內(nèi)燃機(jī)燃燒放熱分析計算及其與燃燒分析儀的嵌入集成知識講解

1、目錄1緒論1.1 課題背景及意義1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3 本文研究內(nèi)容2燃燒分析的數(shù)據(jù)采集、信號分析的原理與方法2.1 燃燒分析數(shù)據(jù)采集方法|2.1.1 示功圖的概念及用途2.1.2 氣缸壓力測量方法2.1.3 壓力測量精度的主要影響因素及修正方法2.2 氣缸壓力數(shù)據(jù)預(yù)處理2.3 燃燒放熱計算原理2.3.1 燃燒放熱計算的假設(shè)條件2.3.2 根本微分方程2.3.3 燃燒放熱率計算步驟3燃燒放熱計算程序3.1 內(nèi)燃機(jī)燃燒放熱計算的需求分析3.2 程序設(shè)計平臺的選擇|3.3 程序結(jié)構(gòu)和流程3.4 程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及變量說明3.5 輸出量3.6 圖形化界面4燃燒放熱計算結(jié)果分析4.1 實驗條件4.

2、2 計算結(jié)果4.3 誤差分析4.4 敏感參數(shù)分析4.5 MATLAB與FORTRAN計算結(jié)果的比照5與燃燒分析儀的嵌入集成的研究5.1 硬件系統(tǒng)5.2 LabView簡介5.3 算法與燃燒分析儀的嵌入集成6結(jié)論與展望6.1 全文總結(jié)6.2 展望1緒論1.1 課題背景及意義近年來,汽車工業(yè)已成為全球最大的制造業(yè),年生產(chǎn)水平已到達(dá)6500萬輛,全球汽車保有量已達(dá)9乙輛.由于內(nèi)燃機(jī)是目前燃燒效率最高的熱力發(fā)動機(jī),故廣泛的應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域和國防部門,它所發(fā)出的總功率占全世界所有動力裝置總功率的90%,它所排出的有害物質(zhì)又是環(huán)境污染的最大源泉,全世界的汽車交通占溫室氣體排放的20%,全球機(jī)動車數(shù)

3、量的高速增長給氣候帶來了嚴(yán)重的問題.因此為了節(jié)約能源和降低污染,各工業(yè)興旺國家十分重視內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)燃燒的研究工作.為了降低內(nèi)燃機(jī)的排放,必須從缸內(nèi)工作過程著手,分析污染物產(chǎn)生的原因,內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集和分析已成為內(nèi)燃機(jī)生產(chǎn)和性能研究工作中必不可少的一個環(huán)節(jié).隨著內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用的范圍在不斷擴(kuò)大,品種和數(shù)量在不斷增長,對內(nèi)燃機(jī)中各系統(tǒng)零件的性能、使用壽命等技術(shù)指標(biāo)的要求也愈來愈高.因此,對內(nèi)燃機(jī)的工作過程、燃料及擴(kuò)大燃料的品種、新型結(jié)構(gòu)的研究以及設(shè)計和研制符合要求的產(chǎn)品并對原有產(chǎn)品的分析改造,以滿足各種用途的需要,自然就成為內(nèi)燃機(jī)動力工程技術(shù)人員的重要任務(wù).在內(nèi)燃機(jī)試驗中,除了要定性地觀察一些物理和化學(xué)現(xiàn)

4、象以外,更重要地是對運行過程中許多有關(guān)地物理量和化學(xué)量進(jìn)行精確地定量的測定,如果沒有先進(jìn)的測量方法和測試設(shè)備,包括先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法和相應(yīng)的設(shè)備,也就沒有先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)檢測技術(shù).所以,假設(shè)要設(shè)計性能更加優(yōu)良的內(nèi)燃機(jī),優(yōu)化燃燒,提升排放的要求,就需要對內(nèi)燃機(jī)各方面的性能進(jìn)行深入的研究.影響內(nèi)燃機(jī)各方面性能的因素雖然是多種多樣的,但燃燒過程具有舉足輕重的地位.內(nèi)燃機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放特性與燃燒過程有著密切的關(guān)系.內(nèi)燃機(jī)燃燒過程與其主要工作特性、功率、效率和排放以及局部的機(jī)械和熱負(fù)荷、噪音、振動等都直接緊密地相耦合,所以要改良和完善內(nèi)燃機(jī)的總體性能和某些局部特性,都必須首先在燃燒過程的改善和優(yōu)化方

5、面下功夫,對燃燒放熱過程的深入分析是對發(fā)動機(jī)性能研究和改善的有效手段.由于內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程所占的時間極短,所處的空間很小,更重要的是內(nèi)燃機(jī)的燃燒反響物是很不均勻的,并且經(jīng)常是流動和擾動的反響物和燃燒產(chǎn)物處于同一容積.這一切就構(gòu)成內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程是一個十分復(fù)雜多變的物理-化學(xué)過程.但是現(xiàn)在借助微機(jī)系統(tǒng)高性能數(shù)據(jù)采集卡各種傳感器壓力傳感器、針閥升程傳感器、濾波器和電荷放大器等就能夠?qū)⒋罅康娜紵^程物理信息測量記錄處理與顯示.從這些信息和圖形可以比擬可靠地分析研究內(nèi)燃機(jī)燃燒過程的完善程度,為進(jìn)一步改善燃燒過程提供了科學(xué)的依據(jù).氣缸壓力分析是分析發(fā)動機(jī)燃燒狀況的重要方法.氣缸壓力攜帶了內(nèi)燃機(jī)工作過程的

