第五章內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程計(jì)算

第五章內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程計(jì)算

內(nèi)燃機(jī)熱力系統(tǒng)的劃分氣缸內(nèi)熱力過(guò)程的基本微分方程式內(nèi)燃機(jī)燃燒放熱率進(jìn)排氣系統(tǒng)內(nèi)的熱力過(guò)程廢氣渦輪增壓子系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)計(jì)算內(nèi)燃機(jī)熱力系統(tǒng)的劃分廢氣渦輪增壓器子系統(tǒng)（渦輪機(jī)壓氣機(jī)功量平衡、空氣流量相等和轉(zhuǎn)速相同）空氣中間冷卻器子系統(tǒng)（是一個(gè)節(jié)流降溫的換熱器件）進(jìn)氣管子系統(tǒng)（方法一：將進(jìn)氣管內(nèi)壓力和溫度視為常數(shù)，方法二：容積法）排氣管子系統(tǒng)（方法一：容積法；方法二：特征線法）若忽略排氣過(guò)程沿排氣管長(zhǎng)度方向上的排氣壓力波的傳播、反射和疊加現(xiàn)象，將排氣過(guò)程視為排氣對(duì)排氣管容積的充填與排空過(guò)程，且在整個(gè)容積內(nèi)壓力等參數(shù)處處相等，不隨空間坐標(biāo)位置而變化，壓力等參數(shù)只隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化，滿足零維假設(shè)，這種處理方法稱為排氣管過(guò)程計(jì)算的“容積法”。若排氣管內(nèi)壓力等參數(shù)不單隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化，還隨沿排氣管長(zhǎng)度方向、即x坐標(biāo)方向而變化，這時(shí)壓力等參數(shù)是φ和x的函數(shù)，p＝p(x，)。這是排氣管子系統(tǒng)計(jì)算的一維模型，通常用“特征線法”或“高精度差分格式（TVD）計(jì)算。

氣缸子系統(tǒng)新鮮充量經(jīng)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)入氣缸子系統(tǒng)，廢氣由氣缸子系統(tǒng)流入排氣管，子系統(tǒng)與外界進(jìn)行質(zhì)量交換。氣缸子系統(tǒng)在壓縮、膨脹作功過(guò)程中與外界進(jìn)行功量交換。同時(shí)氣缸子系統(tǒng)還與外界發(fā)生熱量交換。

氣缸內(nèi)熱力過(guò)程的基本微分方程式忽略工質(zhì)成分對(duì)比內(nèi)能的影響，有：質(zhì)量守恒方程：理想氣體狀態(tài)方程氣缸內(nèi)各階段的熱力過(guò)程分析內(nèi)燃機(jī)燃燒放熱率阿累尼烏斯定律韋柏函數(shù)模擬燃燒放熱率雙韋伯函數(shù)疊加模擬燃燒放熱規(guī)律

阿累尼烏斯定律1889年，阿累尼烏斯由實(shí)驗(yàn)得出了反應(yīng)速度常數(shù)和溫度的定量關(guān)系式：式中：A，E為實(shí)驗(yàn)常數(shù)。將阿累尼烏斯方程代入反應(yīng)速度方程得到化學(xué)反應(yīng)速度方程中即得：設(shè)有反應(yīng)：A+B→產(chǎn)物

則化學(xué)反應(yīng)速度可以表示為：韋柏函數(shù)模擬燃燒放熱率一般認(rèn)為同，內(nèi)燃機(jī)燃燒反應(yīng)是熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的化學(xué)性質(zhì)是由反應(yīng)過(guò)程中形成的活化中心的數(shù)量確定的，50年代，韋伯根據(jù)鏈反應(yīng)理論提出的描寫(xiě)內(nèi)燃機(jī)燃燒速度的半經(jīng)驗(yàn)公式，認(rèn)為參與化學(xué)反應(yīng)的原始物質(zhì)的分子數(shù)與能引起有效反應(yīng)的活化中心數(shù)目成正比。設(shè)dN和dNef分別是某時(shí)間間隔內(nèi)參與有效反應(yīng)的原始物質(zhì)的分子數(shù)和有效活化中心的數(shù)目，則有效活化中心產(chǎn)生的速度對(duì)原始物質(zhì)分子數(shù)的比值，稱為這一時(shí)刻有效活化中心的相對(duì)密度，用x表示時(shí)間t內(nèi)已參加化學(xué)反應(yīng)的原始物質(zhì)的百分?jǐn)?shù)，則這一時(shí)間內(nèi)尚未參加化學(xué)反應(yīng)的原始物質(zhì)的百分?jǐn)?shù)為：上式的推導(dǎo)是根據(jù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的基本概念，所導(dǎo)出的化學(xué)反應(yīng)速度方程的普遍形式，對(duì)于工質(zhì)均勻的汽油機(jī)是比較適宜的。這也是韋伯燃燒規(guī)律的表達(dá)式，具有普遍的意義。完全應(yīng)用鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論來(lái)描述柴油機(jī)燃燒過(guò)程的放熱規(guī)律是困難的，推導(dǎo)韋伯過(guò)程的物理模型還不完全符合柴油機(jī)的燃燒過(guò)程，但根據(jù)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的有關(guān)資料，利用韋伯公式的基本形式，建立起能反映柴油機(jī)燃燒過(guò)程的當(dāng)量燃燒規(guī)律，實(shí)踐證明還是可行的。

