583742378畢業(yè)設(shè)計（論文）發(fā)動機缸內(nèi)燃燒影響因素分析研究

1、1.緒論1.1 研究的目的和意義內(nèi)燃機的誕生已有一百多年的歷史。經(jīng)過長期不斷的改進(jìn)和提高，內(nèi)燃機已經(jīng)成為一種比較成熟、完善的動力機械。由于它的熱效率較高、適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點而在車輛、船舶、工程機械等領(lǐng)域內(nèi)取得了廣泛應(yīng)用，發(fā)揮著日益巨大的作用。為了節(jié)約能源，應(yīng)對全球性的石油危機，內(nèi)燃機經(jīng)濟(jì)性能的提高和新燃料的應(yīng)用研究日益受到重視。為了保護(hù)環(huán)境，降低大氣污染，對內(nèi)燃機有害排放指標(biāo)和噪聲的限制也越來越高，這些都對內(nèi)燃機的工作過程提出了更加嚴(yán)格的要求1。燃燒過程對內(nèi)燃機性能影響的重要性是眾所周知的。它是內(nèi)燃機工作循環(huán)的中心環(huán)節(jié)，它與內(nèi)燃機的基本運行參數(shù)，如功率、效率和排放等直接關(guān)聯(lián)。長期以來，由

2、于燃燒過程的復(fù)雜性，燃燒過程只能借助于實驗進(jìn)行研究，這種研究方法不僅要受到實驗條件、測試技術(shù)、實驗儀器精度等的限制，而且有時根本無法完成，這就給研究燃燒過程帶來了很大的局限性1,2。 隨著高速cpu、大容量硬盤的不斷問世和飛速發(fā)展，利用計算機建立各種科學(xué)的數(shù)學(xué)計算模型，進(jìn)行缸內(nèi)過程的三維數(shù)值模擬成為可能3。利用數(shù)值模擬，借助較為完善的數(shù)學(xué)模型，不僅有助于分析理解燃燒機理，還可以對內(nèi)燃機性能進(jìn)行預(yù)測研究，改變各種結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)，為新發(fā)動機的優(yōu)化設(shè)計和舊發(fā)動機性能改善提供指導(dǎo)，從而簡化實驗工作，縮短研制周期，為內(nèi)燃機研究工作的開展提供了一個更為廣闊的發(fā)展平臺4?；谶@種情況，本文對發(fā)動機工作過

3、程作接近實際的模擬，建立了一個適合汽油機工作過程計算的準(zhǔn)維湍流燃燒模型。1.2 內(nèi)燃機燃燒模型的國內(nèi)外現(xiàn)狀 以流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、燃燒理論和計算數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，以高速大容量計算機為主要工具，通過計算手段來探索自然界、工程實際和社會生活中各種燃燒現(xiàn)象的機理，研究各種燃燒系統(tǒng)和裝置中燃燒過程的規(guī)律和特點，從而實現(xiàn)對各種燃燒現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和預(yù)測。內(nèi)燃機燃燒數(shù)值模擬方法已成為內(nèi)燃機系統(tǒng)的研究、設(shè)計和優(yōu)化的一個強有力的工具5。從上個世紀(jì)40年代以來，對于燃燒模型的研究逐漸開展并提出了各種內(nèi)燃機燃燒模型及其計算程序，1943年出現(xiàn)了研究內(nèi)燃機燃燒模型的damkolershelkin的皺折

4、理論，認(rèn)為紊流的脈動作用使光滑的層流火焰面彎曲且皺折變形；1956年出現(xiàn)了另一種summerfield微容積擴(kuò)散燃燒理論6，認(rèn)為湍流對燃燒的影響以微擴(kuò)散為主；1968年tennkes首先提出了湍流場結(jié)構(gòu)的猜想；1971年，spalding提出旋渦破碎模型（ebu），在此基礎(chǔ)上，magnussen和hjertager7等人提出了湍流控制渦破碎模型(turbulence controlled ebu model)；在magnussen提出的湍流控制渦破碎模型基礎(chǔ)上，abraham8將時間尺度修正為層流一湍流特征時間尺度，應(yīng)用于火花點火發(fā)動機模擬，patterson9將其應(yīng)用于柴油機，形成了層流一湍

5、流特征時間模型；1991年，日本九州大學(xué)城戶裕之等人提出了具有群島狀和分型幾何火焰面的預(yù)混合湍流傳播火焰構(gòu)造模型。事實上，對內(nèi)燃機工作過程的計算直到30年前，內(nèi)燃機理論基本上是建立在理論循環(huán)基礎(chǔ)之上的，常規(guī)的工作過程計算對實際工作進(jìn)行了很大的簡化。計算機技術(shù)和計算流體力學(xué)cfd的飛速發(fā)展，為數(shù)值模擬計算提供了條件，促進(jìn)了數(shù)值模擬內(nèi)燃機瞬時工作過程的蓬勃發(fā)展10。國外，6080年代期間為燃燒過程模擬計算得到高度發(fā)展。國內(nèi)由于計算機技術(shù)應(yīng)用的滯后，直到80年代模擬計算工作才開始大規(guī)模進(jìn)行。目前，國內(nèi)已有多所高等院校及科研機構(gòu)正在開展這一工作，每年均有一定數(shù)量的論文發(fā)表，涉及的燃燒模型包括文章前面提