6、大量有用信息,并且與內(nèi)燃機(jī)工作過程的評價參數(shù)和性能指標(biāo)有著密切的關(guān)系.各缸的工作參數(shù)、排放指標(biāo)、性能指標(biāo)等的差異都全部或局部地反映在氣缸壓力上.在內(nèi)燃機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中,氣缸壓力是表征內(nèi)燃機(jī)運行狀態(tài)的最好指標(biāo)之一,內(nèi)燃機(jī)的工作狀態(tài)及故障大都可以通過氣缸壓力隨時間或曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線反映出來.因此采集氣缸內(nèi)壓力并對其進(jìn)行統(tǒng)計或熱力學(xué)分析是內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品設(shè)計、改良或研究的重要方法.內(nèi)燃機(jī)氣缸氣體壓力曲線示功圖是深入研究內(nèi)燃機(jī)工作過程及動力性能指標(biāo)的重要內(nèi)容.通過對示功圖分析可得出工作過程的最高燃燒壓力和其所在的曲軸轉(zhuǎn)角位置等重要參數(shù).示功圖既是內(nèi)燃機(jī)性能參數(shù)計算和放熱規(guī)律分析的依據(jù),又是內(nèi)燃機(jī)燃

7、燒過程數(shù)學(xué)模擬精確程度的評價標(biāo)準(zhǔn).利用實測示功圖,可以計算內(nèi)燃機(jī)的燃燒放熱規(guī)律,對實際內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程進(jìn)行分析,可以研究內(nèi)燃機(jī)的循環(huán)變動.并且,可以借助示功圖進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)最正確狀態(tài)調(diào)整及故障診斷,故國內(nèi)外對其研究較多.因此,內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集與燃燒分析技術(shù)得到了迅速的開展.1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)在,國內(nèi)外己研究出許多發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)采集和分析用的儀器設(shè)備,并隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅速開展,儀器的精度和水平也不斷提升,其構(gòu)成方式也各有不同.國外對發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)的研究起步比擬早.上世紀(jì)80年代初至今國內(nèi)許多部門先后從國外購置了各種發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng),由于這些電腦化設(shè)備速度快,精度高,對

8、進(jìn)一步揭示發(fā)動機(jī)的工作過程起到了不可估量的促進(jìn)作用.國外著名的產(chǎn)品主要有：1 .奧地利AVL公司系列產(chǎn)品,如AVL640,650,660,670系列以及AVL617,AVL620等.2 .日本小野公司系列產(chǎn)品,如CB366,466,467,566以及DS-9100等.3 .奧地利德維創(chuàng)公司生產(chǎn)的DEWS系列.4 .德國FEV公司生產(chǎn)的FEVIS系列.5 .美國PEI公司生產(chǎn)的DAB系列.其中AVL公司和小野公司在中國有大量的用戶.以德維創(chuàng)公司的燃燒分析儀為例,其系列功能均十分強(qiáng)大,應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛,可以勝任燃燒分析、內(nèi)燃機(jī)標(biāo)定、脈譜圖生成、動態(tài)測試、參數(shù)化測試、快速數(shù)據(jù)獲取、實時敲缸檢測分析

9、、敲擊監(jiān)視報警、轉(zhuǎn)動分析、傾覆振動分析、燃燒噪聲分析、冷啟動測試從第一次循環(huán)即可開始分析、基于曲軸轉(zhuǎn)角的多通道數(shù)據(jù)獲取、時基同步多通道數(shù)據(jù)獲取等工作.其主工作界面如圖1.1所示.圖1.1德維創(chuàng)燃燒分析儀運行界面國內(nèi)自改革開放以來在使用開發(fā)國外同類產(chǎn)品的根底上研制出了許多儀器設(shè)備.上世紀(jì)80至90年代國內(nèi)許多單位自行研制開發(fā)了各種發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng),或?qū)ｍ椀臏y試分析診斷儀,如浙江大學(xué)利用單板計算機(jī)開發(fā)的發(fā)動機(jī)示功圖測量處理系統(tǒng)、大連海運學(xué)院的DMC12柴油機(jī)測量分析系統(tǒng)、上海發(fā)動機(jī)研究所的EAS800發(fā)動機(jī)燃燒分析系統(tǒng)、華中理工大學(xué)的HGl208發(fā)動機(jī)分析儀、山東理工大學(xué)的DCA.1發(fā)動機(jī)燃

10、燒分析儀以及長沙科學(xué)儀器研究所的DFY系列多通道發(fā)動機(jī)分析儀等,還有其它一些單位,如上海鐵道學(xué)院也先后研制開發(fā)了發(fā)動機(jī)燃燒分析儀.這些系統(tǒng)受到當(dāng)時微機(jī)內(nèi)存、A/D轉(zhuǎn)換速率等因素的制約,硬件水平自然無法與進(jìn)口專用設(shè)備抗衡,但在應(yīng)用軟件開發(fā)上各有特點,功能上與進(jìn)口產(chǎn)品類似,整個系統(tǒng)靈活實用,根本能滿足一般的研究需要.對國內(nèi)國外各種產(chǎn)品做了較詳細(xì)的比擬,以下分三個方面進(jìn)行論述：1 .在使用功能方面國外設(shè)備主要以針對測試和分析發(fā)動機(jī)的燃燒特性為主,因此也叫燃燒分析儀.專業(yè)化強(qiáng),適用于科學(xué)研究.其功能單一,全英文界面,軟件功能模塊化、功能少,且被固化不能改變,不能參加自己的軟件,再開發(fā)水平差,價格昂貴,

11、使國內(nèi)大多數(shù)發(fā)動機(jī)科研院所及學(xué)校無法承當(dāng).國外產(chǎn)品的更新?lián)Q代快,AVL公司根本上是5年左右換代一次,但價格不菲,使國內(nèi)用戶一直處于被動地位.國內(nèi)在模仿國外燃燒分析儀的根底上,自行開發(fā)研制出了一些適合我國國情的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)采集分析儀.但與國外水平相比,在硬件的先進(jìn)性、可靠性和準(zhǔn)確性上存在相當(dāng)差距.在大中型發(fā)動機(jī)工程計算分析上還需靠國外的著名軟件來解決問題.因此國內(nèi)產(chǎn)品在應(yīng)用推廣上存在問題.2 .在主要性能指標(biāo)方面國外產(chǎn)品在各項性能指標(biāo)上也在不斷提升,如AVL公司的A/D采樣頻率從250KHz提升到2MHz,曲軸轉(zhuǎn)角采樣分辨率從1deg.CA(CrankAngle),提升到0.025deg.CA.采

12、樣通道數(shù)從單通道開展到8、16或32或更多,通道數(shù)可任意擴(kuò)展.數(shù)據(jù)采樣的方式上從異步采樣開展到同步采樣,數(shù)據(jù)內(nèi)存容量也在不斷擴(kuò)大.并且從穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析開展到可對發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集、存貯、處理和分析.國內(nèi)目前發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D采樣頻率從100KHz到500KHz,曲軸轉(zhuǎn)角采樣分辨率從2deg.CA到Ideg.CA,采樣通道數(shù)4到8.根本上是進(jìn)行發(fā)動機(jī)的穩(wěn)態(tài)工況實驗研究,與國外先進(jìn)儀器相比差距不小.3 .在系統(tǒng)硬件構(gòu)成方面,一般可分為兩大類(1)基于單片(板)機(jī)的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng),根本框圖如圖1.2所示.AVL公司使用Motorola公司的6809及68020CPU

13、構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)日本小野公司那么采用Intel公司的Z80、51、96系列單片(板)構(gòu)成系統(tǒng).國內(nèi)大多采用Intel公司的MCS一31、5l等8位單片機(jī)及少數(shù)采用16位MCS.96系列單片機(jī).AVL公司的AVL617發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)采集分析儀利用AD210X系列的數(shù)字信號處理器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),而國內(nèi)在發(fā)動機(jī)測試設(shè)備研發(fā)中還沒有人利用DSP芯片構(gòu)成數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng),這將是一個很好的研發(fā)方向.圖1.2基于單片(板)機(jī)的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)(2)基于計算機(jī)的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng),根本框圖如圖1.3所示AVL617,AVL620以及日本小野新一代產(chǎn)品DS.9100多都采用這種結(jié)構(gòu).A/D采樣板可以裝在

14、計算機(jī)中,也可放在單獨構(gòu)成的系統(tǒng)中.目前國內(nèi)許多科研人員或研究生都利用這種系統(tǒng)開發(fā)通用的或?qū)ｉT用途的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng).其價格適中,再開發(fā)水平強(qiáng),適合國情.許多儀器開發(fā)基于Windows平臺技術(shù)和虛機(jī)儀器技術(shù)的軟件也應(yīng)運而生,如NI的LabView.L控機(jī)或FC機(jī)Dnwindavi卡一上外健分均如軟件圖1.3基于計算機(jī)的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)1.3本文研究內(nèi)容由上述內(nèi)容可知,建立一套實時性好、功能完善的柴油機(jī)實時多通道測控及燃燒分析系統(tǒng),用以采集各種所需數(shù)據(jù),分析反映柴油機(jī)燃燒的特征參數(shù),為柴油燃燒的限制提供反響信息,以滿足試驗研究的需要,具有十分重要的、現(xiàn)實的意義.而隨著電子技術(shù)的開展,諸如傳

15、感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備已經(jīng)越來越向集成化、輕量化、小型化、傻瓜化開展.現(xiàn)在市面上的一些數(shù)據(jù)采集卡已經(jīng)可以代替以往復(fù)雜的內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集電路.這使得搭建一套足以勝任內(nèi)燃機(jī)燃燒放熱分析所需的惡劣工況耐受性和實時性等要求的燃燒分析系統(tǒng)的難度也越來越低.除此以外,虛擬儀器技術(shù)的進(jìn)步也使得設(shè)計制造一套基于PC機(jī)的燃燒放熱分析系統(tǒng)的本錢和門檻都較之以往大大降低.因此,本文的研究內(nèi)容,將重點集中在程序算法之上,也就是針對已經(jīng)采集到的數(shù)據(jù),如何進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚磉\算和行之有效的分析,來反映內(nèi)燃機(jī)的運行狀況的,另外,對于如何將這樣的數(shù)據(jù)處理單元嵌入燃燒分析儀的硬件形成產(chǎn)品也做了簡單的探討.具體來說,包括下面這幾個方面：(

