HCCI 內燃機燃燒機理測試與實驗系統(tǒng)的開發(fā)-

1、ABSTRACT論文分類號TK39 單位代碼10183 密級內部研究生學號 2201310吉林大學碩士學位論文題目:HCCI內燃機燃燒機理測試與實驗系統(tǒng)的開發(fā)Topic: HCCI Engines Combusion Mechanisms Test and the Development of Experiment System作者姓名:常國峰專業(yè):熱能工程導師姓名及職稱:許思傳教授論文起止年月: 2001年09月至2003年02月吉林大學碩士學位論文摘要本文介紹了內燃機(燃燒彈燃燒分析系統(tǒng)的結構、工作原理、功能和特點。本系統(tǒng)采用工業(yè)控制計算機和應用軟件運行方式,提高了系統(tǒng)的抗干擾性和可操作性

2、;采用數據采集卡配以自行開發(fā)的軟件,利用DMA技術,對內燃機的運行參數進行采樣;采用高速A/D,提高了系統(tǒng)的測量精度和分析精度,并建立了放熱規(guī)律的數學模型。還論述了內燃機試驗參數的測量方法以及提高其測試精度的措施。此燃燒分析系統(tǒng)具有全中文界面、價格低、操作簡單、使用維護方便、功能便于擴充等優(yōu)點。經過測試,證明此系統(tǒng)是一套準確,高效,自動化程度高的內燃機燃燒分析系統(tǒng)。系統(tǒng)在檢測數據的實時顯示,保存,輸出等方面具有十分突出的優(yōu)點。關鍵詞:內燃機;燃燒彈;工業(yè)控制計算機;- V -ABSTRACTAbstractIn this paper, we introduced the structure,

3、mechanisms, power and virtues of the internal combustion engines (combustion bomb combustion analysis system. The system includes industrial PC and software to boost anti-jamming and maneuverability.Using Advanced Acquisition Card and self-developed software through DMA technology to collect engine

4、running-parameters such as cylinder pressure and temperature.In this system, we validated high speed A/D to improve testing and analysis accuracy. The self-developed software can describe successfully heat release rate. In addition, the paper offers a method to test engine running-parameters and a m

5、easure to improve testing accuracy the combustion analysis system has many virtues, such as chinese interface, low cost, manageable and easy to maintain and develop.The results show that that combustion analysis system is very accurate and effective. The system can display sane and output real time.

6、Keywords: Engine; Combustion Bomb; Industrial PC;吉林大學碩士學位論文目錄第一章緒論 (11.1 引言 (11.2 HCCI燃燒的技術特點和面臨的主要問題 (21.3 計算機檢測技術的發(fā)展現狀 (41.4 HCCI燃燒技術在國外、國內的研究情況 (71.5 本文的研究內容 (8第二章氣缸內熱力過程計算數學模型建立方法 (92.1氣缸內熱力過程的基本微分方程 (92.2氣缸內各階段的熱力過程分析 (132.3氣缸周壁的傳熱 (172.4燃燒放熱率的計算 (202.5熱力過程計算中需要注意的幾個問題 (23第三章 HCCI發(fā)動機燃燒分析系統(tǒng)的開發(fā) (

7、293.1開發(fā)背景 (293.2硬件結構 (293.3軟件設計 (343.4軟件的人機交互界面開發(fā) (40第四章試驗結果分析 (46第五章全文總結 (51致謝 (52參考文獻 (53論文摘要 (- VII -ABSTRACT第一章緒論1.1 引言隨著世界各國排放法規(guī)日趨嚴格,低排放已經成為發(fā)動機進入市場的前提條件。同時,人們出于經濟性考慮,對車輛的燃油經濟性要求也越來越高。與汽油機相比,柴油機具有較高的熱效率和優(yōu)越的燃油經濟性,以及更低的HC和CO排放,受到越來越多發(fā)動機廠商的青睞。但是,傳統(tǒng)柴油機的排放存在一個難題:無法同時有效降低NOx和PM排放。因為NOx生成的主要機理是高溫富氧,為減少

8、NOx排放而采取的導致燃燒溫度降低的措施,往往會減少碳煙的氧化,從而導致碳煙排放惡化,這是以擴散燃燒為主的傳統(tǒng)柴油機所無法避免的。因此,人們開始嘗試一種預混合燃燒和低溫燃燒相結合的新型燃燒方式:依靠預混合燃燒形成的均勻混合氣和低溫燃燒較低的缸內溫度來同時降低PM和NOx排放。這種燃燒方式被稱作均質壓燃式燃燒方式(Homogeneous Charge Compression Ignition combustion。采用這種燃燒方式的發(fā)動機不僅可以燃用柴油,還可以燃用汽油、天然氣和醇類等燃料2 3。在傳統(tǒng)的火花點火發(fā)動機上,均質混合氣被火花塞點燃,火焰前鋒在均質混合氣中傳播,火焰前鋒及其燃燒產物的

9、局部溫度遠遠高于其他未燃混合氣,因此燃燒過程和溫度分布極不均勻,局部的高溫易導致已燃區(qū)內NOx 的生成3。傳統(tǒng)的柴油機采用擴散燃燒,化學反應速率遠高于燃料和空氣的混合與擴散速率,燃燒快慢由混合擴散速率決定;在這種類型的燃燒中,混合氣和溫度分布都極不均勻,擴散火焰外殼的高溫區(qū)產生NOx,內部高溫缺氧區(qū)產生PM。上述兩種傳統(tǒng)的燃燒方式存在著火溫度分布不均勻的問題,即局部高溫和整體平均低溫。從理論上講,在HCCI燃燒過程中,均勻的空氣與燃料混合氣及殘余廢氣被壓縮點燃,燃燒在多點同步發(fā)生無明顯火焰前鋒,燃燒溫度比較均勻,NOx和PM的形成能夠被有效抑止。在發(fā)動機整個工作過程中,燃燒始點和燃燒快慢的控制