6、到的所有模型類型。從這些文章可看出，我國在燃燒過程模擬計算方面已由起步進(jìn)入比較成熟的階段，特別是在準(zhǔn)維模型應(yīng)用方面，包括汽油機紊流燃燒模型、汽油機紊流卷入模型、柴油機噴注混合模型及柴油機油滴蒸發(fā)模型，都取得了顯著成果。利用這些模型不僅可以計算缸內(nèi)壓力、溫度等參數(shù)在不同燃燒時刻的數(shù)值，還可以模擬計算各種排放值，如氮氧化物及碳煙。此外，用這些模型還可以進(jìn)行預(yù)測計算，即在改變某一運動參數(shù)或者結(jié)構(gòu)參數(shù)，如壓縮比、混合氣濃度、點火提前角、噴油提前角、噴油器噴孔直徑、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等時，計算發(fā)動機各種性能的相應(yīng)變化。1.3本文主要研究內(nèi)容為了更好的研究燃燒過程，通過建立汽油機準(zhǔn)維燃燒模型，對汽油機工作過

7、程進(jìn)行模擬仿真。本文開展的工作有：(1) 建立一個燃燒過程的兩區(qū)準(zhǔn)維燃燒模型，其中包括火焰?zhèn)鞑ツＰ?、幾何模型、缸?nèi)傳熱模型等。 (2) 根據(jù)汽油機的實際運行場合，在發(fā)動機試驗臺上進(jìn)行試驗，并測得模型計算所需的初始數(shù)據(jù)和對模型進(jìn)行驗證的示功圖。 (3) 利用建立的模型對汽油機的燃燒過程進(jìn)行數(shù)值計算，用實驗結(jié)果進(jìn)行驗證。在通過試驗驗證后的模型的基礎(chǔ)上，計算缸內(nèi)的湍流參數(shù)，并研究轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、壓縮比、配氣相位等對參數(shù)的影響。(4) 通過分析得出燃燒過程中的燃油消耗率曲線、功率曲線、缸內(nèi)壓力升高率曲線和燃燒放熱率曲線等，研究燃燒過程中火焰的發(fā)展情況，研究模型中對燃燒性能有重要影響的參數(shù)，確定合理的參數(shù)取

8、值范圍。通過在一定范圍內(nèi)改變?nèi)紵到y(tǒng)參數(shù)，研究這些參數(shù)對汽油機燃燒過程及動力性能的影響。2 汽油機燃燒模型火焰?zhèn)鞑ナ瞧蜋C燃燒的重要特征，強烈地受缸內(nèi)氣流湍流運動的影響。決定性地影響到火焰結(jié)構(gòu)和火焰?zhèn)鞑?。湍流特性影響燃燒過程，汽油機燃燒實質(zhì)上是湍流燃燒。湍流燃燒模型就是建立描述湍流，點火、火焰及火焰?zhèn)鞑サ热紵卣鲄?shù)及其相互間關(guān)系的一組數(shù)學(xué)表達(dá)式，并與內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)聯(lián)系起來，用以預(yù)測內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行參數(shù)變化后的燃燒特性。由于內(nèi)燃機的燃燒過程極端復(fù)雜，用模型來預(yù)測燃燒就更難了，迄今所提出的各類燃燒模型都是實際過程的一種概括和簡化，所以帶有一定的假設(shè)和猜測性，汽油機湍流燃燒模型也是

9、如此。2.1 湍流火焰的結(jié)構(gòu) 內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的氣體流動均屬湍流流動。湍流是渦不斷產(chǎn)生發(fā)展、分裂和消失的過程，極大地影響著點火和燃燒，描述湍流結(jié)構(gòu)就成為汽油機燃燒模擬的重要內(nèi)容。為了定義湍流結(jié)構(gòu)，引入一些特性參數(shù)。湍流結(jié)構(gòu)如圖所示。圖2.1 湍流結(jié)構(gòu)示意圖a為低雷諾數(shù)的湍流結(jié)構(gòu)，b為高雷諾數(shù)的湍流結(jié)構(gòu)圖2.2 fsr與re的關(guān)系 決定湍流特性的重要參量有湍流雷諾數(shù)re，是影響湍流火焰?zhèn)鞑サ淖钪匾膮⒘俊嶒灡砻?，混合氣在很寬范圍?nèi)，fsr與re的關(guān)系如圖2.2所示。（fsr是湍流層燃燒速度比，re是湍流的雷諾數(shù)）2.2湍流燃燒模型1968年丁克斯首先提出湍流場結(jié)構(gòu)的猜想，1974年布洛文和洛斯柯首