16、1) 確定柴油機(jī)燃燒放熱分析計算模型,依據(jù)計算原理,確定其在PC機(jī)上實現(xiàn)的方法.(2) 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)及程序處理后的計算數(shù)據(jù),繪制圖表分析內(nèi)燃機(jī)運行特性.(3) 討論計算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響因素及其限制參數(shù).(4) 比照不同程序語言和計算模型對于計算結(jié)果的影響.(5) 燃燒分析儀硬件系統(tǒng)的要求和確定,以及根據(jù)硬件系統(tǒng)將燃燒放熱計算算法嵌入其中的實現(xiàn)方法.2燃燒分析的數(shù)據(jù)采集、信號分析原理與方法2.1燃燒分析數(shù)據(jù)采集方法內(nèi)燃機(jī)根本參數(shù)有：種類、沖程數(shù)、氣缸數(shù)、缸徑、壓縮比、行程、曲柄連桿比、排量、過量空氣系數(shù)、掃氣系數(shù)、進(jìn)氣門關(guān)閉角和排氣門開啟角,這些參數(shù)根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的出廠標(biāo)識確定,其長度單位為設(shè)置為米

17、(m),排量單位為設(shè)置為升(L).工作參數(shù)有：扭矩、轉(zhuǎn)速、有效燃油消耗率、分頻數(shù)和循環(huán)數(shù),其中前三個參數(shù)由試驗臺上的測試儀讀出,分頻數(shù)由所選編碼器的分頻決定,循環(huán)數(shù)為缸壓多周期平均處理的周期數(shù),由操作者自己定,但考慮到計算量不要太大的要求,推薦循環(huán)數(shù)在30以內(nèi).以上參數(shù)均較容易獲取,燃燒分析的數(shù)據(jù)采集工作重點主要集中在示功圖數(shù)據(jù)之上.2.1.1 示功圖的概念及用途燃燒壓力一曲軸轉(zhuǎn)角圖也稱為示功圖.示功圖是研究和評判發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)和性能最重要的的資料.從示功圖中可以獲得40多種信息,其中主要的信息有以下幾種：1)平均指示壓力和指示功率.這兩個數(shù)據(jù)是表征發(fā)動機(jī)實際循環(huán)動力性的重要指標(biāo).指示功是指氣

18、缸內(nèi)完成一個工作循環(huán)所得到的有用功,其大小可由P-V圖中封閉曲線面積求得.它和發(fā)動機(jī)工作循環(huán)中熱功轉(zhuǎn)換效率和氣缸容積大小有關(guān).平均有效指示壓力是單位氣缸容積一個循環(huán)所作的指示功.平均有效指示壓力越大,同樣大小的氣缸容積可發(fā)出更大的指示功,氣缸工作容積的利用程度越佳.2最高燃燒壓力和其所在的曲軸轉(zhuǎn)角位置：最高燃燒壓力是計算和評判發(fā)動機(jī)零部件強(qiáng)度的主要依據(jù),最高燃燒壓力所在的曲軸轉(zhuǎn)角那么是評判燃燒放熱及時性和離位離上止點程度的科學(xué)依據(jù).3壓力升高率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化圖：其中壓力升高率是衡量燃燒放熱及時性的另一個重要依據(jù),而曲軸轉(zhuǎn)角給出了著火時刻和示功圖的最高位置.4壓力升高加速度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律圖

19、：它是佐證是否出現(xiàn)燃燒壓力振蕩及計算其強(qiáng)度的主要依據(jù),也是評判燃燒過程劇烈程度的主要依據(jù).5根據(jù)示功圖可以給出PV圖,由狀態(tài)方程進(jìn)而可以給出TP圖：從T-P圖可以得到最高燃燒溫度及所在的曲軸轉(zhuǎn)角.6計算燃燒放熱率.燃燒放熱率比示功圖更直接地反映燃燒過程的特征,從而評價現(xiàn)有發(fā)動機(jī)燃燒過程的合理性.將放熱率曲線輸入工作過程模擬分析的軟件中,求得通常是無法測量的發(fā)動機(jī)工作參數(shù),以評價發(fā)動機(jī)的工作循環(huán).示功圖的測量應(yīng)包括下面三個要素：1缸內(nèi)壓力的測量；2上止點的標(biāo)點；3曲軸轉(zhuǎn)角的測量.2.1.2氣缸壓力測量方法內(nèi)燃機(jī)氣缸壓力的測量研究已有百年以上的歷史,由于示功圖即氣缸中氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角或氣缸容積變

