直喷式柴油机工作过程模拟计算

第 5期 No. 5 Oct. 20032003年 10月 内燃机 Internal Combustion Engines 业 * 介 去 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ?? ?? ? ? ? ? ? ? 土:::轰墓 霓邃 弋*护挤挤撰护君挤护护 之 介份矢一兔」火几火 井中汾火 价火 妄今金 釜、业 公，滋 羹贪了 斗 女 交 又 ; 七扮火左盘;众，去份几二， 衷窦????。 ? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? 、 ? ? ? ? ? ? ?? ， 草· 价尖今夫井自全几今兔华火?厂‘火一火戈尖孕夹登炙?矢今众忿关少关介众 六兮盘兮盖?火茸火登天勺矢全支餐盗普*?盗，火艺 落弃;彝戴雄麟瓢摹 摘要:通过一个热力学模型，对直喷式柴油机进行了工作过程的模拟计算，建玉 拚冀 程序， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了结构、热力和运转参数对柴油机性能的影响，在分析过程中相应提出了提高发动机性能的一些建议。 关幼词:柴油机;3二作过程;模拟;性能 r0RR**$:TK422 IC献标识Q: A 文童编号::1000一6494(2003)05一0012一03 Simulation Calculation of Combustion Processes in a Direct Injection Diesel Engine NI Pei一yong,SHI Xiu一yong, MENG Am一xin (School of Pmver and Energy Engineering, Inner Mongolia Pe吻ethnic University, Hohhot 010062, China) A6strad:lhe combustion process in a direct injection diesel engine has been calculated坷a themrodymuruc model in this paper. A calculation program of power perfounence and - my performance of the diesel engine is des电ed.It also analyzes the effect of stnrctuml pamrrarters, thermodynamic parameters and operative parameters on the performance in the diesel engine. Some advices on improving the engine performance are put forward in anabIsis. Key wore: diesel engine; conbustion process; simulation; pmfom,ance 0 引言 在内燃机的研究工作中，利用模拟计算不仅可 以预测所设计的发动机的初步性能，进行多 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的 比较，以期得到最佳方案，而且可以减少试验的工作 量，节省开发研究费用。 笔者对发动机工作过程作接近实际的模拟，建 立了一个适合柴油机工作过程计算的热力学模型， 软件采用VB编写。结合S195柴油机的各项参数， 对直喷式柴油机进行了标定工况的模拟计算，并计 算了该工况下的柴油机的性能参数，而且还分析了 各种影响因素对柴油机性能的影响，同时提出了提 高发动机性能的一些建议。 1 建立热力学模型 1.1模型的假定 为了列出气缸内工质状态变化的方程式，现取 气缸作为一个热力系统进行考察研究，系统的边界 由活塞顶、气缸盖及气缸套壁组成。描述缸内工质 状态变化的参数有压力P,温度孔质量m和气体的 组成成分.它们由能量守恒方程、质量守恒方程及状 态方程联系起来，这三个方程可以用来求解缸内压 力、温度和质量三个参数。 接下来实现从物理到数学的过程，这里首先介 绍一个导出缸内过程的基本微分方程的假设条件。 a_气缸内的状态是均匀的，也就是不考虑气缸 内各点的压力、温度和浓度的差别，并认为在进气期 间，流人气缸内的空气与气缸内的残余废气实现瞬 时的完全混合; b，工质为理想气体，其比热、内能仅与气体温度 和气体成分有关; c.气体流人或流出气缸为准稳定流动; d.进、出口的动能忽略不计; e.