10、先觀察到湍流場有確定的結(jié)構(gòu)，rj塔巴宗斯基等人在丁克斯湍流結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，提出了湍流燃燒模型。模型假定：著火發(fā)生在以科爾莫果諾大尺度表爾的高耗散區(qū)內(nèi)，著火后燃燒沿著渦管以速度()向前推進(jìn)，即以湍流強度 (對流)加上層流燃燒速度 (擴(kuò)散)之和向外傳播，火焰前鋒呈球面；在空間內(nèi)，以層流燃燒速度進(jìn)行燃燒，因此，尺度為l的湍流渦團(tuán)的燃燒時間為。2.3燃燒模型的選擇所謂內(nèi)燃機的數(shù)學(xué)模型，一般是指支配工質(zhì)通過運轉(zhuǎn)中的內(nèi)燃機汽缸時的流體力學(xué)和熱力學(xué)行為的一組方程，并用計算機求數(shù)值解。通過數(shù)學(xué)模型模擬內(nèi)燃機的工作過程，從而達(dá)到解決內(nèi)燃機的實際問題。通常燃燒模型可分為三種：零維模型、準(zhǔn)維模型、多維模型。 (1

11、) 零維模型零維模型又稱單區(qū)模型。它是通過對大量實際燃燒放熱過程的統(tǒng)計分析，找出規(guī)律性，用經(jīng)驗公式或曲線擬合的方法，建立起一種表達(dá)燃燒放熱過程參數(shù)間的經(jīng)驗關(guān)系式，將其復(fù)雜的燃燒過程簡化表達(dá)成幾個特征參數(shù)間的關(guān)系，他們的共同特點是把缸內(nèi)過程的每一瞬態(tài)看成是均勻的，抽去其燃燒物理一化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜中間過程，僅把燃燒看成是按一定規(guī)律向系統(tǒng)加入熱量的過程。這些模型對于分析、計算和預(yù)測內(nèi)燃機性能起了很重要的作用，能夠預(yù)估燃燒過程中主要性能參數(shù)(如與功率有關(guān)的發(fā)動機特性)。另因其簡單，計算費用少，目前在循環(huán)模擬計算中，還是得到了廣泛的應(yīng)用。但是，在這類模型中，用簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系掩蓋了燃燒中物理一化學(xué)反應(yīng)過程的

12、本質(zhì)，因此無法從機理上去把握其規(guī)律性。另外均勻態(tài)的假設(shè)，也不能預(yù)測no。及其其它排放物的生成；而計算的準(zhǔn)確性又依賴于經(jīng)驗系數(shù)的選取，恰當(dāng)與否與內(nèi)燃機機型及運行條件有很強的依賴關(guān)系，因而就不能充分反映變運行條件對放熱特性的影響。(2)準(zhǔn)維模型準(zhǔn)維模型是在零維模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，它是將工質(zhì)的熱力數(shù)據(jù)與汽缸流場聯(lián)系起來研究燃燒室中的能量轉(zhuǎn)換，從而可以考慮燃燒室?guī)缀纬叽?、混合氣的?zhǔn)備和運轉(zhuǎn)參數(shù)的變化對燃燒過程細(xì)節(jié)的影響，因此該模型能把零維模型的熱力學(xué)框架可以應(yīng)用的范圍拓展到燃燒過程的變化可能是主導(dǎo)因素之一的問題。它不需要預(yù)先給定燃燒放熱率，而是將火焰?zhèn)鞑ミ^程視為隨空間而變化的過程，從更加基本的物理

13、量出發(fā)，導(dǎo)出質(zhì)量燃燒率，力求反映結(jié)構(gòu)參數(shù)、運轉(zhuǎn)參數(shù)以及湍流對燃燒的影響，而對于其它過程仍按零維處理。此外計算費用仍能保持在許可范圍之內(nèi)，因此，國外對準(zhǔn)維模型的研究和應(yīng)用較多，國內(nèi)也開展過這方面的大量工作。 (3)多維模型多維模型應(yīng)該說是當(dāng)前最為先進(jìn)的模型。它是基于質(zhì)量、能量、動量守恒定律，考慮了所有現(xiàn)象，如汽缸內(nèi)流場、穩(wěn)流特性、物質(zhì)的化學(xué)濃度、溫度等，并全部引入計算方程中的一種詳細(xì)的三維機構(gòu)模型。在多維模型中，除時間獨立變量外，還有空間獨立變量，相應(yīng)的方程組為偏微分方程組，因此，多維模型的計算十分復(fù)雜，只有在大型計算機上才能完成。從上述三種模型的特點來看，多維模型是目前比較精確的模型，它具有考

14、察內(nèi)燃機幾何關(guān)系與流體流動相互作用細(xì)節(jié)的潛力，其控制微分方程為一組偏微分方程，其中包括湍流、化學(xué)過程、邊界層等許多子模性，用該種模型對缸內(nèi)燃燒過程進(jìn)行模擬，只要給出邊界條件，就可以求出燃燒室內(nèi)的速度場、溫度場、濃度場、壓力場，但該模型在現(xiàn)階段由于對湍流、燃燒化學(xué)等子模型難以確定，以及受到計算機的容量和速度的影響，因此實際使用并不多，故本文選擇準(zhǔn)維模型進(jìn)行模擬計算。2.4 準(zhǔn)維模型建立的理論基礎(chǔ)為了更好的理解avlboost 程序,本章概括出了包括所有可用元件的基本方程式的理論背景.2.4.1 基本方程內(nèi)燃機循環(huán)過程的計算基于熱力學(xué)第一定律： (2.1)式中：氣缸里工質(zhì)內(nèi)能變化；工質(zhì)對活塞做的功