20、化關(guān)系.準(zhǔn)確測量內(nèi)燃機(jī)氣缸壓力對于研究內(nèi)燃機(jī)工作過程和性能分析極為重要,可以說如何準(zhǔn)確測量氣缸壓力、減少測量誤差一直是研究中的重點.隨著電子技術(shù)、信息處理、數(shù)字信號處理等技術(shù)的高速開展,內(nèi)燃機(jī)氣缸壓力測量技術(shù)也發(fā)生了極大的變化.下面簡單介紹兩種內(nèi)燃機(jī)氣缸壓力的測量方式,這兩種方法恰好見證了內(nèi)燃機(jī)氣缸壓力測量技術(shù)的開展過程.1機(jī)械方法機(jī)械方法的原理是用內(nèi)燃機(jī)的氣缸壓力推動一小活塞移動,活塞另一端連有活塞桿,帶動記錄筆沿記錄轉(zhuǎn)筒做上下直線運動,而內(nèi)燃機(jī)活塞的位移由繩索或其它機(jī)構(gòu)帶動記錄轉(zhuǎn)筒做往復(fù)轉(zhuǎn)動,于是就可記錄下氣缸壓力隨活塞位移的變化曲線,即示功圖.這是一種比擬古老的測量方法,要求內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速不

21、能太高,另外,溫度變化、各部件之間的摩擦以及安裝誤差都會帶來很大的影響,目前已不再使用.2電測方法在測量過程中,把氣缸壓力、曲軸轉(zhuǎn)角或活塞位移卜油管壓力、針閥升程等非電量,通過適當(dāng)?shù)膫鞲衅靼幢壤D(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量,經(jīng)放大器放大后輸入到顯示記錄裝置或拍攝下來,這是目前最為常見的測量方式.計算壓力信號的絕對值對于正確分析缸內(nèi)壓力十分必要,由于壓電式壓力傳感器的輸出信號是一個電荷量,而經(jīng)電荷放大器放大后輸出的是電壓信號,而我們需要的是絕對壓力,輸出電壓和實際壓力存在如下關(guān)系：PCEEoPo2-1式中：p絕對壓力；po參考壓力;E,E0分別表示所求壓力點所對應(yīng)電荷放大器輸出電壓、參考壓力點所對應(yīng)的電荷放

22、大器輸出電壓；C表示增益因子(bar/v),即電荷放大器輸出1V電壓時所對應(yīng)的壓力值.參考壓力Po確實定可通過以下兩種方法確定：1 .采用外部基準(zhǔn)確定參考壓力值：利用進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器提供參考壓力,如測量進(jìn)氣歧管壓力,并假設(shè)汽油機(jī)進(jìn)氣終點時的壓力等于進(jìn)氣歧管壓力的平均值,即選用Pivc為進(jìn)氣歧管的絕對壓力平均值,作為參考壓力.在進(jìn)氣系統(tǒng)有較低諧波時,利用進(jìn)氣歧管絕對壓力均值計算絕對壓力是一種較準(zhǔn)確的方法.2 .利用多變指數(shù)確定參考壓力值：當(dāng)進(jìn)氣系統(tǒng)有較高諧波時,應(yīng)采用多變指數(shù)法.“在壓縮過程中,設(shè)綠為壓力偏移量,即絕對壓力和參考壓力的差值.根據(jù)某一曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的實測壓力Ps,可得此點的絕對

23、壓力P=Ap+Ps.其他點同理計算.基于壓縮過程pVn=const(n=1.331.35),在各點均有相同偏移量如,(Pimp)V1n(p2mP)V2n(2-2)p進(jìn)而求出各點的絕對壓力值.2.1.3壓力測量精度的主要影響因素及修正方法無論采用何種測量方式,減小測量誤差、課題.引起內(nèi)燃機(jī)示功圖測量誤差的因素有很多,入的兩個因素是傳感器連接通道和上止點定位.1 .測壓通道在測量過程中,由于氣缸蓋結(jié)構(gòu)上的原因,p2mV2ndmMnV1nV2n(2-3)提升精度是內(nèi)燃機(jī)測試技術(shù)中一項重要的研究其中影響最大而且研究工作進(jìn)行得最為深很難使傳感器是通過一條通道與燃燒室相通,由于通道的存在使得傳感器感應(yīng)到的

24、壓力發(fā)生了畸變,主要表達(dá)在： 改變了壓力信號的頻率成分,通道內(nèi)會形成空氣振蕩腔,當(dāng)燃燒室內(nèi)燃?xì)膺M(jìn)入通道時,壓力波中不同的諧波成分將受到通道不同的放大和衰減,從而對傳感器的測量結(jié)果造成影響； 造成時間延遲,由于壓力波通過連接通道需要一定時間,從而使壓力傳感器獲得的壓力信號比燃燒室內(nèi)實際壓力滯后一段時間,一般情況下,延遲的大小可按通道中的音速來估算； 產(chǎn)生壓力損失,氣體進(jìn)出通道時將遇到較大阻力使傳感器測量的壓力變小.而將傳感器直接裝在與燃燒室壁面齊平的位置上也不是很適宜,燃燒室內(nèi)火焰會對傳感器產(chǎn)生熱沖擊而造成誤差.為了減少通道誤差,應(yīng)適當(dāng)增加管道的直徑和縮短管道的長度,另外還要減小壓力傳感器前的空

25、腔容積.因此,在測量過程中總是存在測壓通道的影響,而修正測壓通道所造成誤差的處理方法主要有以下三種：1)逆濾波方法基于將測壓通道和傳感器視為一個測量系統(tǒng),其輸入信號為時間的函數(shù),記為x(t),經(jīng)過系統(tǒng)的輸出信號為y(t),聯(lián)系x(y)和y(t)的函數(shù)關(guān)系式一般以微分方程來表達(dá),稱為系統(tǒng)的傳遞函數(shù).如果將輸入信號、傳遞函數(shù)以及輸出信號轉(zhuǎn)換至頻域后,三者滿足下式：X(jw)=Y(jw)/H(jw)(2-4)其中：X(jw)輸入信號x(t)的傅立葉變換;Y(jw)輸出信號y(t)的傅立葉變換;H(jw)測量系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù).如果在輸入輸出信號確定的情況下,那么可以求出傳遞函數(shù)H(jw)o在實際測量時,

