì)的質(zhì)量不變，方程式和壓縮期的一樣，只是各項數(shù)值不同dT1dQBdQw(=二.(十dm(當 dd:TdV,dms-phdddmedm-u-md；:ud紅二一d/m(1:u_(dQB)d.里一

8、 pdV_u 變-m*里)dpddfd)(1)定義初始和全局變量(2)編寫 Qb,Qw,dV,C,Cv 各量的子函數(shù)換氣過程dT1dQwdVdT1/：u、m():T/；：u、m()dQwdVhsdmsdmedmfud-u-mdd中ddmdmsdmedms,e16nku1、tur暇)ku-(力kPdPu()ku1kuku1-=(ku1)ku2kuku1Puku1)kuku下標 u 表示上游，d 表示下游;s 表示進氣，e 表示排氣。d11dmsd10mBd4、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、改進歐拉法和龍格一庫塔法。歐拉法:T2=T1(2-)dT改進歐拉法:1(dT)TI年片2

9、龍格一庫塔法(略)5、工作過程計算程序編程步驟(3)從進氣門關(guān)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(zhì)質(zhì)量和(2)步驟的各子函數(shù)，以及該角度下的溫度變化率dT0d(4)由式 T2=Ti+-*()=計算電角度的溫度 T2,通常取 42-*=1 度。d(5)計算句角度的體積 V、工質(zhì)質(zhì)量 m2,再由P2=m2RT2/V2計算此時的壓力。返回到步驟(3),可根據(jù)刈角度的值繼續(xù)下一個角度的計算直到排氣門打開，結(jié)束計算。(6)將計算的結(jié)果保存到“outdata.txt”文件中。應用Lotus軟件計算內(nèi)燃機工作過程1、點圖標進入 LotusEngi

10、neSimulation 軟件2 2二百intakeintakeE EX XH2STH2STCYLINDERS-COMMENT巴COMPONENTS2、選 LotusEngineSimulationftNewblank.Simfile,新建一個模擬文件，OK,進入工作界面。4、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：LabelFuelSysiemRan：InjectionFualTypeCnJarrliGVgJue(k亦由日置WQDenr(kg/lib-e)H芯畫H/CRffliDFuelI.BCIBI.BCIBQ/CRatioFuelmolai)口加時M

11、o*eculEirMBIES(hg/Rmo。114.23G討*1|而5沛01Qclqr1QQO一3、點油箱圖標,在右邊設置為柴油 Diesel 和直噴 DirectInjectionEl9tu$Eg%SimulM詞門Y5M-皿訓咆百加ToolWiMuwHelp制丁而也*-史靜/I|FualandFuelSysierConvwsicmTool5、點氣缸圖標，到右邊表格中設置氣缸參數(shù)，Bore 缸徑，Stroke 行程，CylSweptVolume 氣缸排量，Con-rodLength 連桿長度，Pinoff-set 活塞銷偏置，CompressionRatio 壓縮比，CleareanceVol

12、ume 壓縮間隙體積，Phase 發(fā)火相位角。有些參數(shù)有重復關(guān)系，顯小為灰色Label|defaultcylinderBore(mm)| |l l0 00 0. .0 00 00 00 0Stroke(mm)| |1 12 20 0, ,0 00 00 00 0CylSweptVolume(1)9 94 42 24 4日TotalSweptVolume(1)| |0 0. .9 9 2 24 40 0Con-rodLength(mm)| |2 20 00 0. .0 00 0PinOff-Set(mm)| |o o. .o oo oCompressionRatio| |1 16 6| |Cle

13、aranceVoluine(1)| |o o. .1 11 10 08 80 00 0Phase(ATDC)| |o o. .o oo o6、設置,型。CombustionModel 燃燒放熱模型，選單 Wiebe 函數(shù)OpenCycleHT 和 ClosedCycleHT 開、閉循環(huán)壁面?zhèn)鳠崮Ｐ停x Woschni 模型SurfaceAreas燒室表面面積，Head/Bore 缸蓋與氣缸截面積比值=1,Ps 讓 on/Bore 活塞SurfaceTemperatuesS 面溫度設置， 采用缺省設置,CasMron鑄鐵。Head 缸蓋、Liner 缸套材料設為與氣缸截面積比值=1.4,Expl

14、osureliner 活塞上止點時缸套露出高度=1mm。SComponentSurfaceAreaDateScavenge-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)，ValveOpen(deg)開啟提前角，ValveClose(deg 慶閉遲后角，MaxLift 最大氣門升程=9mm,其它不管；,設置 NoofValves 進氣門數(shù)量=1,ValveThroatDia 進氣門座圈內(nèi)徑=40mm；Si.點 I,設置排氣門參數(shù)，ValveOpen(deg)開啟提刖角，ValveClose(deg 慶團遲后角，MaxLift 最大氣門升

15、程=9mm,其它不管；點 II,設置 NoofValves 進氣門數(shù)量=1,ValveThroatDia 排氣門座圈內(nèi)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TestPoint,InsertNewTestPoint設置轉(zhuǎn)速10占卮八、QCompcnenitSurfaceTemperatureData或根據(jù)自編程序計算得到的活塞、缸套、缸蓋溫度分別設置點Heat-PhasePhaseoption設為UserDefined,設置Phaseangl敬熱提前角為=5度，即上止點前5度開始燃燒放熱點Heat-Period,PeriodOption設為UserDefined,設

16、置ReleasePeriod熱持續(xù)角=60度。點Fuelling,CombustionOption=Efficiency+Maldistribution,FuellingOption=FuellingRate,FuellingRate=25mm3/inj（循環(huán)體積噴油量，不同工況噴油量不同）點BoundaryConditions,HumidityOption=RelativeHumidity相對濕度,設置RelativeHumidity=0.2,其它壓力和溫度條件為缺省值。119、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。/I點一一，設置Exist

17、ingDataFileName為本模型文件2.sim,再點Use.sim,這樣計算結(jié)果的文件就保存為同名文件2.mrs和2.prs。點般1,運行模型，跳出黑色計算窗口，計算結(jié)束后跳出計算結(jié)果調(diào)入窗口，勾上1、2、4號框，Load載入mrs和prs文件。1210、查看計算結(jié)果退回到主界面后，點圖可以查看計算結(jié)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13點1l,可以查看轉(zhuǎn)矩、功率、平均有效壓力（BMEP）等隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系曲線。由于本例只算一個轉(zhuǎn)速工況點，在圖上只能看到一個點fileViewDisplayHelpPERFORMANCESUMMARrF FE EZDOOZDOO-10

18、DD-10DD1 1O1O10DO0DOZOCC3DOOZOCC3DOO，。口口5-0005-000CODOCODOEM3EMSFEHDCRFM點三，可以查看發(fā)動機在一個循環(huán)內(nèi)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FileModuleDtaEditViewGroupsSalveRffsults-SetupTook曬淅dowHelpHelp口珀；：*里福第 n 眼疝反：m.底值斤氟小一可|四元域禪畫囿館S3u限客越她工尊YljResultsGrjph-B-mainmainOSQ*OGQEOSQ*OGQEO OL LO07O0788oo-ioo-i:H)當EDIumum51點.prsFileAdd.載入計算對應的結(jié)果文件2.prs1,點左邊模型中的氣缸圖14標，右邊的坐標中將顯示氣缸內(nèi)的壓力、溫度隨轉(zhuǎn)角的變化曲線。繼續(xù)使用右鍵彈出菜單，點Autos