15、；噴入燃料燃燒放出的熱量；工質(zhì)與氣缸蓋、缸套、活塞進(jìn)行熱交換的熱量；由于漏氣而引起的焓流；氣缸里工質(zhì)的質(zhì)量；u比內(nèi)能；氣缸內(nèi)壓力；v 氣缸容積；噴入燃料燃燒放出的熱量；壁熱損失；曲軸轉(zhuǎn)角；漏氣焓；氣體質(zhì)量流。熱力學(xué)第一定律內(nèi)容為：氣缸里的內(nèi)能變化等于活塞功、燃料燃燒放出的熱量、壁熱損失和漏氣引起的焓流的代數(shù)和。對于汽油機，假定： 在燃燒開始前混合物是均勻混合物 在燃燒過程中空燃比是恒定的 即使成分不同，已燃和未燃充氣也具有相同的壓力和溫度。為了求解此方程，需要建立燃燒過程、氣缸壁傳熱和在一定壓力、溫度、氣體組成下的氣體性質(zhì)的模型。建立壓力、溫度和密度的關(guān)系： （2.2）只要氣缸內(nèi)的溫度知道，氣

16、缸壓力可以由氣體方程得到。2.4.2 燃燒模型氣缸內(nèi)燃料的燃燒是一個化學(xué)過程，它受許多參數(shù)影響。其中之一是空氣和燃料的比例（空燃比）。如果實際空氣比理論需要的多，使燃料充分燃燒，則叫稀燃。反之則叫富燃。下面的方程說明了1kg燃料完全燃燒所需要的化學(xué)計量的空氣量： （2.3）對于稀燃，一個循環(huán)釋放的熱量可以從氣缸里的燃料量和其低熱值計算得到。低熱值是一種燃料屬性，可以從下面的公式計算得到： kj/kg(2.4)式中：hu 低熱值；c 燃料中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；h 燃料中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；o 燃料中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；s 燃料中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；n 燃料中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；w 燃料中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在富燃中，在循環(huán)中產(chǎn)生的

17、總熱量由氣缸中的空氣量決定。即使實際空氣比理論所需少，燃料也會全部被轉(zhuǎn)換成燃燒產(chǎn)物。但是，在富燃和稀燃的條件下燃燒產(chǎn)物的組成成分是不同的。燃燒產(chǎn)物的組成成分由所用的燃料類型、空燃比、壓力和溫度決定。如果有足夠的時間達(dá)到化學(xué)平衡，產(chǎn)物的成分組成總是一樣的。事實上，在真實的發(fā)動機條件下，上述假設(shè)的完全燃燒過程是不可能達(dá)到的。對過量空氣系數(shù)為1.0的燃燒過程來說，這是非常重要的（過量空氣系數(shù)的定義為：氣缸內(nèi)實際的空氣量與理論燃燒所需的空氣量之比）。因此，boost程序中包含了有關(guān)于燃料轉(zhuǎn)換因子的模型，以考慮過量空氣系數(shù)在0.9到1.2之間的不完全燃燒過程。圖2.3表示了汽油機在一定充量的空氣下平均有

18、效壓力(imep)和過量空氣系數(shù)之間的關(guān)系。過量空氣系數(shù)-圖2.3 過量空氣系數(shù)對平均有效壓力的影響2.4.3.燃燒放熱率的計算建立燃燒過程模型的最簡單的方法是直接指定放熱率。發(fā)動機在某一運行點的放熱率可由測量的缸內(nèi)壓力曲線計算得到。通過對高溫循環(huán)的逆計算，例如，通過解方程2.2或者2.3，用 代替 ，即可得到相應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的放熱率。為了簡化計算，必須指定無量綱的熱輸入特性。通過計算循環(huán)總放熱量由氣缸內(nèi)的燃料量和空燃比確定，boost計算出每度曲軸轉(zhuǎn)角所釋放的熱量?？梢杂靡韵路椒ㄖ苯虞斎敕艧崧是€：1、韋伯函數(shù)（vibe） 韋伯函數(shù)經(jīng)常用來近似描述發(fā)動機真實的放熱特征： （2.5） (2.6)

19、(2.7)式中：q燃料燃燒放出的總熱量；曲軸轉(zhuǎn)角；燃燒開始時的曲軸轉(zhuǎn)角；燃燒持續(xù)期；m形狀參數(shù)；a 完全燃燒的vibe參數(shù)，a=6.9。對vibe函數(shù)積分，得到從燃燒開始時刻起至某一時刻所燒掉的燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)x ： （2.8）在圖24中顯示了vibe形狀參數(shù)m對vibe函數(shù)圖形形狀的影響。圖2.4：形狀參數(shù)m的影響2、韋伯雙區(qū)模型對于外部混合的發(fā)動機，可以選擇一個雙區(qū)模型。使用vibe函數(shù)計算放熱率和已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)。但取消關(guān)于已燃和未燃充氣有相同溫度的假設(shè)，取而代之的是用熱力學(xué)第一定律來分別分析已燃充氣和未燃充氣。 （2.9） (2.10)下標(biāo) b 表示已燃區(qū)；下標(biāo) u 表示未燃區(qū)