缸内工质在封闭过程中无泄露。 1.2 建立徽分方程组 1.2.1 基本微分方程组 对热力学系统分别应用热力学第一定律、质量 守恒定律以及气体状态方程，建立如下通用方程组: LT二土(d. 占dQ,._。 dV二d-.4_占I'll _?dm__ Lu4) dg, 武 、dp’d" ` dq’dp..,’drp 一df 以 d尸 ? ? ? ? ????????? ?、 ? ?? ? ????dm d卯 PV 作者简介:倪培永(1977一)，男，江苏徐州人，在读研究 生，研究方向为内燃机工作过程及节能技术。 收稿日期:2003一伪一09 1.2.2 传热方程 dQW d甲二1‘扣j(6n;-,“一T) 万方数据 第 5期 倪培永等 直喷式柴油机工作过程模拟计算 13 换热系数采用霍亨伯格(Hohenberg)经验公式: 0 可K 08 c, 1.2.3 d Q. dT - C, U p 8.2,cZ= C-0.4一0.4( c.+CZ )0 8 1.4 代用燃烧规律计算 9.-.H.4T( m 1、了T一94B ),十 1，，— 1 、 己争 / ‘ 。。甲 一 甲;B v . U O 二 口甲 式中，m为燃烧品质数;刀。为燃烧效率;m二为 循环供油量;TIC为燃烧起始角;21T为燃烧持续角; 其它有关方程见参考文献〔I)a 2 模拟计算软件的建立 软件以气缸内过程参数计算为主线，输出气缸 内参数(气缸压力p,温度T，压力升高比dp/dip,燃 烧放热率dQld,p和瞬时过量空气系数。)随曲轴转 角T变化的数据及柴油机动力性、经济性指标。整个 循环可以分为压气期、燃烧期、膨胀期、排气期、气阀 重叠期以及吸气期六个阶段，前三个阶段进、排气阀 都处于关闭状态，可统称为高压阶段;后三个阶段则 为充量更换阶段。 主程序要假定初始值，模拟计算从进气阀关闭 时刻开始，一直逐步计算到下一个循环的进气阀关 闭，初始值和终了值应当一致，否则将计算值作为初 始值再重新计算，反复迭代，直至合理 气阀重叠期计算步长选0.50，其余过程步长均选 为10，算法采用四阶Runge一Kutta法，计一算精度较高 3 模拟计算结果分析 运用本程序对其模拟计算，计算结果如图1一图 4所示。 图1为燃烧放热率曲线，这里燃烧品质数m = 0.5，此曲线很好地符合了实际燃烧规律。图2、图3 分别为压力和温度随曲轴转角变化曲线，图形趋势 基本相符。压缩期压力p逐渐升高;燃烧期压力急 剧上升，在T二369'时达到最大值，然后P开始下降; 膨胀期,P逐渐下降;排气期、气门重叠期、进气期P 基本不变。最高压力偏小，主要是因为有空气滤清 器、进气管阻力等的影响导致进气压力小，进气密度 小，最终使燃烧过程中压力偏小。压缩期温度逐渐 上升，燃烧期温度急剧上升，在lp二3810时达到最大 值，膨胀期、排气期、气门重叠期温度逐渐下降，进气 温度变化不大。但在纯排气后期温度下降不大。主 要是由于瞬时换热系数中某些参数选择不佳，而且 活塞处于上行阶段，使得温度下降不大。 图4为压力升高比随曲轴转角变化曲线，图形 曰厂习曰曰口口曰曰曰 曰厂I I门曰门门曰门曰曰厂E口口口口曰口门 口巨r1口门厂口曰曰曰 曰厂「目巨厂门曰曰曰 口口「旧口巨口曰门口 巨口田厂巨口曰曰曰 厂厅田厂厂曰门口门 口匹口阵〔 口口口口 ? ? ? ? ? ? 月目目巨目目巨目日目目 王五 、 于巨巨医日日阵日巨日日 「尸尸尸洽日阵日阵目日 F日日医医日厂日尸目日 「日日巨巨圈厂日阵曰日 巨日目-乒目冬目巨巨目 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ???????? ? ?? ?? - 3fi0 3fi5 370 395 390 395 4 0 4 5 410 图1燃烧放热率曲线 梦l0CA 图2气缸压力图 曰门门门门曰曰曰] 门门门曰门曰口曰曰曰 门门门曰门门门曰曰门 曰]干日门曰门曰曰曰曰 门门干目门曰门曰曰曰门 口 1旧曰曰曰门曰门口 曰阿f网曰曰曰臼臼曰 门厂刃厂门曰曰曰门门 口]曰曰门口曰门曰 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。 。 ? ?????????? ? ?? 厂刃厂刁【万二巨三「一一{厂万厂习厂〕「口 叮]巨〕I二} 厂二巨二巨二巨口口 厂门巨l区一I二巨二}二 }二【二l二 厂二巨工应 口 t 巨二〔二巨二口 厂了厂「!二反乙〔二一巨二仁二一厂下厂二 「刃口二巨二口5『二巨二仁二厂二巨二 [口「工 口 }五巫仁三【二仁二口 !一)曰 } 匡 【二{二Q 「下「二 厂，历厂} 厂 「一，f万以 }一 厂一 厂二区二 厂丁巨二匹二!一 「丫 尸了「二 巨二巨二「二!c斤二尸一 l一「一「一卜_I.