10、是兩個主要問題。在HCCI中控制燃燒始點很困難,為了獲得良好的自燃就需要較高的充量溫度和壓縮比,而在發(fā)動機的整個工況范圍內,由于爆震和失火的限制,這樣高的溫度和壓縮比不可能在所有工況都實現。在傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)中,是靠空氣與燃油的混合率或火焰?zhèn)鞑ヂ蕘砜刂迫紵俾?但在HCCI中這兩種方式均不能被采用,采用高的廢氣再循環(huán)(EGR和稀的混合比能較好地控制燃燒速率。與傳統(tǒng)吉林大學碩士學位論文的火花點火發(fā)動機相比,HCCI方式采用均勻的空氣與燃料混合氣,但是用壓燃代替火花塞點火方式;與傳統(tǒng)的柴油機相比,HCCI方式采用壓燃著火,但混合氣充量是均質的。試驗證明這種燃燒方式具有較高熱效率、低NOx 和PM排放

11、等優(yōu)點4。1.2 HCCI燃燒的技術特點和面臨的主要問題一.技術特點3HCCI采用均質混合氣在發(fā)動機中壓縮燃燒,它不同于傳統(tǒng)的點燃式或壓燃式發(fā)動機。(1熱效率HCCI通常具有很高的放熱速率(見圖1-1,在一定的工況下,放熱速率可接近Otto循環(huán);沒有高溫區(qū)和不發(fā)光的燃燒,使得熱損失減小;因此HCCI有較高的熱效率。 圖1-1 規(guī)范化放熱率曲線(2排放研究HCCI方式的主要目的之一在于明顯減少某些有害物質的排放(見圖1-2。1.Nox HCCI方式由于燃燒室中沒有高溫區(qū),能顯著減小NOx排放。HCCI是以較稀的混合比,大EGR燃燒,燃燒溫度明顯低于汽油機或柴油機,- IX -ABSTRACT另外

12、一些研究HCCI的NOx排放數學模型的學者也討論過此類問題。不過目前NOx排放減少的結論都是在部分負荷條件下得出的,在相同過量空氣系數下,HCCI對降低NOx排放效果不大。 圖1-2 NOx排放2.PM目前的研究表明,采用HCCI的PM排放較低。PM減少的機理目前還不十分清楚,也沒有太多的文獻討論,不過大部分人認為燃油碰壁擴散燃燒和局部濃混合區(qū)的減少都有效地抑止了PM的形成。3.HC和CO人們普遍認為與傳統(tǒng)的柴油機燃燒相比,HCCI的HC和CO 排放是增加的。導致這種現象產生的原因之一是由于HCCI采用較稀的混合氣和較強的EGR,缸內溫度較低,最終使得HC和CO的氧化率下降,排放增加。(3運行

13、范圍提高HCCI發(fā)動機高負荷時的功率輸出發(fā)動機采用HCCI方式運行受到失火(混合氣過稀和敲缸(混合氣過濃的限制,失火信號一般用點火始點和最高燃燒壓力的急劇變動及功率迅速下降來判別。敲缸用爆震儀來檢測。進氣溫度、EGR等都會影響失火和爆震的產生。目前HCCI方式在2行程發(fā)動機上主要應用在中低負荷工況區(qū)。二.面臨的主要問題4HCCI在內燃機上的應用有著誘人的前景,但目前還有許多問題有待進一步解決。根據工作方式不同,HCCI發(fā)動機可以分為專用HCCI發(fā)動機和“雙模式”HCCI發(fā)動機。前者在發(fā)動機的全部工況下都采用HCCI燃燒方式;而后者則在部分負荷下用HCCI燃燒方式工作,在很高負荷及全負荷下采用傳

14、吉林大學碩士學位論文統(tǒng)柴油機或汽油機的工作方式。其中專用HCCI發(fā)動機是研究者正在力求實現的目標。它具有改善發(fā)動機全部工況下排放狀況以及提高經濟性能的潛力,但是專用HCCI發(fā)動機的實現還面臨一些難題。(1燃燒相位的控制HCCI是一個復雜的過程,其影響因素很多,其中包括燃料的自燃特性和蒸發(fā)潛熱;混合氣的均勻度;殘余廢氣量及其反應活力,壓縮比,進氣溫度和機體溫度;傳熱及其他相關因素。(2功率輸出HCCI方式目前的主要缺點是功率輸出不理想。當EGR較強,空燃比較大時,HCCI燃燒比較穩(wěn)定;但當壓縮比接近理論壓縮比時,燃燒穩(wěn)定性下降,排放變差。HCCI燃燒是一種稀燃反應。稀薄燃燒的特點和為避免混合氣在

15、壓縮過程中過早著火所采取的降低壓縮比和提高EGR率的措施,導致專用HCCI發(fā)動機在高負荷下功率輸出不足。(3均質混合氣的準備均質混合氣的準備對于減少HC和PM排放,獲得較高的熱效率很關鍵,燃油對燃燒室壁面的濺擊直接影響HC排放,燃燒室中混合氣不均質將使NOx排放增加。1.3 計算機檢測技術的發(fā)展現狀計算機的出現,在科學技術上引起了一場深刻的革命。特別是近年來半導體電路的高度集成化,其運行速度和工作可靠性的提高、成本的不斷降低,使計算機廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、國防以至日常生活的各個領域。電子計算機不僅在數據處理、科學計算等方面應用極廣,而且在工業(yè)自動檢測方面也得到越來越廣泛的應用。由于微型計算機具

16、有成本低、體積小、功耗少、可靠性高和使用靈活等特點,為實現計算機檢測創(chuàng)造了良好的條件,使計算機檢測技術的水平發(fā)展到一個嶄新的階段33。一.硬件組成7微型計算機(簡稱微型機控制系統(tǒng)的硬件一般是由微型機、外部設備、輸入輸出通道等組成。(1微型機微型機是具有完整運行功能的計算機,它除了有相應的微處理器作為核- XI -ABSTRACT心部件外,還應包括存貯器、輸入/輸出電路以及其它配套電路。在控制系統(tǒng)中,微型機完成程序存貯、程序執(zhí)行等功能。即進行必要的數值計算、邏輯判斷和其他處理工作。(2外部設備實現微型機和外界交換信息的功能的設備稱為外部設備(簡稱外設。外部設備包括人-機通信設備、輸入/輸出設備和

17、外存貯器等。(3輸入輸出通道輸入輸出通道是計算機和生產過程之間設置信息傳遞和變換的連接通道,它的作用有:一方面將工業(yè)對象的生產過程參數取出,經傳感器(一次儀表變換成計算機能夠接受和識別的代碼。另一方面將計算機輸出的控制命令和數據,經過變換后作為操作執(zhí)行機構的控制信號,以實現對生產過程的控制。輸入輸出通道一般分為:模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關量輸入通道、開關量輸出通道。自動化儀表則包括測量元件、檢測儀表、顯示儀表、調節(jié)儀表、執(zhí)行機構等。直接將輸入輸出通道與工業(yè)對象發(fā)生聯(lián)系。二.計算機檢測系統(tǒng)的軟件軟件是指計算機檢測系統(tǒng)的程序系統(tǒng)。軟件通常分為兩大類:一類是系統(tǒng)軟件,另一類是應用軟件。系統(tǒng)

18、軟件包括程序設計系統(tǒng)、操作系統(tǒng)以及與計算機密切相關的程序。帶有一定的通用性,由計算機制造廠提供。應用軟件是用戶根據要解決的實際問題而編寫的各種程序。在微型機檢測系統(tǒng)中,每個檢測對象或檢測任務都配有相應的檢測程序,用這些檢測程序來完成對各個檢測對象的不同要求。這種為檢測目的而編制的程序,通常稱為應用程序。這些程序的編制,首先要建立符合實際的數學模型,確定控制檢測算法和檢測功能,然后將其編成相應的程序。計算機檢測系統(tǒng)隨著硬件技術的日臻完善,對軟件提出了越來越高的要求。只有軟件和硬件相互間有機的配合,才能充分發(fā)揮計算機的優(yōu)勢,研制出完善的計算機檢測系統(tǒng)。三.工業(yè)控制機的特點數字計算機的運算和邏輯功能

19、,可以有效地滿足當代復雜生產過程的檢測要求。用于生產過程檢測的數字計算機,通常稱為生產過程檢測用計算機吉林大學碩士學位論文系統(tǒng)(簡稱工業(yè)計算機。工業(yè)計算機一般有以下特點:(1工業(yè)計算機可靠性和可維修性。工業(yè)計算機可靠性和可維修性是兩項非常重要的因素它們決定系統(tǒng)在檢測上的可用程度,用計算機檢測連續(xù)性工業(yè)過程要求高度的可靠。(2環(huán)境的適應性強工業(yè)計算機除特殊要求外,一般應用在生產現場,易受環(huán)境條件,如強電流、強磁場、腐蝕性氣體、灰塵、溫度變化的影響,這些都會影響計算機的可靠性和使用壽命。(3檢測的實時性所謂實時是指信號的輸入,計算和輸出都要在一定的時間范圍內完成,亦即計算機對輸入信息,以足夠快的速

20、度進行處理,并在一定的時間內作出反應。(4較完善的輸入輸出通道為了對生產裝置和生產過程進行檢測,計算機經常不斷地與被檢測的工業(yè)對象變換信息。通常,需要配備較完善的輸入輸出通道,如模擬量輸入、開關量輸入、模擬量輸出、開關量輸出、人-機通信設備等。(5較豐富的軟件工業(yè)控制計算機應配備有比較完整的操作系統(tǒng)和適合生產過程檢測的應用程序,使機器的操作簡單、使用合理、檢測性能高。(6適當的計算機精度和運算速度一般工業(yè)對象,對于精度和運算速度要求并不苛刻。通常字長為832位。但隨著自動化程度的發(fā)展,對于精度和運算速度的要求也在不斷提高,應根據具體的應用對象及使用方式,選取合適的機型。四.微型計算機檢測系統(tǒng)的

21、發(fā)展趨勢微型計算機檢測系統(tǒng)的發(fā)展是與組成該檢測系統(tǒng)的核心部分微型機的發(fā)展緊密相連的。微型機和微處理器自從70年代崛起以來,發(fā)展極為迅猛:芯片的集成度越來越高;半導體存貯器的容量越來越大;檢測和計算性能,幾乎每兩年就提高一個數量級;另外大量新型接口和專用芯片不斷涌現,軟件的日益完善和豐富,大大擴大了微型計算機的功能,這為促進微型計算機檢測系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。目前,微型計算機檢測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是普及工業(yè)用- XIII -ABSTRACT可編程序控制器(簡稱PC。工業(yè)用可編程序控制器,是采用微型機芯片,根據工業(yè)生產特點而發(fā)展起來的一種控制器,它具有下述特點:(1可靠性高,有較強的抗干擾能力,

22、便于工業(yè)現場使用,一旦出現故障,具有停電保護、自診斷等功能。(2采用功能模塊化結構,可根據要求,進行組合和擴充。(3具有獨立的編程器,編程簡單、易于掌握。(4價格低廉?？梢灶A料,進一步完善和系列化的PC將作為下一代通用檢測設備,大量地應用在工業(yè)生產自動化系統(tǒng)中。1.4 HCCI燃燒技術在國外、國內的研究情況1979年,Onishi等人在2行程發(fā)動機上進行HCCI的研究4,發(fā)現低負荷工況下,在1000r/min-4000 r/min的轉速范圍內HCCI都比傳統(tǒng)的工作方式有更好的工作穩(wěn)定性,燃油經濟性和排放也都有顯著的改進。Lida在1994年的實驗表明,在2行程發(fā)動機上用甲醇作燃料,HCCI方式

23、的工作范圍可以明顯擴展。Honda公司于1997年已展示了采用HCCI的2行程發(fā)動機,IPF公司也開發(fā)了應用HCCI概念的2行程發(fā)動機。在這兩款發(fā)動機中,HCCI被用來改進部分負荷的穩(wěn)定性和燃油經濟性,減少HC排放。1983年,Niat和Foster指出在4行程發(fā)動機上也可采用HCCI方式。1989年,Thring首次采用兩種燃燒模式,即在大負荷使用火花點火方式,在部分負荷采用HCCI方式。Ryan和Challahan繼續(xù)了這項工作,發(fā)現當使用柴油時不能采用太高壓縮比。1992年,Stockinger等人首次在實用的1.6L VW發(fā)動機上研究HCCI,使工作負荷范圍從14%拓寬到34%。199

24、7年,Christensen, Johansson等人采用異辛烷(辛烷值100,酒精(辛烷值 107天然氣(辛烷值120等3種燃料進行HCCI試驗,結果表明高的辛烷值對于HCCI方式是有益的。1998年,Christensen,Johansson,Amneus和Manse的研究結果表明,采用增壓可增加發(fā)動機使用HCCI燃燒方式時的平均有效壓力。1999年, Christensen等人的試驗又證明了幾乎所有的液體燃料都能用于可變壓縮比的HCCI方式中。美國西南研究院也很早就開展柴油機“預混稀燃”的研究,利用類似于汽油進氣道低壓噴射的方法把柴油直接噴入進氣管中;為了使柴油和空氣加速混合,采用進氣管

25、加熱和EGR;預混的稀混合氣經壓縮后多點著火,消除吉林大學碩士學位論文了擴散燃燒,稀混合氣降低火焰溫度,可使NOx排放比普通柴油機減少98%之多,由于氣缸內不存在局部混合氣過濃區(qū)可使PM的排放減少27%,指示熱效率有所改善。上述研究結果表明,HCCI方式既可用在2行程發(fā)動機上,也可用在4行程發(fā)動機上,但應用的工作范圍受到一定限制;HCCI方式具有較高熱效率、低的NOx和PM排放及較小的循環(huán)變動等優(yōu)點;采用增壓可有效擴大發(fā)動機的穩(wěn)定工作范圍并增大平均有效壓力。HCCI方式的主要問題是很難在全部轉速和負荷下控制著火時間和相位;此外,該方式在大多數實驗中使CO和HC排放增加。1.5 本文的研究內容目

26、前,在對內燃機燃燒基礎研究中,一般可以采用的實驗裝置有兩種:內燃機和定容燃燒彈。其中采用內燃機的較多,因為用內燃機作實驗有數據準確,可信度高等優(yōu)點。但也存在著不足,就是實驗系統(tǒng)較為復雜,過程不易于控制。為了克服這一缺點,也有科研人員采用定容燃燒彈來進行內燃機燃燒實驗。定容燃燒彈(簡稱容彈主要模擬活塞在上止點附近內燃機的燃燒,其特點是結構簡單。它能改變容彈內的熱力參數、湍流參數以及點火參數,能夠方便地研究單一參數的變化對燃燒過程的影響,因而成為內燃機燃燒基礎研究經常采用的方法。內燃機燃燒分析的實驗中,實驗數據的準確、實時的測量是整個實驗的關鍵,現有的內燃機燃燒分析系統(tǒng)功能已經變得越來越強大,但這

27、些燃燒分析系統(tǒng)又有一定的局限性,它的熱力學模型和傳熱學模型都是固化的模型,我們不能根據自己的要求進行比較分析。更為重要的是,現有的燃燒分析系統(tǒng)都是內燃機燃燒分析系統(tǒng),不能用于燃燒彈。與內燃機的燃燒過程相比燃燒彈的燃燒過程只是時間的函數,而不同于普通內燃機燃燒分析系統(tǒng)中的輸出量都是曲軸轉角的函數。所以,以往的內燃機燃燒分析系統(tǒng)不適合燃燒彈的燃燒分析?；谶@些方面,開發(fā)了新的燃燒分析系統(tǒng)就顯得十分的必要。本論文就是詳細論述這種能用于定容燃燒的燃燒分析系統(tǒng)的開發(fā)過程。- XV -ABSTRACT第二章氣缸內熱力過程計算數學模型建立方法2.1 氣缸內熱力過程的基本微分方程內燃機氣缸內的工作過程是很復雜

28、的,它是包含物理、化學、流動、傳熱、傳質等的綜合過程。為了描述氣缸內工質狀態(tài)變化,視氣缸為一個熱力系統(tǒng),系統(tǒng)的邊界由活塞頂、氣缸蓋及氣缸套諸壁面組成,如圖21所示。系統(tǒng)內工質狀態(tài)由壓力p、溫度T、質量m這三個基本參數所確定,并以能量守恒方程、質量守恒方程及理想氣體狀態(tài)方程把整個工作過程聯(lián)系起來。利用上述三個方程聯(lián)合求解,解出氣缸內壓力p、溫度T及質量m三個基本參數。以下的分析是對實際內燃機的熱力過程分析,而對于燃燒彈的熱力過程分析略有區(qū)別。我們知道燃燒彈的體積是不隨時間改變的,這樣我們就可以對本章的各式進行相應的定容簡化,就得到燃燒彈的熱力過程數學模型。 圖2-1 氣缸內工作過程簡圖一.基本假

29、設5氣缸內熱力過程計算時,為了使問題簡化,特作如下基本假設:吉林大學碩士學位論文- XVII -(1氣缸內工質的狀態(tài)均勻,即同一瞬時氣缸內各點的壓力、溫度和濃度處處相等。并假定在進氣期間,通過系統(tǒng)邊界進入氣缸內的空氣與氣缸內的殘余廢氣實現瞬時的完全混合。(2工質為理想氣體,其比熱容c 、內能u 、焓h 等參數僅與氣體溫度T 及氣體成分(瞬時過量空氣系數有關。(3氣體流入或流出氣缸的流動過程為準穩(wěn)定流動過程,即在足夠小的計算步長內視為穩(wěn)定流動。(4工質進、出口處的流動動能忽略不計。假定系統(tǒng)邊界內同一瞬時各點熱力狀態(tài)、化學成分完全相同的系統(tǒng)稱為零維系統(tǒng)。顯然零維系統(tǒng)內壓力、溫度、濃度等各項參數不隨

30、空間坐標而變化,只隨時間(或曲軸轉角而變化。為了簡化計算,上述所作的基本假設又稱為零維假設。按照這些假設,零維系統(tǒng)內的狀態(tài)變化可用常微分方程來描述。這種把內燃機的實際工作過程假定為一個或多個零維系統(tǒng)來進行數值計算的數學模型稱為零維模型。二.基本微分方程(1能量守恒方程如圖21所示的系統(tǒng)中,能量守恒方程(熱力學第一定律可寫成下列通用形式:+=I jj j I dm h dQ dW dU (2-1式中 U 系統(tǒng)的內能;W 作用在活塞上的機械功;Q 通過系統(tǒng)邊界交換的熱量;j h 第J 種物質的比焓;j j dm h 質量j dm 帶入(或帶出系統(tǒng)的能量。而 mdu udm u m d dU +=(

31、 (2-2 式中 m 系統(tǒng)內工質質量;u 比內能。方程式中的正負號,作統(tǒng)一規(guī)定:加入系統(tǒng)的能量、質量為正值;從系統(tǒng)取出的能量、質量為負值。通過系統(tǒng)邊界交換的各種能量隨曲軸轉角的變化ABSTRACT率有下列各項:機械功 d dV p d dW = (2-3 按上述正負號規(guī)定,壓縮時向系統(tǒng)加入的功取正值,此時容積減小,dV 為負值,故容積變化所作的功必須加上負號。熱量 d dQ d dQ d dQ w B i i += (2-4 進、排氣質量帶入(或帶出的能量:d dm h d dm h d dm h e e s s j jj += (2-5 式中 p 氣缸內工質壓力;V 氣缸工作容積;Q B 燃

32、料在氣缸內燃燒放出的熱量;Q w 通過氣缸諸壁面?zhèn)魅牖騻鞒龅臒崃?m s 流入氣缸的質量;m e 流出氣缸的質量;h s .h e 進氣門處和排氣門處工質的比焓通常情況,氣缸內的比內能u 和質量m 同時發(fā)生變化,故有:d du m d dm u d u m d d dU +=( (2-6 對于柴油機,內能可簡化為溫度T 和廣義過量空氣系數(表征工質的成分的函數,即u =u (T ,。將u 寫成全微分的形式:d d u d dT T u d du += (2-7 故式(2-6可寫成:(d d u d dT T u m d dm u d u m d += (2-8 將式(2-3、式(2-4、式(2

33、-5代入式(2-1,可整理成下列能量守恒方程:吉林大學碩士學位論文- XIX -d dm h d dm h d dV P d dQ d dQ d u m d e e s s W B +=( (2-9 將式(2-8代入(2-9,并注意到v c Tu =,則得溫度T 對曲軸轉角得微分方程為:(d d u m d dm u d dm h d dm h d dV p d dQ d dQ c m d dT e e s s w B v +=1 (2-10若忽略對u 的影響即0=u 則式(2-10可簡化為: (d dm u d dm h d dm h d dV p d dQ d dQ c m d dT e

34、e s s w B v +=1 (2-11(2質量守恒方程如圖21所示,按照質量守恒原理,通過系統(tǒng)邊界交換的質量總和等于系統(tǒng)內工質質量變化,即=jj dm dm (2-12若忽略漏泄,則通過系統(tǒng)邊界交換的質量為:流入氣缸的空氣質量m s 、流出氣缸的廢氣質量m e 、噴入氣缸內的瞬時燃料質量m B 。質量守恒方程表達為:d dm d dm d dm d dm B e s += (2-13 若已知發(fā)動機的循環(huán)噴油量為f g (kg /cyc ,氣缸內燃料燃燒百分數X =fB g m l00%,則 d dX g d dm j B = (2-14 燃料燃燒放出熱量隨的變化率為:u u f B H d

35、 dX g d dQ = (2-15ABSTRACT式中 H u 一燃料低熱值;u 燃燒效率,計及不完全燃燒的影響,其值取決于燃燒狀況。通常為了簡化計算,取u =1。d dX g d dm d dm d dm f e s += (2-16 (3理想氣體狀態(tài)方程mRT pV = (2-17 能量守恒方程式(2-10、質量守恒方程式(2-13和狀態(tài)方程式(2-17,三個方程聯(lián)合求解即可解得確定氣缸內狀態(tài)的三個參數:壓力p 溫度T 及質量m 。2.2 氣缸內各階段的熱力過程分析在氣缸內,微分方程組的求解計算是分階段進行的。如圖2-1所示:通常選擇實際壓縮始點,即進氣門關閉時刻作為計算始點,一直逐步計

36、算到下一個循環(huán)的進氣門關閉時刻結束。將內燃機一個工作循環(huán)劃分為壓縮、燃燒、膨脹、排氣、進排氣門疊開和進氣等六個階段。各階的起止時刻由配氣正時控制。配氣正時角度值作為已知數據錄入。在不同階段中,能量守恒方程式(2-10、質量守恒方程式(2-13可作簡化。下面按各個階段分別進行分析。 圖2-2 氣缸內工作過程計算各階段劃分示意圖一.壓縮階段吉林大學碩士學位論文- XXI -壓縮階段由進氣門關閉時刻起至顯著燃燒開始時刻止。此階段中進、排氣門均處于關閉狀態(tài),若不計漏氣損失、并假定在燃燒開始時才有燃料噴入氣缸,故壓縮階段中氣缸內工質質量保持不變,0=d dm s ,0=d dm e ,0=d dm B

37、。 質量守恒方程式(2-13簡化為0=d dm (2-18 壓縮階段,既無氣體流入氣缸內與工質混合,又無燃燒反應,因此工質成分不變,瞬時廣義過量空氣系數等于定值。即0=d d 。由于無燃燒反應,故常0=d dQ B ,這樣能量守恒方程式(2-18簡化為 (d dV p d dQ c m d dT W v =1 (2-19二.燃燒階段燃燒階段由燃燒開始時刻起至燃燒終點止。此階段中,進、排氣門處于關閉狀態(tài),d dm s =0,0=d dme ,但有燃料逐步噴入氣缸,故質量守恒方程式(2-16簡化為:d dX g d dm d dm f B = (2-20 在燃燒階段,能量守恒方程式(2-10簡化為

38、(d d u m d dm u d dV p d dQ d dQ c m d dT w B v +=1 (2-21 若忽略對u 的影響,能量守恒方程式(2-11簡化為:(d dm u d dV p d dQ d dQ c m d dT w B v +=1 (2-22 將式(2-15、式(2-16代入式(2-22后,能量守恒方程可整理成:ABSTRACT(+=d dV p d dQ d dX u H g c m d dT W u u f v 1 (2-23三.膨脹階段膨脹階段由燃燒終點起至排氣門開啟時刻止。此階段與壓縮階段類似,進、排氣門關閉,無燃料噴入氣缸,氣缸內工質質量不變,但工質數量上比壓

39、縮階段增加了一個循環(huán)的噴油量f g ,即0=d dm s ,0=d dm e ,0=d dm B ,0=d d 質量守恒方程式(2-13簡化成與壓縮階段相同的形式,即0=d dm (2-24 能量守恒方程式(2-10亦簡化成與壓縮階段相同的形式:(d dV p d dQ c m d dT w v =1 (2-25四.排氣階段 單純排氣階段由排氣門開啟時刻起至進氣門開啟時刻止。此階段中,d dm s =0,0=d dm B ,0=d d 質量守恒方程式(2-13簡化為: d dm d dm e = (2-26 能量守恒方程式(2-10簡化為(d dm u d dm h d dV p d dQ c

40、 m d dT e e w v +=1 (2-27 將式(2-26代入式(2-27后。整理得(d dm u h d dV p d dQ c m d dT e e w v +=1 (2-28五.進氣階段吉林大學碩士學位論文- XXIII - 單純進氣階段由排氣門關閉起至進氣門關閉止。此階段中,d dm s =0,0=d dm B ,質量守恒方程式(2-13簡化為: d dm d dm s = (2-29 能量守恒方程式(2-10簡化為(d d u m d dm u d dm h d dV p d dQ c m d dT s s w v +=1 (2-30 若忽略對u 的影響,能量守恒方程式(2-

41、11簡化為(d dm u d dm h d dV p d dQ c m d dT s s w v +=1 (2-31 代入式(2-29后,式(2-31可整理成(d dm u h d dV p d dQ c m d dT s s w v +=1 (2-32六.進徘氣門疊開階段進排氣門疊開階段由進氣門開啟至排氣門關閉止。此階段中,有新氣進入氣缸。同時又有廢氣流出氣缸。氣門疊開階段無燃燒反應,0=d dm B ,0=d dQ B ,氣門疊開階段的質量守恒方程為: d dm d dm d dm e s += (2-33 能量守恒方程式(2-10簡化為(d d u m d dm u d dm h d d

42、m h d dV p d dQ c m d dT e e s s w v +=1 (2-34 將式(2-33代入后,能量守恒方程式(2-11整理成:(d dm u h d dm u h d dV p d dQ c m d dT e e s s w v +=1 (2-35ABSTRACT七.氣缸工作容積內燃機工作過程計算中,發(fā)動機的主要結構參數。如氣缸直徑D 、活塞行程S 、連桿曲柄比、壓縮余隙容積V 、壓縮比等均作為已知數據輸入,根據這些數據即可算得氣缸工作容積及其它幾何參數。瞬時氣缸工作容積為: +=180sin 11180cos 11214222S S D V (2-36式中,曲軸轉角(A

43、 從曲柄在上止點時取=0算起。氣缸容積隨曲軸轉角的變率為: + =180sin 12180sin 2180sin 18082222S D d dV (2-37 式中 CS C V V V += -壓縮比 S D V S 24= -氣缸工作容積2.3氣缸周壁的傳熱工質向氣缸蓋底面、活塞頂面和氣缸套的濕潤表面等燃燒室諸壁畫的換熱量W Q 是能量守恒方程中的一個部分。根據工質對燃燒室周壁面的瞬時平均換熱系數g 和壁面的平均溫度W T ,可以計算出W Q 。按傳熱學中的牛頓公式,單位曲軸角的換熱量可寫成:(=31311i i Wi i g Wi W T T A d dQ d dQ (2-38 式中 角

44、速度;g 瞬時平均換熱系數;A 換熱面積;T 氣缸內工質瞬時溫度;吉林大學碩士學位論文- XXV -w T 壁面的平均溫度;i=1氣缸蓋;i=2活塞;i=3氣缸套。氣缸套的濕潤表面3A 隨的變化值,可按活塞位移公式算出?；钊灰齐S的變化為:( +=180sin 11180cos 11222S x (2-39 氣缸套濕潤表面面積3A 為:(x S D A c +=3 (2-40式中 c S 余隙高度。計算工質和燃燒室諸壁面的瞬時換熱量的關鍵是確定瞬時平均換熱系數g ?，F有的內燃機瞬時平均換熱系數g 的計算公式較多,基本上可歸納成兩大類:純經驗公式和準則公式。目前還經常被引用的純經驗公式如Eich

45、elberg 公式,準則公式如Woschni 公式、Sitkei 公式等。由于影響氣缸內工質換熱的因素較多,問題比較復雜,加之各研究者對影響換熱過程諸因素的不同理解,以及試驗機型及條件不同,各公式之間差異較大。下面介紹幾種g 計算公式。1.Eichelberg 公式(1939 本公式是純經驗公式,試驗是在非增壓、低速大型二沖程柴油機上進行的。后來的一些研究者指出,該公式中對活塞平均速度m C 的作用估計偏低。由于本公式很簡單,目前還經常被引用。g =T p C m 38.7 (2-412.Wosckni 公式(1970年 Wosckni 公式是以如下的短管內受迫流動對流換熱準則方程為根據:8.

46、0Re 035.0=Nu (2-42在直噴式和預燃室式四沖程增壓柴油機、火花點火式汽油機上進行比較廣泛的試驗,整理得出的公式。本公式適用范圍較廣,目前被廣泛采用,但使用本公式時,式中的穩(wěn)流吹風試驗切向速度u C 等不容易準確地被確定。ABSTRACT(8T 氣缸內工質溫度,K ;D 氣缸直徑,m ;m C 活塞平均速度,m/s ;a p 壓縮始點時的氣缸內工質壓力,Mpa ;s T 壓縮始點時的氣缸內工質溫度,K ;a V 壓縮始點時的氣缸內工質壓力氣缸容積,3m ;s V 氣缸工作容積,3m ;0p 發(fā)動機倒拖時的氣缸壓力,MPa ;u C 穩(wěn)流吹風試驗時,風速計葉片的切向速度;1C 氣流速

47、度系數;2C 燃燒室形狀系數;3.Sitkei 公式(1972年 Sitkei 公式從下列準則方程出發(fā)7.0Re =Nu (2-44并在直噴式四沖程小型柴油機上進行試驗整理得到計算公式。本公式在小型柴油機計算中目前還較常被引用:e g C p T d b += (2-45 式中 e d 當量直徑,h D h D d e 22+=,m ;D 氣缸直徑,m ;h 曲軸轉角為時,活塞頂面至氣缸蓋燃燒室表面的距離,m ;T 氣缸內工質溫度,K ;P 氣缸內工質壓力,MPa ;m C 活塞平均速度,m/s ;b 經驗常數;4.朱訪君公式(1988年由于各g 計算公式差異較大,在分析現有的瞬時平均換熱系數

48、g 各計算公式的基礎上,從目前傳熱學中普遍認同的短管內受迫流動換熱的準則方程8.0Re =C Nu 出發(fā),根據實驗數據及應用誤差理論和回歸分析處理,得出吉林大學碩士學位論文 - XXVII -一個回歸公式:8T 氣缸內工質溫度,K ;p 氣缸內工質壓力,Mpa ;m C 活塞平均速度,m/s ;a p 壓縮始點時的氣缸內工質壓力,Mpa ;a V 壓縮始點時的氣缸內工質壓力氣缸容積,3m ;V 氣缸瞬時容積,3m ;考慮到燃燒后缸內壓力迅速增加產生擾動對換熱系數g 的影響而引入了附加系數b ,研究表明,系數b 與max p 明顯線性相關。式中 max p 最高燃燒壓力,MPa 。若采用工程單位

49、制,式(2-46,式(2-47分別整理為: 82.4燃燒放熱率的計算 氣缸內燃料燃燒的瞬時燃燒放熱率按下式確定d dX H g d dQ u u f B = (2-50 氣缸內燃料燃燒百分數X 是表示某曲鈾轉角時,累計已燃燒掉的燃料量B m 與循環(huán)噴油量f g 之比,即:%100=fB g m X (2-51ABSTRACT式中 u 燃燒效率;d dX 燃燒速率,或稱放熱率。 由于內燃機的燃燒過程極為復雜,燃燒放熱率(f d dQ B =或(f d dX =的函數形式顯然將是極為復雜的。它與燃燒的物理、化學過程,發(fā)動機的結構參數及運行參數等眾多因素有關,難于用一個精確的數學方程式進行描述。目前

50、確定d dQ B 或d dX 常用下列幾種方法: (1利用現有發(fā)動機的實測示功圖進行數值分析,計算出燃燒放熱率d dQ B (或d dX ,以此作為已知輸入數據進行工作過程計算。這種方法接近實際燃燒過程,但需有母型機,并要求有較精確的實測p 示功圖及有關實測參數。(2采用半經驗公式,并選擇適當的經驗系數,模擬實際的燃燒規(guī)律。目前國內外較通用的計算放熱率的半經驗公式是韋柏公式。此外,有時也用一些簡單數學函數模擬實際燃燒過程。不論是只用韋柏函數或其它簡單數學函數去模擬實際燃燒放熱規(guī)律的燃燒模型,這些均稱經驗燃燒模型或零維燃燒模型(3準維燃燒慣型。從實際燃燒的物理、化學過程出發(fā),建立簡化的燃燒模型,

51、模型考慮燃燒過程的中間細節(jié),如油束的形成和發(fā)展,油滴與空氣的相對運動、氣缸內工質溫度分布、油滴及油氣濃度分布等因素,劃分區(qū)域進行計算,這種模型較為接近實際燃燒過程。要精確模擬內燃機的實際燃燒過程需要在氣缸內建立三維非穩(wěn)態(tài)計算模型。這種模型考慮流體的可壓縮性和粘性,考慮油束貫穿、油滴破碎、氣化及空氣的卷吸,考慮紊流擴散和混合。將燃燒室空間劃分成足夠多的且隨實際過程進行而相應“壓縮”、“膨脹”曲立方網格,在每個網格上建立Navier Stokes 方程,然后求解這些成千上萬個方程的微分方程組。誠然,目前要建立這種精細模型是相當困難的,要求解如此大型的微分方程組仍嫌當今計算機計算速度不夠。下面對本系

52、統(tǒng)所采用的用實測示功圖計算燃燒放熱率的方法進行敘述。目前關于利用實測示功圖計算燃燒放熱率的文獻資料很多它們的原理吉林大學碩士學位論文- XXIX - 都是根據氣缸內的能量守恒方程進行計算的:d dQ d dW d dU d dQ w B += (2-52 方程式(2-52的物理涵義是:氣缸內燃燒放熱率等于氣缸內工質的內能變化率、作功變化率及散熱率的總和。數值計算中常用差商代替微商:+=W B Q W U Q (2-53 在步長曲軸轉角內有:W B Q W U Q += (2-55 在一個工作循環(huán)內,可用通式表示;Wi i i Bi Q W U Q +=(2-56 為了計算步長內的燃燒放熱量B

53、Q ,可以根據實測的p 示功圖及有關參數,分別算出內能變化量U 、作功量W 和散熱量Qw 。具體的計算步驟為:(1內能變化量a u a u T c M T c M U = (2-57式中 M 該瞬時氣缸內工質千克摩爾數;a M 燃燒前(通常選擇壓縮始點作為計算始點氣缸內工質摩爾數; u c 該瞬時氣缸內工質的平均定容摩爾比熱容;T 該瞬時氣缸內工質溫度;a T 壓縮始點時刻氣缸內工質溫度。(2作功量根據實測示功圖中的壓力值i p 可算出作功量(112+=i i i i i V V p p W (2-58(3工質與燃燒室周壁面的換熱量換熱量Qw 計算,即(=3161i wi i g w T T

54、A n Q (2-59 根據式(2-56,在第i 個計算時間間隔(步長內,燃燒放熱量BiQ ABSTRACT等于U 、i W 及wi Q 的總和。2.5熱力過程計算中需要注意的幾個問題燃燒放熱率計算在燃燒過程模擬計算中起著非常關鍵的作用。具有足夠精度的燃燒放熱曲線為對燃燒過程進行較為可靠的定性分析與描述提供了 切實的基礎。在測得內燃機的實際工作示功圖后,對其進行必要的處理,關系到能否精確還原出放熱規(guī)律。在這里討論了在燃燒放熱率計算中影響放熱率曲線精度的各種因素。一.放熱率計算誤差分析9燃燒放熱率計算的理論基礎是熱力學第一定律,實踐基礎是實驗測得的p 示功圖數據。因此,影響計算精度的因素主要來自

55、兩個方面:輸入數據的測量誤差;計算誤差。(1熱力學上止點誤差的影響計算氣缸容積時產生的誤差主要歸結為上止點的誤差和壓縮容積的誤差,其中來自測量示功圖時的上止點定位誤差是主要的。柴油機的計算結果,當上止點定位偏差1A 時,引起放熱百分率X 值的最大偏差約7%-9%,最大放熱率maxd dQ B 的偏差約3%,所以放熱率的計算結果對上止點定位誤差相當敏感,其影響是相當顯著的。在計算放熱率時必須對上止點的位置進行適當的修正才能不影響計算的精度如圖2-3。 圖2-3 上止點誤差對放熱百分率的影響吉林大學碩士學位論文 - XXXI -(2壓力零線漂移誤差的影響由于測量示功圖的傳感器的溫度特性、放大器的動態(tài)特性及發(fā)動機的振動等都可能導致壓力零線發(fā)生漂移,當壓力零線誤差為0.02MPa 時,引起X值的偏差在壓縮階段約為2%,在燃燒階