20、。式子表示新鮮充量在向燃燒產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的過程中，從未燃區(qū)流向已燃區(qū)的焓流。并忽略兩區(qū)之間的熱流。另外，兩區(qū)總?cè)莘e的變化必須與氣缸容積的變化相等，兩區(qū)容積之和必須和氣缸容積相等。 （2.11） (2.12)將式子（2.11）帶入(2.9)中，并使用基本的代數(shù)運算可得到已燃區(qū)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率。 （2.13）其中： 同樣可以建立一個類似的關(guān)于未燃區(qū)溫度的方程。 （2.14）每一時間步已燃混合氣的量可由用戶指定的vibe函數(shù)得到。對于其它的條件，像壁面熱損失等，可以在二區(qū)間上適當(dāng)分配，建立與單區(qū)模型相似的模型。2.4.4. 擴(kuò)散放熱率的計算 對于發(fā)動機瞬時現(xiàn)象的模擬，上述方法是不夠的，因為放熱特性是

21、隨著發(fā)動機的速度和負(fù)荷而變化的。由于在模擬程序運行之前，瞬時的速度和負(fù)荷是未知的，因此，需要一個在某一工況下預(yù)測放熱率的模型。對于汽油機，燃燒持續(xù)期和點火延遲期的變化可由點火時刻氣缸內(nèi)的條件計算得到。 (2.19) (2.20)s 層流火焰速度；f 點火時刻活塞頂?shù)綒飧咨w的距離。層流火焰速度是缸內(nèi)條件、空燃比和殘余氣體摩爾分?jǐn)?shù)的函數(shù)。2.4.5 準(zhǔn)維燃燒模型boost中用于點燃式發(fā)動機的準(zhǔn)維燃燒模型可以預(yù)測均勻充氣發(fā)動機的放熱率。因而要考慮下列參數(shù)的影響： 燃燒室形狀 火花塞位置和點火定時 缸內(nèi)充氣的組分（殘余氣體、廢氣再循環(huán)氣體、空氣和燃料蒸氣） 宏觀充氣運動和湍流程度二區(qū)燃燒模型的熱力學(xué)已

22、經(jīng)在2.4.3節(jié)雙區(qū)韋伯函數(shù)中已簡略介紹。雙區(qū)韋伯函數(shù)用來計算燃燒產(chǎn)物的氣體狀態(tài)（如已燃區(qū)）和剩余新鮮充氣的狀態(tài)（如未燃區(qū)）。但是，放熱率是由方程（2.21）決定，而非由用戶提供的韋伯函數(shù)決定。 (2.21)已燃總質(zhì)量；卷吸入火焰的質(zhì)量；特征燃燒時間（即，燃燒單個湍流渦所需要的時間）。卷吸入火焰的質(zhì)量由火焰表面積、未燃區(qū)密度、層流火焰速度和湍流強度計算得到： (2.22)式中：未燃區(qū)氣體密度；火焰表面積；湍流強度； 層流火焰速度；在點火時刻的特征燃燒時間；t 從點火時刻起的時間。假設(shè)火焰從火花塞以球形傳播到整個燃燒室，則瞬時火焰半徑，火焰面積，已燃區(qū)和未燃區(qū)內(nèi)的活塞、缸蓋和缸套周壁的面積則只由

23、幾何條件決定。但是，實驗結(jié)果顯示，不管是卷吸的還是損耗的燃料都不是嚴(yán)格的遵守幾何關(guān)系。這可由bargende的一個公式來修正，該方法改進(jìn)了隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的放熱率的計算。因此，下面的修正被引入方程（2.22）中。 (2.23) 其中，表示已燃?xì)怏w的體積；參數(shù)和由下式?jīng)Q定：式中，x表示殘余氣體的容量。由于上述方法有賴于經(jīng)驗公式，因此引進(jìn)一個基于物理的方法以考慮燃燒和湍流的相互作用。這個方法可以參考燃燒的物理模型，該模型更多的考慮了湍流的影響，它對卷吸入的新鮮充量的貢獻(xiàn)，如下所示： (2.24)其中，表示已燃質(zhì)量分?jǐn)?shù)。湍流的速度由未燃?xì)怏w的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測得，僅影響新鮮充量。而且，方程式（2.1.24）考

24、慮了燃燒放熱率的減少，當(dāng)殘留氣體的質(zhì)量增加時。由燃燒引起的額外的湍流強度按下式估算： （2.25）為了計算湍流強度,采用簡單的k模型和作如下的假設(shè)： 總的湍流既不受擴(kuò)散的影響，也不受邊界層流動的影響 湍流是等方向性的 在進(jìn)氣沖程中沒有進(jìn)氣渦流產(chǎn)生 湍流完全產(chǎn)生在進(jìn)氣沖程 根據(jù)快速變形理論假定，瞬時動量守恒。 所有的流動只發(fā)生在氣缸軸線的方向湍流的動能k被定義為： （2.26）湍流動能變化率描述如下： （2.27）式中，； 。p 產(chǎn)生率；d 擴(kuò)散率，該因素可被忽略，如設(shè)為0 ；c 模型常數(shù)；l 湍流長度尺寸，是動能的耗散率。2.5 本章小結(jié) 本章介紹了燃燒模型的種類，重點介紹了準(zhǔn)維燃燒模型，對b