26、先記錄傳感器輸出并且轉(zhuǎn)換到頻域,然后除以傳遞函數(shù)H(jw),得到輸入信號X(jw),再進(jìn)行傅立葉反變換即可得到真正的氣缸壓力x(t).2)數(shù)字濾波方法天津大學(xué)盛宏至等學(xué)者提出了基于數(shù)字信號處理理論的數(shù)字濾波法,用來對內(nèi)燃機(jī)示功圖進(jìn)行處理.他們認(rèn)為可將示功圖劃分為三個相加局部,即：第1局部,示功圖的根本構(gòu)形局部；第2局部,由燃燒引起的壓力突升局部；第3局部,通道效應(yīng)造成的壓力振動局部.在頻域,第1局部限制了低頻分量的特點,第2及第3局部限制了中頻分量的特點,并且認(rèn)為第2和第3局部無論在幅度上還是在相位譜圖上均為相加關(guān)系,因此設(shè)計了復(fù)合帶阻濾波法,將通道引起的頻帶濾除,另外還附加一高頻阻帶,對量化

27、誤差引起的噪聲進(jìn)行衰減,此方法適用于通道較短的情況下.在測壓通道較長的情況下,不但要對頻域幅值進(jìn)行濾波處理,而且還要對頻域相位進(jìn)行校正,這時可采用逆濾波加選頻濾波法對通道效應(yīng)進(jìn)行處理,但要求測取(或計算)通道系統(tǒng)的平均傳遞函數(shù),方法略為復(fù)雜.3)波動方程修正方法上海交通大學(xué)王長林等學(xué)者建立了測量通道內(nèi)氣體波動方程的封閉解,可用于示功圖測壓通道的修正.假設(shè)測壓通道內(nèi)為一維等嫡、等截面流動,那么氣缸內(nèi)壓力與存在測壓通道的檢爆閥處的壓力之間的關(guān)系為：Pc(t)Pm(tL/a)Pm(tL/a)/2(2-5)其中：a測壓通道內(nèi)的音速；L測壓通道的長度.測壓通道內(nèi)音速的估計有兩種方法：一是利用下式進(jìn)行估計

28、：a、南(Pm(t)/Pd)(k1)/2k(2-6)其中：k絕熱指數(shù)；Pd進(jìn)氣壓力；T該處的溫度；R氣體常數(shù).作者還提出了另外一種估算通道內(nèi)音速的方法：即從實測的壓力曲線上確定各波峰之間的時間差q那么下式對音速一個較好的估計,這樣就可以從測量的壓力數(shù)據(jù)上恢復(fù)氣缸內(nèi)的真實壓力信號.a4L/(2-7)2.上止點定位據(jù)相關(guān)統(tǒng)計,內(nèi)燃機(jī)上止點位置偏離l度曲軸轉(zhuǎn)角,將使計算放熱率時可能到達(dá)710%的誤差,因此上止點的定位非常重要.在測量內(nèi)燃機(jī)氣缸壓力時確定上止點的方法有以下幾種：1)確定內(nèi)燃機(jī)的靜態(tài)上止點取下氣缸蓋,用千分表找出活塞的最高位置.具體方法是在上止點前后約30度的地方,用千分表找到活塞升程相

29、同的兩個曲軸轉(zhuǎn)角,然后找出這兩個曲軸轉(zhuǎn)角的平分線作為上止點的正確位置.這種方法容易受曲軸、連桿和活塞之間存在間隙等因素的影響.2確定內(nèi)燃機(jī)的動態(tài)上止點動態(tài)上止點一般用電容傳感器來測量.將電容的一個極放在活塞上方的燃燒室壁面上,而把活塞作為另一個電極,當(dāng)傳感器電容值到達(dá)最大值的那個點即為內(nèi)燃機(jī)的上止點.此方法過于麻煩,不再使用.3用壓縮壓力曲線確定上止點理想狀態(tài)下,內(nèi)燃機(jī)壓縮膨脹過程曲線是左右對稱的,因此,曲線的最大壓力點應(yīng)該與上止點位置相對應(yīng).但是,由于內(nèi)燃機(jī)的壓縮和膨脹過程中存在泄漏和散熱過程,因此,并不是理想的絕熱過程.倒拖時的壓縮膨脹線并不是按上止點位置左右對稱,氣缸內(nèi)的氣體壓力最大值出

