單轉子發(fā)動機熱力過程仿真分析

單轉子發(fā)動機熱力過程仿真分析

旋轉發(fā)動機是一種新型發(fā)動機，采用三角形旋轉運動取代活動期的運動。結構簡單，運營穩(wěn)定，噪聲小。它在軍事特勤車輛和武器系統(tǒng)的小型發(fā)電、混合動力電源、小型飛機、小型船舶等領域具有廣闊的應用前景。然而,轉子發(fā)動機熱力過程模擬技術還處于初期研究階段,缺乏完善的數(shù)學模型[10,11,12,13,14,15,16,17,18]。在此,本文作者針對轉子發(fā)動機工作過程的特點,建立轉子發(fā)動機熱力過程數(shù)學模型,以期為開發(fā)研制轉子發(fā)動機提供有效的分析工具。1燃料燃燒系統(tǒng)結構轉子發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程為:火花塞直接點燃引燃噴油器噴出的燃料所形成的混合氣,并在引燃噴油器周圍形成穩(wěn)定的火源,然后引燃主噴油器噴出的燃料形成的混合氣。圖1所示為轉子發(fā)動機缸內(nèi)工質與外界進行能量和質量交換的示意圖?；炯僭O:a.工質為理想氣體;b.汽缸內(nèi)的狀態(tài)是均勻的;c.氣體流入和流出汽缸呈準一維的穩(wěn)定流動;d.把燃料燃燒釋放化學能的過程,看作是外界按已知的表觀放熱規(guī)律向系統(tǒng)內(nèi)工質加熱的熱力學過程;e.忽略進、出口處的動能損失。質量守恒方程:式中:m為質量;φ為偏心軸轉角;下標c代表燃燒室,in和exh分別代表進、排氣口,leak代表漏氣,crev代表縫隙流,fuel為燃料。能量守恒方程為:式中:u為比內(nèi)能;Q為熱量;h為焓;p為壓力;V為容積;下標w表示壁面。方程式中符號的規(guī)定為:加入流入系統(tǒng)的能量、質量為正;流出系統(tǒng)的能量、質量為負。由于在轉子發(fā)動機汽缸內(nèi)比內(nèi)能u和質量mc是同時變化的,所以,將比內(nèi)能簡化為溫度和瞬時過量空氣系數(shù)的函數(shù),即u=u(T,α?),經(jīng)過全微分得到:由熱力學可知:由式(1)~(4)可得:理想氣體狀態(tài)方程為:式(5)描述了系統(tǒng)內(nèi)部溫度隨偏心軸轉角φ變化的規(guī)律,是描述轉子發(fā)動機缸內(nèi)工作過程的基本微分方程。在實際求解過程中,可以對其簡化。將式(1),(5)和(6)3個方程聯(lián)合求解就可以得到質量m、溫度T及壓力p。2燃燒、膨脹、純排氣、重疊階段轉子發(fā)動機燃燒室內(nèi)熱力過程可分為純進氣、壓縮、燃燒、膨脹、純排氣、氣門重疊6個階段。在進行熱力過程分析時,借鑒往復式發(fā)動機的分析方法將其簡化成壓縮期、燃燒期、膨脹期和換氣期。2.1比能的確定從徑向密封片旋轉過進氣口到燃燒開始為壓縮期,此階段燃燒室處于封閉狀態(tài)。假設在燃燒開始才有燃料噴入汽缸,則質量守恒方程式可以簡化為:式中:mL為缸內(nèi)空氣質量,包括殘余廢氣中的空氣量;mfr為由汽缸內(nèi)殘余廢氣量折算的燃料量。在壓縮期間,無任何氣體流入、流出,又無燃燒發(fā)生,故工質成分不變,即dα?/d?=0,α?為常數(shù)。按α?的定義,有:式中:l0為1kg燃料理論上完全燃燒所需的空氣量。若掃氣過程為完全掃氣,則mfr=0,α?=∞。實際計算時,通常取α?=104,由此計算的比內(nèi)能與α?=∞時的計算結果差別很小。據(jù)上述分析,式(5)可簡化為:2.2流量為dqc/dd在燃燒期間,dmin/d?=0,dmexh/d?