25、oost建立模型的相關(guān)理論知識做了重點介紹，為后面軟件使用和分析計算奠定理論基礎(chǔ)。3 應(yīng)用boost建立發(fā)動機模型avl boost軟件是奧地利avl list公司為建立整臺發(fā)動機的模型而開發(fā)研制的一套一維氣體流動和熱力學(xué)模擬計算程序。它不僅可以在設(shè)計階段預(yù)測發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能，而且還可以分析成型發(fā)動機的熱力學(xué)過程。模擬的主要目標(biāo)是減少在昂貴的試驗臺架上的投資，為進(jìn)一步的設(shè)計指引方向。利用這款軟件，我們可以對發(fā)動機的性能進(jìn)行模擬計算，同時可以通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行大量計算得出各參數(shù)的影響趨勢。3.1 492發(fā)動機工作過程的建立建立計算模型的步驟大致如下：(1)對所研究的492q型發(fā)動機進(jìn)行分

26、析和測量，收集數(shù)據(jù)和資料。(2)將實際的復(fù)雜的汽油機分解成若干個容易處理的子系統(tǒng)，并運用avl boost軟件所提供的模塊建立相應(yīng)的物理模型。(3)根據(jù)工程熱力學(xué)，傳熱學(xué)等方面的知識，將簡化的物理模型進(jìn)行定量的數(shù)學(xué)描述，將收集的數(shù)據(jù)及資料輸入到相應(yīng)的模塊中去，即建立數(shù)學(xué)模型。(4)利用己建立的初步模型，進(jìn)行模擬計算，求出該模型所包含的全部物理參量，并與實際的測量值進(jìn)行對比，進(jìn)一步修改模型以達(dá)到實用。根據(jù)發(fā)動機結(jié)構(gòu)，建立工作模型如下圖所示： 圖3.1 工作過程模型模型由以下元件組成： 4個汽缸 用c表示 1個空氣濾清器 用cl表示 2個系統(tǒng)邊界 用sb表示 3個增壓器 用pl表示 27根管 用數(shù)

27、字表示 15個測試點 用mp表示 9個約束點 用r表示 5個接點 用j表示 1個噴油器 用i表示模型的工作過程：空氣通過系統(tǒng)邊界（sb1）進(jìn)入空氣濾清器，再通過管道1、2、3進(jìn)入進(jìn)氣管，然后由相應(yīng)的進(jìn)氣道進(jìn)入相應(yīng)的氣缸c1c4，再通過排氣管，最后經(jīng)過系統(tǒng)邊界（sb2）將廢氣排入大氣。3.2模型參數(shù)的設(shè)定3.2.1 普通數(shù)據(jù)輸入boost要求對整體輸入數(shù)據(jù)的說明優(yōu)先于任何元件。首先必須定義全局輸入數(shù)據(jù)，選擇仿真控制，并輸入下面的數(shù)據(jù)。（1） 普通控制圖3.2 普通控制輸入以下數(shù)據(jù)：發(fā)動機速度：3800rpm計算模型：單一指定選擇的氣缸：transfer of rohr混合準(zhǔn)備：外部燃油：類型：汽

28、油低熱值：43500 kj/kg化學(xué)計量空燃比：14.5參考條件：壓力：100000pa溫度：298k（2）時間設(shè)置控制圖3.3時間控制輸入以下數(shù)據(jù)：循環(huán)：四沖程最大計算時間：循環(huán)數(shù)：50管子：平均單元尺寸：30mm輸出：5 deg數(shù)據(jù)保存間隔：720 deg（3）點火時間輸入下面數(shù)據(jù)：發(fā)火間隔（度）0540180360（4）初始化表3.1 初始化數(shù)據(jù)set壓力（pa）溫度（k）燃油蒸汽燃燒產(chǎn)物空燃比110000030400100002950003400.0701000031500004900114.3（5）發(fā)動機摩擦力輸入下列數(shù)據(jù)：負(fù)荷：10bar表3.2摩擦力數(shù)據(jù)發(fā)動機速度（轉(zhuǎn)/分）fme

29、p (y) bar10001.838003.53.2.2 元件數(shù)據(jù)輸入（1）邊界條件sb1、sb2：表3.3 邊界條件表大氣壓力（pa）氣體溫度（k）燃油蒸汽燃燒產(chǎn)物比率類型比率數(shù)值sb19950030400a/f-ratio10000sb29950095001a/f-ratio14.3（2）管子數(shù)據(jù)的設(shè)定：表3.4 管子數(shù)據(jù)表管子長度（mm）直徑(mm)彎曲半徑 （mm）摩擦系數(shù)（mm）傳遞系數(shù)（mm）壁面溫度（k）管1220table1000000.011304管260601000000.011304管3601001000000.011304管480table1000000.0341293

30、管580321000000.041850管680321000000.041850管780321000000.041850管880321000000.041850管930532100000table1850管1028532100000table1850管1130032100000table1850管1227032100000table1850管1350341000000.0231850管1450351000000.0231850管15360371000000.0221750管16290371000000.0221750管1750441000000.0211850管18970461000000.0

31、211700管19330461000000.0211650管20320tabletable0.0361310管21320tabletable0.0361310管22320tabletable0.0361310管23320tabletable0.0361310管2440701000000.0341304管25105table1000000.0341304管26970tabletabletable1600管27220table1000000.0011304對相關(guān)表格輸入下面數(shù)據(jù)：表3.5 管相關(guān)數(shù)據(jù)diameterbending radiusfriction coefficientlocation

32、x (mm)diametery (mm)locationx (mm)bendingradius y (mm)locationx (mm)frictioncoefficient ypipe 10110220706060pipe 40806555pipe 90102.5213.753050.040.040.0230.023pipe 100102.5213.752850.040.040.0230.023pipe 1101102053000.040.040.0230.023pipe 120115182.52700.040.040.0230.023pipes20 - 230701151702252653

33、204542.741.336.833.533.433.4010521531501206010000pipe 25052.5105757565pipe 260220400570970464645464602205709700100001001000002205709700.0190.060.060.019pipe 2702204480 設(shè)定管子參數(shù)時要注意的是管子的摩擦系數(shù)與管子內(nèi)表面的加工程度、管子的材料、管子的長度有關(guān)，avl公司的經(jīng)驗參數(shù)如表3.6。表3.6 avl公司的經(jīng)驗參數(shù)表管子直徑（mm）3060100150塑料（0.0015）0.0110.010.010.01新型鋼結(jié)構(gòu)（0.05

34、）0.0230.0190.0170.016舊型鋼結(jié)構(gòu)（0.17）0.0320.0270.0230.021鑄鐵（min.0.25）0.0370.0290.0260.023鑄鐵（max.0.5）0.0440.0370.0310.028管子中初始化數(shù)據(jù)按發(fā)動機中的實際情況設(shè)定。（3）約束參數(shù)的設(shè)定約束的參數(shù)可以用“元素/參數(shù)復(fù)制”從一個約束復(fù)制參數(shù)到另一個約束。表3.7 約束參數(shù)表約束數(shù)flow coefficients for flowr1r21r3r60.8r7r90.9（4）汽缸參數(shù)的設(shè)定 一般參數(shù)的設(shè)定： 缸徑： 92mm 沖程： 92mm 壓縮比： 9 連桿長度： 168mm 活塞銷偏心：

35、 0.8mm 有效流動縫隙： 0mm 曲軸箱壓力： 100000pa 掃氣模型： 完全混合 初始化設(shè)定（如圖3.4）： 圖3.4 初始化參數(shù)設(shè)定函數(shù)參數(shù)的設(shè)定（如圖3.5）： boost軟件中用vibe函數(shù)來表示發(fā)動機氣缸中的燃燒過程，其中包含如下參數(shù)：start of combustion 點火提前角combustion duration 燃燒持續(xù)時間shape parameter 形狀因子parameter a 參數(shù)(汽油機選擇6.9)圖3.5 函數(shù)參數(shù)的設(shè)定熱傳導(dǎo)參數(shù)的設(shè)定（如圖3.6）：熱傳導(dǎo)氣缸中的相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下：活塞： 表面積： 5809 壁面溫度： 500k 活塞標(biāo)定系數(shù)： 1

36、缸蓋： 表面積： 7550 壁面溫度： 530k 缸蓋標(biāo)定系數(shù)： 1缸筒： 表面積： 270 壁面溫度（活塞上止點）： 435k 壁面溫度（活塞下止點）： 425k 缸筒標(biāo)定系數(shù)： 1 燃燒系統(tǒng)： di氣缸內(nèi)渦流比： 0 圖3.6 熱傳導(dǎo)參數(shù)設(shè)定閥口參數(shù)設(shè)定：輸入以下數(shù)據(jù)：表3.8 閥口參數(shù)數(shù)據(jù)controlled byportpipecontrolsurface area mm2wall temp k22valve03605valve8300540氣道參數(shù)設(shè)定：管22氣門控制氣門座內(nèi)徑： 43mm氣門間隙： 0mm有效流動面積的比例系數(shù)：1.712氣門升程：將曲軸轉(zhuǎn)角與氣門升程參數(shù)導(dǎo)入進(jìn)去（

37、如圖3.7）氣門開啟角度：340凸輪持續(xù)角度：270氣門開啟角度：340凸輪持續(xù)角度：270增量：10圖3.7 氣門參數(shù)設(shè)定流量系數(shù)（如圖3.8）：壓縮比：1選擇閥門有效行程圖3.8流量系數(shù)參數(shù)設(shè)定 管5氣門控制氣門座內(nèi)徑： 36mm氣門間隙： 0mm有效流動面積的比例系數(shù)：1.242氣門升程：將曲軸轉(zhuǎn)角與氣門升程參數(shù)導(dǎo)入進(jìn)去（如圖3.9）氣門開啟角度：130凸輪持續(xù)角度：260氣門開啟角度：130凸輪持續(xù)角度：260增量：10圖3.9 氣門參數(shù)設(shè)定流量系數(shù)（如圖3.10）壓縮比：1選擇閥門有效行程圖3.10 流量系數(shù)參數(shù)設(shè)定管22和管5的升程曲線和流動系數(shù)曲線表表3.9升程曲線和流動系數(shù)曲線

38、表進(jìn)氣管 22排氣管 5升程曲線流動系數(shù)升程曲線流動系數(shù)曲柄角 (x)deg氣門升程(y)mm氣門升程(x)mm流動系數(shù)(y)曲柄角(x)deg氣門升程(y)mm氣門升程(x)mm流動系數(shù) (y)3400001300003500.1510.1091400.210.10793601.7420.2021500.9120.2093701.7830.2591601.9830.27753802.9340.30131703.2140.35853904.1450.32531804.3950.40444005.2860.34981905.5360.450844106.3770.38292006.5470.50

39、0934207.3180.39512107.4480.51974308.1290.40672208.1790.5364408.77100.40792308.71100.536024509.25110.40482409.07110.537034609.522509.324709.582609.324809.442709.014909.132808.585008.632907.945107.963007.065207.123106.055306.23205.045405.253303.925504.123402.785602.943501.425701.763600.725800.753700.1

40、85900.173800.066000.05390061006100（1） 空氣濾清器概要幾何屬性總?cè)莘e： 8.7l進(jìn)口容積： 3l出口容積： 4.3l過濾器的長度： 300mm氣體屬性質(zhì)量流量： 0.103kg/s壓降： 800pa進(jìn)口壓力： 100000pa進(jìn)口空氣溫度： 293 流動系數(shù)表3.10 流動系數(shù)管 3 流入1管 3 流出1管 4 流入1管 4 流出1（2） 增壓室 概要表3.11 增壓室概要容積(l)全局初始化充氣室14set 1充氣室26set 3充氣室36set 3 流動系數(shù)表3.12增壓室流動系數(shù)充氣室1管3流入0.95管3流出0.95管24流入0.95管24流出0.9

41、5充氣室2管18流入0.65管18流出0.65管26流入0.8管26流出0.8充氣室3管18流入0.9管18流出0.9管19流入0.9管 19流出0.9（8）連接表3.13 各連接數(shù)據(jù)junction 1constant pressurepipe 4 inflowpipe 21 inflowpipe 22 inflowpipe 25 inflow1111pipe 4 outflowpipe 21 outflowpipe 22 outflowpipe 25 outflow1111junction 2refined modelangle between pipes 4 and 20angle be

42、tween pipes 20 and 23angle between pipes 23 and 49018090junction 3refined modelangle between pipes 9 and 10angle between pipes 10 and 13angle between pipes 13 and 9 30165165junction 4refined modelangle between pipes 11 and 12angle between pipes 12 and 14angle between pipes 14 and 1130165165junction

43、5refined modelangle between pipes 15 and 16angle between pipes 16 and 17angle between pipes 17 and 1530165165（9） 限制表3.14 各限制數(shù)據(jù)restriction 1from pipe 1 to pipe 21from pipe 2 to pipe 11restriction 2from pipe 2 to pipe 31from pipe 3 to pipe 21restriction 3from pipe 5 to pipe 90.8from pipe 9 to pipe 50.

44、8restriction 4from pipe 6 to pipe 110.8from pipe 11 to pipe 6 0.8restriction 5from pipe 7 to pipe 120.8from pipe 12 to pipe 70.8restriction 6from pipe 8 to pipe 100.8from pipe 10 to pipe 80.8restriction 7from pipe 13 to pipe 150.9from pipe 15 to pipe 130.9restriction 8from pipe 14 to pipe 160.9from

45、pipe 16 to pipe 140.9restriction 9from pipe 17 to pipe 260.9from pipe 26 to pipe 170.9（10） 噴油器 概要 輸入下面的數(shù)據(jù)： 空燃比：14.5 噴油器：injection nozzle（continuous injection） 測點：測點2 噴入空氣流量的100% 流動系數(shù)圖3.11噴油器流動系數(shù)（11）測量點測點位置輸出范圍measuring point 1170standardmeasuring point 235standardmeasuring point 3200standardmeasurin

46、g point 460standardmeasuring point 540standardmeasuring point 625standardmeasuring point 740standardmeasuring point 8275standardmeasuring point 9268standardmeasuring point 1050standardmeasuring point 1150standardmeasuring point 12200standardmeasuring point 13260standardmeasuring point 14900standardm

47、easuring point 15305standard3.3本章小結(jié)本章建立了492q汽油機工作過程的模型。為了提高模型的準(zhǔn)確性，在汽油機結(jié)構(gòu)參數(shù)如缸徑和沖程等確定的情況下，正確選擇汽油機的燃燒放熱模型以及傳熱模型，而且對進(jìn)排氣系統(tǒng)和系統(tǒng)邊界的流量系數(shù)以及該機的一些性能參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，為后續(xù)章節(jié)的仿真分析奠定了基礎(chǔ)。4 492發(fā)動機的模擬計算4.1模擬計算應(yīng)用數(shù)值仿真技術(shù)輔助內(nèi)燃機設(shè)計，關(guān)鍵在于其預(yù)測能力也即模型的準(zhǔn)確性。本文進(jìn)行了外特性實驗，通過實驗和計算結(jié)果的對比，來驗證上面建立的整機模型。通過對模型的計算，圖4.5、4.6、4.7分別給出了該發(fā)動機全負(fù)荷下速度特性(外特性)曲線。模擬數(shù)據(jù)如表4.3所示。圖4.5汽油機外特性仿真功率圖圖4.6 汽油機外特性仿真扭矩圖圖4.7 汽油機外特性仿真燃油消耗率圖表4.3計算機仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)速（r/min）扭矩（nm）功率（w）油耗（kg/ws）3800163.21364948.11.14e-073600168.349634661.07e-073200172