一t- 「二「一厂- ?? ?? ? ? ??? ? ? ? 223 303 383 463 543 623 703 783 863 943 4/e^ IP VC A 图3缸内温度变化图 图4压力升高比变化图 万方数据 内燃机 2003年10月 趋势11本与实际相符。点燃后，压力升高比急剧上 爪在p = 359'时达到最大值，接着又骤然下降达到 最小.后又[升，最后在0附近变化。 在转速，‘= 2 00(1 r/min标定工况下，模拟计算1i 实测的发动机一些性能参数的比较见表1。由此可 见，模拟过程合理，计算结果可靠 表 1 发动机性能参数模拟计竺与实of结奥hr娇 比能参数 指小效率专1% 平均有效压力p,JM1'a 有效扮衅傲率g,/g/(kW-h)一’ 有效功率N,/kW 模拟结果 实测结果(经计算) 52.25 51.12 c.不断增加￡将导致机械效率下降。因为。提 高，使气缸中最高燃烧压力增加。由此要使内燃机 可靠上作，必然使连杆质量增加，从而造成连杆惯性 力过大，使q.下降。 d.压缩比增加，后期传热量和泄露量增加，使7e 下降 表2为变压缩比的计算结果。 表2 不同工况下的压缩比值 0.79 〔)72 ? ? ?? ? ? ? ? 压缩比 ? ? ? ? ? ? 627R 有效功率 有效燃油消耗 平均有效 N, /kW 率g,/(g/kW"h)抓力p, /MPa 指示效率 10.91 有效效率,X/ k 39.19 38.87 11._0211.14 211.12 208.84 206.76 0.802 0.811 0.819 ? ? ? ? ? ? 4 参数分析 在模拟计算时，可以进行变参数分析，为提高发 动机性能提供依据。 4.1 热力学参数对性能的影响 4.1.1进气温度爪 新鲜的一C质受热而引起温升dT，与进气温度式 有关 其传热量Qa与温差成正比。因此T升高 时，工质与气缸壁温差减小，其传热量Qu与4T也 减小，使得4T,,/ T,的比值明显下降，所以7。增加。 但缸内整体压力减小，循环指示功减小，平均有效压 力减小，有效功率减小，同时指示燃油消耗率增加， 有效燃油消耗率增加，整机性能变差。所以应力求 降低进气温度 4.1.2 进气压力P. 进气压力增大，相当于增压，进气密度增大，循 环指小功增大，指示热效率增大，有效效率增大，有 效燃们时肖耗率降低，同时平均指示压力也增大，以致 有效功率增大，而且新鲜空气量增大，烩值增加，最 高温度减少，增加零部件使用寿命，NO、排放减少， 整机性能好。所以应力求增加进气压力。 4.1.3排气背压P. 排气背压大，残余废气系数大，充气效率低，平 均有效压力降低，有效功率降低，有效燃油消耗率增 加，整机性能差。所以应力求降低排气背压。 4.2 结构参数对性能的影响 4.2.1 压缩比 ￡ 。.增加压缩比可以提高工质的最高温度，扩大 循环的温度阶梯，增加发动机的膨胀比，从而使循环 热效率7“提高，但提高幅度随。的增加而减小。 b.增加压缩比可导致最高循环压力P,急剧上 升，则对承载零件强度要求更高。这势必增加发动 机质箭 ,降低发动机的使用寿命和可靠性 4.2.2 配气定时 进气提前角增大，充气效率提高，燃烧充分;排 气提前角增大，口丁降低缸内压力，减少气体运动的阻 力，即减少排气冲程消耗的功，排气门开启过早，会 损失较多膨胀功，是得不偿失的。 4.3 运转参数对性能的影响 4.3.1 转速 ，‘ a，增加转速可以增加单位时间内每个气缸做功 的次数，因而可以提高发动机的输出功率。因此提 高转速是提高发动机功率的一个有效 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。 b.转速的增长将导致燃烧恶化，充气效率降低， 机械效率急剧降低，发动机振动、噪声加剧等，而且 转速升高，换气损失也增加 4.3.2冷却水温度T, 冷却介质的温度直接影响到气缸壁各部分表面 温度，提高冷却介质的温度，可以减少传热损失，提 高发动机经济性。 5 结论 a.运用本程序对柴油机工作过程进行模拟，其 计算结果和实测值基本一致，说明软件是可行的，具 有较高的精度。故该模V对分析柴油机的上作过程 具有一定的指导意义。 b.本程序可以采用变参数形式输人，可对不同 tj号的柴汕机进行模拟计算。 。.用本程序进行变参数分析，从模拟结果得知， 提高压缩比:，可获得良好的动力性和经济性。 〔参考 文献〕 (1〕林杰伦.内燃机工作过程数值计算(M)西安 西安交通 大学出版社，1988. (2〕蒋德明.内燃机原理〔闭.西安:西安交通大学出版.1988. (3)周龙保内嫩机学〔M).西安:西安交通大学出版社，1998. 万方数据