30、現(xiàn)在上止點前的一個角度上,這個相應(yīng)對上止點的偏差角稱為熱力損失角度.在氣缸壓力測試時,通常的作法是首先確定一個靜態(tài)上止點,然后通過壓縮壓力曲線確定出這一個靜態(tài)上止點相對于實際上止點的修正差值.這樣在以后的測量過程中,將修正差值加到靜態(tài)上止點上即可得取實測示功圖的上止點.2.2 氣缸壓力數(shù)據(jù)預(yù)處理柴油機(jī)的燃燒過程主要包括持續(xù)時間短、但放熱率較大的預(yù)混合燃燒過程以及持續(xù)時間相對較長的擴(kuò)散燃燒過程.燃油燃燒會在缸內(nèi)迅速膨脹,并在缸內(nèi)形成頻率大致正比于氣缸直徑的沖擊波,缸內(nèi)氣缸壓力劇烈變化,氣缸壓力的變化過程依賴于燃燒過程,而燃燒過程又受燃油的供油規(guī)律、霧化情況、氣缸內(nèi)的空氣運動等因素的影響,因此,即

31、使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、功率保持穩(wěn)定,但每一個工作循環(huán)的氣缸壓力變化過程卻存在著一定的隨機(jī)性.再者,在現(xiàn)場不可能實現(xiàn)在柴油機(jī)氣缸蓋上打孔測量氣缸壓力,只能在氣缸蓋上提供的檢爆閥上安裝傳感器對氣缸壓力進(jìn)行測量,而從檢爆閥到氣缸內(nèi)部有一定的距離,這一段通道的存在使測量的氣缸壓力波形上存在較為明顯的振蕩波形,同時在此處測量的氣缸壓力必然滯后于實際的氣缸壓力,柴油機(jī)轉(zhuǎn)速越高滯后現(xiàn)象越明顯.因此,必須對測量的氣缸壓力進(jìn)行預(yù)處理,從而得到比擬滿意的氣缸壓力曲線.數(shù)據(jù)預(yù)處理的步驟：對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的具體步驟如下：步驟1:從原始數(shù)據(jù)中提取一個整循環(huán)的數(shù)據(jù).步驟2:數(shù)據(jù)平均,將提取出來的數(shù)據(jù)以相同的曲軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行相加,在

32、到達(dá)所需的樣本數(shù)后再進(jìn)行平均處理.步驟3:對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理.從示功圖上可以看到壓力曲線存在許多微波動,有關(guān)研究已經(jīng)說明這些微波動是造成放熱特性曲線振蕩的原因.對于壓力微波動來說,主要的原因是,壓力測量中存在隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差,燃燒時產(chǎn)生的脈沖壓力波,活塞及連桿運動的隨機(jī)性,數(shù)據(jù)采樣間隔太小等等.在這些原因中,需要區(qū)分被測量壓力其本身的變化和測量的誤差,對于測量壓力本身的變化,測量工作和數(shù)據(jù)處理的任務(wù)是盡可能將其真實地反映出來,而不是簡單地去消除它們；對測量誤差所造成的波動,那么需盡可能地加以消除,使曲線光順,光順處理用于對單個示功圖數(shù)據(jù)的處理.在內(nèi)燃機(jī)的數(shù)據(jù)處理中,由于數(shù)據(jù)量大,尤其是示功圖

33、和放熱特性的曲線存在較為劇烈的振蕩,為減少數(shù)據(jù)處理的工作量和消除這種不需要的振蕩,可采用局部平滑法對數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行光順處理.局部平滑法的根本出發(fā)點是：假設(shè)這些數(shù)據(jù)排得很密,并且在每一個數(shù)據(jù)點的附近一階、二階或三階導(dǎo)數(shù)近乎是常數(shù),在每個數(shù)據(jù)點的左右各取幾個相鄰的數(shù)據(jù),用一次、二次或三次多項式作為未知數(shù)在小區(qū)間上的近似值,然后,根據(jù)最小二乘法的原理來確定該一次、二次或三次多項式的系數(shù),由此即可求得校正中央點的校正值.1 .曲線的五點二次光順法實踐證實,在內(nèi)燃機(jī)的數(shù)據(jù)光順處理中,較為適宜的是五點二次、七點二次和五點三次、七點三次局部平滑光順法,其理論和公式推導(dǎo)介紹如下：自變量x的m個等間隔點X0,Xi

34、X0h,X2X02h,L,為x(jih,L,Xmx(jmh與之相對應(yīng)的m個y值為：yO,yi,y2,L,yj,ym假設(shè)引入新的變量：t(xX)/h;那么t應(yīng)取的值為：-i,i+1,-2,-1,0,1,2,m-i-1,m-i變量t取間隔為1的一系列值.設(shè)y的修正值為yj,并在點的左右各取幾個對應(yīng)的數(shù)據(jù)值,用小區(qū)間上的二次或三次多項式的近似計算確定修正值yi'o二次多項式的局部平順法2設(shè)y的修正值為y'i1,yi1abtct,系數(shù)a,b,c應(yīng)使n2、_2I(abtct)yi1min(2-8)im整理得：1ra3(yi2yi2)12(yi1yi1)17y35,1,b(2y2y12yi

35、2X1)(i2,3,Lm2)(2-9)101c2(yi2yi2)(yi1yi1)2y14y'iy'it|t0a(2-10)y'0y'ith2,t2a2b4cy'1y'it|t2,t1abc4c3y4)My'm1y'it|tm2,t1aby'my'itIm2,t2a2b所以五點二次計算公式為：,1,Cy0不(31y09y13y25y335,1,一y1(9y013y112y26y35y4)35(2-11)M-(31ym45ym33ym29ym131ym)352 .曲線的均化處理發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣過程、混合氣行程過程、著火過程