柴油機(jī)當(dāng)量燃燒規(guī)律定義函數(shù)：則f(t)應(yīng)該滿足以下條件:t=0時(shí)，即化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始時(shí)x=0,f(t)=0;燃燒反應(yīng)過(guò)程中，有效活化中心的相對(duì)密度沒(méi)有突變，即f(t)為連續(xù)函數(shù);f(t)為增函數(shù)；t→無(wú)窮大,f(t)→無(wú)窮大;t→無(wú)窮大,dx/dt=0;燃燒速度曲線下面的面積應(yīng)當(dāng)?shù)扔?.將ρN=φ(t)的關(guān)系式用指數(shù)函數(shù)的形式表示，即：：式中:K*比例系數(shù)；m反應(yīng)燃燒過(guò)程中有效活化中心相對(duì)密度隨時(shí)間變化的特性參數(shù)，下面又稱燃燒品質(zhì)指數(shù)或形狀系數(shù))

在柴油機(jī)燃燒過(guò)程中，若取比例系數(shù)n=常數(shù)，則可以推導(dǎo)出柴油機(jī)燃燒規(guī)律的半經(jīng)驗(yàn)公式：柴油機(jī)燃油燃燒的方程式：(tZ為燃燒結(jié)束時(shí)間）化成曲軸轉(zhuǎn)角韋伯公式中的燃料燃燒百分?jǐn)?shù)X及x的變化率如下：

討論：本質(zhì)上講韋伯公式是用阿累尼斯定律的形式描述放熱率；m與實(shí)際放熱率形狀有關(guān)；通常用湊試方法得到，可以計(jì)算出一個(gè)與實(shí)測(cè)示功圖很接近的示功圖，其計(jì)算出的發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓力和平均指示壓力在允許的精度范圍內(nèi)。Wiebe函數(shù)在循環(huán)計(jì)算中有廣泛的應(yīng)用，如增壓器匹配計(jì)算、進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)或計(jì)算出的示功圖作為強(qiáng)度計(jì)算輸入數(shù)據(jù)。雙韋伯函數(shù)疊加模擬燃燒放熱規(guī)律進(jìn)排氣系統(tǒng)內(nèi)的熱力過(guò)程

?a壓氣機(jī)；2—進(jìn)氣管；3—內(nèi)燃機(jī)氣缸；4—排氣管；5—渦輪機(jī)；6—中冷器。排氣管子系統(tǒng)容積法特征線法進(jìn)氣管子系統(tǒng)

排氣管內(nèi)的熱力過(guò)程(容積法)

忽略排氣系統(tǒng)中壓力波沿管長(zhǎng)方向上的傳播、反射和疊加現(xiàn)象，認(rèn)為同一瞬時(shí)中排氣管內(nèi)各點(diǎn)的狀態(tài)是均勻的。認(rèn)為排氣管中的狀態(tài)參數(shù)只隨時(shí)間t(或)而變化。并且在足夠小的計(jì)算步長(zhǎng)Δ內(nèi)，把排氣管內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)簡(jiǎn)化為準(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng)。排氣從氣缸經(jīng)排氣閥流入排氣管，總是由n個(gè)氣缸依次流入同一根排氣管。實(shí)際排氣的氣體常數(shù)RB變化很小，故取RB=常數(shù)。在排氣管內(nèi)，排氣不對(duì)外做功。進(jìn)氣管內(nèi)的基本微分方程

廢氣渦輪增壓子系統(tǒng)

ηksηmk23NkηTKNTηTSηmT4渦輪增壓器熱力系統(tǒng)圖渦輪基于壓氣機(jī)功率平衡；渦輪機(jī)與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速相等，并且在一個(gè)循環(huán)內(nèi)可認(rèn)為轉(zhuǎn)速時(shí)恒定的；通過(guò)渦輪的廢氣流量應(yīng)等于通過(guò)壓氣機(jī)的空氣流量與循環(huán)噴油量的總和。發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)計(jì)算天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪型線設(shè)計(jì)基本思路: