增壓柴油機熱力過程模擬計算

增壓柴油機熱力過程模擬計算5.1概述1）預(yù)測柴油機的性能指標(biāo)2）對柴油機和渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化3）為柴油機的可靠性校核計算提供依據(jù)4）進(jìn)行工作過程分析5.1.1模擬計算的意義

5.1.2模擬計算方法一、熱力系統(tǒng)的劃分

系統(tǒng)內(nèi)各個部位的氣體壓力、溫度和成分都是均勻的，即處于瞬時熱力平衡狀態(tài)；系統(tǒng)和系統(tǒng)之間通過熱量與質(zhì)量的傳遞相互聯(lián)系。（1）氣缸

假定柴油機氣缸中每一瞬時氣體的壓力、溫度和成分均勻;

作為一個熱力系統(tǒng)。模型：完全混合掃氣模型：用于四沖程柴油機、二沖程柴油機分層掃氣模型：用于二沖程柴油機的強制掃氣階段。注意：此時應(yīng)劃分為兩個熱力系統(tǒng)，即掃氣氣流區(qū)域和廢氣區(qū)域，兩系統(tǒng)壓力平衡，溫度和成分不同。不同的工作階段采用不同的微分方程，計算順序：壓縮過程、燃燒過程、膨脹過程、排氣過程、掃氣過程、進(jìn)氣過程。（2）排氣管

指從排氣門到渦輪入入口的排氣道、排氣歧管和總管。模型：容積法一維不定常流動法（3）渦輪增壓器

渦輪：做功元件。流量和做功量來自于排氣管參數(shù)。壓氣機：根據(jù)壓氣機流量特性曲線和每循環(huán)的渦輪做功，求得壓氣機出口氣體的壓力、溫度、流量等參數(shù)。（4）中冷器

流通阻力系數(shù)和換熱效率已知：流通阻力系數(shù)和換熱效率未知：效能－傳熱單元數(shù)法中冷器出口氣體的壓力和溫度（5）進(jìn)氣管

一般采用容積法進(jìn)氣諧振系統(tǒng)應(yīng)考慮進(jìn)氣管內(nèi)的壓力波動，采用一維不定常流動法。二、模擬計算的方法步驟1.已知條件

（1）柴油機的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)缸徑、行程、氣缸數(shù)、配氣相位、氣門尺寸、氣門升程規(guī)律、壓縮比、曲柄連桿比、排氣管尺寸等。（2）柴油機的工作參數(shù)柴油機轉(zhuǎn)速、單缸循環(huán)供油量、供油提前角、環(huán)境狀態(tài)等。（3）渦輪增壓器的有關(guān)參數(shù)渦輪最高效率、渦輪增壓器機械效率、壓氣機流量特性曲線、渦輪噴嘴環(huán)出口流通面積、渦輪葉輪出口流通面積等。（4）中冷器有關(guān)參數(shù)冷卻效率、流通阻力損失系數(shù)或中冷器結(jié)構(gòu)尺寸。（5）靠經(jīng)驗選取的參數(shù)進(jìn)、排氣門流量系數(shù)，缸壁溫度，燃燒放熱模型等。2.計算步驟

（1）缸內(nèi)壓縮過程計算暫時假定壓縮初期缸內(nèi)壓力、溫度、氣體成分和質(zhì)量，按每一微小時間間隔（一般取1°～2°CA）計算壓縮過程，直到噴油開始；然后求出滯燃期，進(jìn)行滯燃期期間的壓縮過程計算。（2）燃燒過程計算在每一微小時間間隔，利用燃燒放熱模型進(jìn)行計算。由于此時壓力和溫度變化較大，時間間隔應(yīng)取得更小一些［一般取0.5°～1°CA］。（3）膨脹過程計算在每一微小時間間隔，從燃燒終點至排氣開始。（4）排氣過程計算暫時假定排氣初期排氣管內(nèi)氣體的壓力、溫度、成分和質(zhì)量，在每一微小時間間隔同時進(jìn)行三個方面的計算：缸內(nèi)過程、排氣管狀態(tài)和渦輪作功。（5）掃氣過程計算暫時假定進(jìn)氣管內(nèi)的壓力和溫度，并保持為常數(shù)。按每一微小時間間隔進(jìn)行四個方面的計算：進(jìn)氣、缸內(nèi)、排氣和渦輪作功。由于此時氣缸余隙容積較小，且缸內(nèi)氣體的成分變化較大，為了計算穩(wěn)定，間隔應(yīng)取得更小一些（一般取0．25°～0．5°CA）。（6）進(jìn)氣過程計算

進(jìn)行進(jìn)氣計算和缸內(nèi)計算，直到進(jìn)氣門關(guān)，回到壓縮始點。（7）壓縮始點缸內(nèi)參數(shù)校核

用第（6）步算出的壓縮始點狀態(tài)與第（1）步的暫時假定值比較（一般只比較壓力），如不一致，以第（6）步算出的壓力、溫度、成分和質(zhì)量代入第（1）步重新進(jìn)行計算，直到結(jié)果一致。

注意：在迭代過程中，對于排氣始點暫時假定的排氣管內(nèi)狀態(tài)，以前一次算出的計算結(jié)果代入，僅作迭代，不作校核。（8）渦輪增壓器的計算

累加每循環(huán)全部氣缸的渦輪作功，計算壓氣機出口的壓力和溫度。（9）中冷器計算

計算中冷器出口亦即進(jìn)氣管內(nèi)的壓力和溫度。（10）進(jìn)氣管內(nèi)壓力的校核

用算得的進(jìn)氣管壓力與第（5）步暫時假定值進(jìn)行比較，如不一致，代入新算得的壓力和溫度值，從第（1）步開始重新進(jìn)行迭代計算。溫度可僅作迭代，不作校核。三、計算結(jié)果

1）缸內(nèi)壓力、溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系，即缸內(nèi)P－圖和T－圖。2）排氣管內(nèi)壓力、溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系。3）燃燒放熱率、累積燃燒放熱率、缸內(nèi)壓力升高率。4）增壓壓力、空氣流量、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、壓氣機效率等渦輪增壓器的工作參數(shù)。5）柴油機的綜合性能參數(shù)，如功率、油耗率、轉(zhuǎn)矩、熱效率、機械效率、充量系數(shù)、過量空氣系數(shù)、掃氣系數(shù)、殘余排氣系數(shù)、排氣壓力和溫度等。5．2工質(zhì)成分、比熱容、等熵指數(shù)、相對分子質(zhì)量及氣體常數(shù)混合氣體平均摩爾定容熱容等熵指數(shù)相對分子量Mr

氣體常數(shù)R與混合氣體的組成成分有關(guān)把混合氣體分成兩部分計算純?nèi)紵a(chǎn)物純空氣純?nèi)紵a(chǎn)物:燃燒過量空氣系數(shù)時完全燃燒后的燃燒產(chǎn)物。

純空氣：

相對分子質(zhì)量

對于一般柴油機燃料，其成分按計算相對分子質(zhì)量表示含有兩種氣體成分的組成的方法瞬時排氣系數(shù)：

某一瞬時氣缸內(nèi)氣體中純?nèi)紵a(chǎn)物的質(zhì)量與其中純空氣的質(zhì)量之比Mz－該瞬時氣缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量mN－該瞬時氣缸內(nèi)純空氣的質(zhì)量廣義過量空氣系數(shù)

某一瞬時氣缸內(nèi)存在的空氣量（相當(dāng)于燃燒以前的）與氣缸內(nèi)氣體所含有的燃燒產(chǎn)物所相當(dāng)?shù)娜加土坷碚撋先紵杩諝饬康谋戎?。－單缸循環(huán)供油量（kg）；－化學(xué)計量比，即1kg燃油理論上完全燃燒所需的空氣量，＝14.3kg／kg；－某瞬時氣缸內(nèi)已燃的燃油量占循環(huán)供油量的份數(shù)

燃燒過程中

排氣過程中－燃燒到某一瞬時已燃燒掉的循環(huán)噴油量的份數(shù)；－從排氣門排出的排氣量?；旌蠚怏w的摩爾定容熱容的計算（內(nèi)插法）經(jīng)驗公式：平均摩爾定容熱容瞬時摩爾定容熱容混合氣體其他參數(shù)等熵指數(shù)相對分子質(zhì)量氣體常數(shù)5．3缸內(nèi)熱力過程計算缸內(nèi)狀態(tài)三個基本參量（m，p，T）能量守恒方程質(zhì)量守恒方程狀態(tài)方程聯(lián)立求解能量守恒方程質(zhì)量守恒方程狀態(tài)方程hd和he－分別為從進(jìn)氣門和排氣門流過氣體的比焓；Qf－燃料燃燒的熱量；Qw－冷卻介質(zhì)帶走的熱量；Vz為此瞬時的氣缸容積；－進(jìn)氣門流入質(zhì)量；－排氣門排出質(zhì)量。

先算出缸內(nèi)溫度的增量及下一步長的溫度，再由狀態(tài)方程式算出缸內(nèi)壓力。方程組的計算順序：先算出缸內(nèi)的壓力增量及下一步長的缸內(nèi)壓力，再由狀態(tài)方程式算出缸內(nèi)溫度；能量守恒方程的簡化形式缸內(nèi)不同的工作階段，上述各項中可能會有一項或多項為零，方程會進(jìn)一步簡化。壓縮過程燃燒過程膨脹過程純排氣過程掃氣過程純進(jìn)氣過程5．3．1氣缸工作容積氣缸容積變化率5．3．2燃油燃燒放熱規(guī)律燃燒放熱率式中，gf－單缸循環(huán)供油量；x－在某一曲軸轉(zhuǎn)角時，已燒掉的燃油質(zhì)量與gf之比，即累積燃燒放熱率；－瞬時燃燒速率；Hu－所用燃料的低熱值，對于柴油，Hu＝41868kJ／kg。1.用單Vibe（韋博）曲線模擬

適用于平均有效壓力不很高、轉(zhuǎn)速不高的中、低速柴油機。m－燃燒品質(zhì)指數(shù)－燃燒始角

－燃燒持續(xù)角

在非標(biāo)定工況時，燃燒持續(xù)期和燃燒品質(zhì)指數(shù)m可用下式予以修正2.用雙Vibe曲線模擬

其中計算部分負(fù)荷工況時可取、、mp、md與標(biāo)定工況相同

擴散燃燒的熱量（）和擴散燃燒的持續(xù)角用下式修正:

3.用三段斜線模擬

圖5-3用三段斜線模擬放熱規(guī)律滯燃期

上海交大230公式的確定以噴油始角的缸內(nèi)壓力p與溫度T來計算考慮到在滯燃期中缸內(nèi)瞬時壓力和溫度對滯燃期的影響，從噴油開始，計算每一步長內(nèi)的瞬時滯燃期，滯燃期4.用Vibe雙區(qū)（VibeTwoZone）曲線模擬5.用MCC（MixingControlledCombustion）準(zhǔn)維模型模擬6.用WOSCHNI/ANISITS模型瞬態(tài)工況5.3.3氣缸周壁的熱傳導(dǎo)氣體對氣缸周壁散熱率的一般表達(dá)式式中，Kw－傳熱系數(shù)；F1－與缸內(nèi)氣體接觸的缸套周壁表面積，F(xiàn)1=4VZ/D；Tw－氣缸套內(nèi)壁平均溫度；Tw1－氣缸蓋內(nèi)表面平均溫度；Tw2－活塞頂內(nèi)表面平均溫度；TZ－缸內(nèi)氣體瞬時溫度。Kw的計算5.3.4進(jìn)、排氣門的流量計算1.氣門的幾何流通截面積氣門處的流通截面積氣門座喉口處的流通面積（5-55）（5-56）2.氣門的流量系數(shù)用實物靜吹風(fēng)試驗可得到經(jīng)驗公式（5-61）3.