=0,但有燃料噴入汽缸,故質量守恒方程式為:根據(jù)基本假設,可以忽略著火延遲期缸內(nèi)工質質量的變化,而質量變化只發(fā)生在著火以后,也就是說,按當量燃燒反應量噴入燃料,噴入燃料量與當量燃燒燃料量成正比。由于放熱量為dQc/d?,因此,缸內(nèi)質量變化率為:式中:Qar,net,p為燃料低熱值。此時,缸內(nèi)某瞬時燃料量為按當量燃燒反應量消耗的燃料和壓縮過程中殘余廢氣量折合的燃料量之和,即:故缸內(nèi)工質質量為:瞬時過量空氣系數(shù)定義為于是,在燃燒期間,mL為常量,即dmL/d?=0,因此,則方程(5)可簡化為:2.3擴展時期膨脹期工質質量不變,其質量為:α?不變,為燃燒終了時的值,即:則能量方程(5)可簡化為:2.4系統(tǒng)邊界在換氣期,缸內(nèi)無燃燒反應,故dQc/d?=0,但通過系統(tǒng)邊界有質量傳遞。根據(jù)質量傳遞的情況,將換氣期分為純排氣、氣門重疊、純進氣3個階段。2.4.1循環(huán)方案的基本公式換氣期質量和能量通用微分方程可簡化為:2.4.2氣體特性的能量方程在純排氣階段,沒有氣體進入汽缸,但有廢氣排出汽缸,氣體成分不變,即dmin/d?=0,dmexh/d?=0,dα?/d?=0。因而,此階段的質量和能量方程為:在此階段,由于氣體的成分不變,在忽略漏氣損失和余隙容積質量變化的前提下,流出廢氣中的折算燃料量與流出的廢氣成正比。其比例系數(shù)等于汽缸內(nèi)燃料質量與工質質量的瞬時比值,即2.4.3門的重復階段在氣門重疊階段,既有新鮮氣流入汽缸又有廢氣排出汽缸,因而,此階段質量和能量方程式為:2.4.4u3000評論員維護在純進氣階段,有新鮮空氣流入汽缸,但dmexh/d?=0,因而,此階段質量和能量方程變?yōu)?當氣門開啟時,即在氣門重疊和純進氣階段,汽缸內(nèi)空氣質量變化率為(忽略余隙質量變化和漏氣質量變化):將式(21),(25)和(30)代入式(15)并整理可得到:至此,壓縮期、燃燒期、膨脹期和換氣期的基本方程均建立完畢。對這些微分方程進行耦合求解,具體求解步驟見圖2。3系統(tǒng)總體效率分析基于Matlab的Simulink平臺和已建立的數(shù)學模型,采用自下而上的策略,對單轉子發(fā)動機進行系統(tǒng)仿真。轉子發(fā)動機的基本參數(shù)如下:創(chuàng)成半徑為218mm;偏心距為31.75mm;汽缸寬為158.75mm;轉子數(shù)為1;排量為5871cm3;壓縮比為8.5。圖3所示為系統(tǒng)仿真流程圖,圖4所示是轉速為2200r/min以及空載時的壓力仿真曲線圖?？梢钥闯?其壓力峰值大約出現(xiàn)在上止點后30?,這是合理的。圖5所示為本文計算結果與J.Abraham等所得出的數(shù)據(jù)的比較情況。從圖5可以看出,本文的計算值與J.Abraham等所得出的數(shù)據(jù)存在一定偏差,計算的壓力峰值較小,而且滯后約4?。具體地:在BTDC(上止點前)60?到ATDC(上止點后)32?及ATDC38?~60?范圍內(nèi),計算結果比文獻中結果偏小,這可能是本文在處理局部參數(shù)時未考慮余隙質量和漏氣質量的變化所致,但二者相差最大幅度不超過7%且大體趨勢相同;在ATDC32?~38?范圍內(nèi),計算結果比文獻中結果稍大,但二者相差最大幅度不超過5%,這可能是本文計算缸內(nèi)燃料量的處理方式所致。4模型的簡化和熱力過程模擬a.針對轉子發(fā)動機工作過程的特點,建立了轉子發(fā)動機熱力過程通用微分方程,并針對不同階段各自的特點將其簡化,得到了壓縮期、