進(jìn)、排氣門的流量計算通過進(jìn)氣門處的流動是亞音速流動，其流量為（5-62）通過排氣門的流動，在初期排氣階段為超臨界流動，后期為亞臨界流動亞臨界排氣階段（5-63）超臨界排氣階段（5-64）4.掃氣階段的缸內(nèi)氣體成分四沖程增壓柴油機：一般用完全混合模型。二沖程增壓柴油機：一般用濃排氣掃氣模型。5.4排氣管內(nèi)的熱力過程計算5.4.l容積法計算模型常微分方程的形式與計算氣缸內(nèi)熱力過程時相似，不同之處：1）排氣管的容積Vr＝常數(shù)。2）假定氣體的成分不隨時間而變，即3）氣體常數(shù)變化很小，可取Rr＝常數(shù)。4）氣體從排氣門流入排氣管，總有幾個氣缸依次流入同一根排氣管；而排氣有時從幾個渦輪或放氣閥流出。5）不對外作功。

排氣管中的能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、狀態(tài)方程n個氣缸排入同一根排氣管的能量和質(zhì)量；通過m個渦輪的能量和質(zhì)量；Vr為排氣管容積Rr為排氣管中的氣體常數(shù)能量守恒方程溫度變化率的形式（5-68）5.4.2脈沖轉(zhuǎn)換器和MPC系統(tǒng)的容積法計算1．脈沖轉(zhuǎn)換器計算模型把兩個排氣歧管和一個混合管作為三個容積，其間用喉口通道相聯(lián)，三個容積分別用容積法求解。把氣缸、排氣歧管和排氣總管分別作為三個容積系統(tǒng)，在能量方程、質(zhì)量方程和狀態(tài)方程的基礎(chǔ)上，加入動量方程，用壓力、溫度、質(zhì)量和速度四個基本參數(shù)描述容積內(nèi)的氣體狀態(tài)。相鄰容積間發(fā)生的熱力過程，用質(zhì)量傳遞、能量傳遞和動量傳遞等過程來描述，排氣門邊界、脈沖轉(zhuǎn)換器邊界和渦輪邊界，均簡化為簡單噴嘴。2．MPC系統(tǒng)的修正容積法5.4.3進(jìn)、排氣管的一維非定常流動計算假定1）流動是一維的。對于每一個流動參量，均認(rèn)為是該參量在管道截面上的平均值。2）流動是非定常的，每一個流動參量都是管道長度坐標(biāo)X和時間t的函數(shù)。3）管道截面積變化平緩，管壁是剛性的。4）可以考慮管壁對氣體的摩擦和熱交換，而且也可以考慮支流向管道中加入質(zhì)量，但仍認(rèn)為氣流的狀態(tài)是一維的。5）不計氣體的重力。三個基本方程考慮到流通截面的改變和分支添加質(zhì)量的連續(xù)性方程的修正項；考慮到管壁的摩擦和分支添加質(zhì)量的動量方程的修正項；

考慮到管壁的傳熱和摩擦及分支添加質(zhì)量對能量方程的修正項

特征線法有限差分法有限元法限容積法5.5渦輪增壓器與中冷器的計算5.5.1渦輪采用簡化計算方法的兩點假定1）把整個渦輪作為一個節(jié)流噴嘴，其當(dāng)量流通面積為2）在排氣管壓力波動的情況下，認(rèn)為微小時間內(nèi)的燃?xì)饬魇欠€(wěn)定的，即所謂準(zhǔn)穩(wěn)定流動。FN、FB分別為噴嘴環(huán)出口和工作葉輪出口氣流的實際流通面積（5-72）1.通過渦輪的流量和渦輪所作功在微小時間間隔內(nèi)，通過渦輪的質(zhì)量為為當(dāng)量流通面積FT下的流量系數(shù)；為渦輪的膨脹比。（5-73）2.渦輪當(dāng)量流通截面下的流量系數(shù)由渦輪增壓器生產(chǎn)廠家提供的試驗曲線直接進(jìn)行計算，由根據(jù)試驗曲線整理的高次方經(jīng)驗公式計算

根據(jù)日本石川島播磨重工由VTR1系列渦輪增壓器得到的曲線整理（5-77）3.渦輪效率有試驗曲線把數(shù)據(jù)直接輸入計算機，計算時用插值法求出。無試驗曲線，應(yīng)已知經(jīng)驗公式石川島播磨重工根據(jù)VTR1系列軸流式渦輪增壓器的試驗結(jié)果整理得到公式：（5-81）上海交大根據(jù)幾臺國產(chǎn)軸流式渦輪的試驗數(shù)據(jù)整理的經(jīng)驗公式上海交大根據(jù)幾臺徑流式渦輪的試驗曲線總結(jié)出的經(jīng)驗公式：5.5.2壓氣機試驗得到圖5-7壓氣機性能曲線計算時，根據(jù)把性能曲線中四個參數(shù)中的和劃分為i×j個間隔，

二維線性插值5.5.3中冷器無中冷器時，壓氣機出口狀態(tài)(、、有中冷器時，中冷器的出口狀態(tài)是柴油機的進(jìn)氣管狀態(tài)。

就是柴油機的進(jìn)氣管狀態(tài)())效率－傳熱單元數(shù)法中冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)中冷器入口參數(shù)中冷器出口參數(shù)Td

中冷器簡化計算引入中冷器冷卻效率和阻力系數(shù)5.5.4渦輪增壓器及中冷器的計算步驟1）靠經(jīng)驗暫時假定增壓器轉(zhuǎn)速，中冷器、，壓氣機效率2）計算渦輪輪周線速度：3）計算渦輪瞬時膨脹比：徑流式渦輪須用式（5－78）計算修正膨脹比出口壓力和溫度4）計算渦輪當(dāng)量噴嘴流量系數(shù)5）計算廢氣流出渦輪時的理論速度再求出速比

6）計算渦輪效率

7）用式（5－73）和式（5－75）計算流過渦輪的流量和渦輪所作功

8）一個工作循環(huán)完了后，累加流過渦輪的質(zhì)量所作功，及柴油機的進(jìn)氣量并求出渦輪和壓氣機的流量、9）用式（7－84）計算壓氣機增壓比10）根據(jù)、查壓氣機性能曲線插值求得、，用此返回第9）步重算，直到前后一致為止。11）計算增壓空氣壓力、溫度、密度12）計算中冷器出口壓力、溫度

是否一致？如不一致，以新值代入，從柴油機缸內(nèi)進(jìn)氣過程開始，對缸內(nèi)、渦輪、壓氣機、中冷器各個系統(tǒng)重新進(jìn)行計算，反復(fù)迭代，直到滿足規(guī)定的計算精度要求，一般規(guī)定前后誤差＜1％。迭代計算時，均應(yīng)以新值代入，13）校核中冷器出口壓力與開始計算時假定的

但可不作校核。5.5.5渦輪增壓器簡化模型與全模型介紹簡化模型分為三種計算模型：1）渦輪機規(guī)劃計算模型2）增壓壓力計算模型3）放氣閥計算模型全模型需要壓氣機MAP、渦輪機MAP和壓氣機喘振線已知微分方程為假定函數(shù)y是連續(xù)而有限的、步長始點為x