36、和燃燒過程都相當(dāng)復(fù)雜,因此缸內(nèi)壓力信號也是十分復(fù)雜的.即使發(fā)動機(jī)過程很穩(wěn)定,測出的一個循環(huán)的壓力數(shù)據(jù)也沒代表性,很難以此對發(fā)動機(jī)的工作過程和性能做出客觀的評判.為此,示功圖必須作統(tǒng)計處理和均化處理.即取多個工作循環(huán)的平均示功圖.這樣的示功圖較為有代表性和可信性.示功圖含有的循環(huán)數(shù)愈多,那么代表性和可信性愈好,但工作量和消耗量也愈大.所以,要取一個有足夠代表性和可信性的循環(huán)數(shù),又要防止過分的工作量和消耗量.對于汽油機(jī)來說,其循環(huán)波動率比擬嚴(yán)重,所以要取200個以上循環(huán)數(shù),對于柴油機(jī)來說取50個循環(huán)數(shù)就足夠了,除燃燒壓力震蕩主要波段難于消除外,其余壓縮線和膨脹線,都可以很光順.壓力變動具有一定的偶

37、然性,它的誤差分別屬于偶然誤差的分布規(guī)律,本文取下述方法來修正測得的缸內(nèi)壓力值.1)在穩(wěn)定工況下連續(xù)測量n個循環(huán)的缸內(nèi)壓力,每循環(huán)n個測點,記作pi,其中i=1,2,3,n,i為循環(huán)序號,為曲軸轉(zhuǎn)角.2)根據(jù)最小二乘原理,假設(shè)觀測值的分布滿足正態(tài)分布,那么在一組等精度測量中,算術(shù)平均值為最正確值,故對每個測點求平均值：100Pii-p(2-12)1003)計算或然誤差r在一定觀測條件下,當(dāng)觀測次數(shù)n無限增加時,在真誤差列中,假設(shè)比某真誤差絕對值大的誤差與比它小的誤差出現(xiàn)的概率相等,那么稱該真誤差為或然誤差.；10.2r0.6745,(pip)：/99(2-13)4)可疑讀數(shù)的舍棄一pip如果測

38、得某一讀數(shù)p的大于表2.1的值,那么舍棄這一讀數(shù).D(儲環(huán)數(shù))510203050100<52.5二y33J6384.2表2.1不同的采用循環(huán)數(shù)下的值5)舍棄可疑讀數(shù)后計算點的壓力平均值為：mppi/m(2-14)i1式中：m舍棄可疑讀數(shù)后剩下的循環(huán)個數(shù)；p舍棄可疑點剩下的壓力值.圖2.1、2.2給出了兩個柴油機(jī)示功圖.其中一個經(jīng)過了均化處理,另一個沒有.如七丸圖2.250循環(huán)平均化處理后的示功圖圖2.1單循環(huán)示功圖2.3 燃燒放熱計算原理內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)的工作過程是很復(fù)雜的,它是包含物理、化學(xué)、流動、傳熱、傳質(zhì)等過程.為了描述氣缸內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)變化,視氣缸為一個熱力系統(tǒng),系統(tǒng)邊界由活塞頂、氣缸

39、蓋及氣缸套各個壁面組成,如圖2.3所示.系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)由壓力、溫度、質(zhì)量這三個根本參數(shù)確定并以能量守恒方程、質(zhì)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.流入系統(tǒng)的熱城燃料燃燒放熱錄圖2.3氣缸內(nèi)工作過程計算簡圖系統(tǒng)對外界的換熱量f()或dX/df()的由于內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程極為復(fù)雜,燃燒放熱率dQB/d函數(shù)形式顯然也是極為復(fù)雜的,它與燃燒的物理、化學(xué)過程,內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運行參數(shù)等眾多因素有關(guān),難于用一個精確的數(shù)學(xué)方程式進(jìn)行描述,目前確定dQB/df()或dX/df常用以下幾種方法:l利用現(xiàn)有的實測示功圖進(jìn)行數(shù)值計算分析,計算出燃燒的放熱率,以此作為輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行工作過程的計算.這種

40、方法接近實際燃燒過程,比擬直觀,但要求有較精確的實測p圖及有關(guān)實測參數(shù),對診斷燃燒有一定的作用,迄今在性能研究中仍受重視.2采用零維燃燒模型.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.其特點是把缸內(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)反響的復(fù)雜中間過程,僅把燃燒看成是按一定規(guī)律向系統(tǒng)參加熱量的過程,這種模型對于分析、計算和預(yù)測內(nèi)燃機(jī)性能起了重要的作用,能夠預(yù)估燃燒過程中的主要性能參數(shù),但它用簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系式掩蓋了燃燒的本質(zhì),無法

41、從機(jī)理上去把握其規(guī)律性,另外,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(jī)型號及運行條件有很強(qiáng)的依賴關(guān)系.因此,此模型實際上是純經(jīng)驗?zāi)Ｐ?使用有局限性.3采用準(zhǔn)維燃燒模型,它從實際燃燒的物理一化學(xué)過程出發(fā),建立簡化的燃燒模型,模型考慮燃燒過程的中間細(xì)節(jié),如油束的形成和開展、油滴與空氣的相對運動、氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度分布、油滴及油氣濃度分布等因素,劃分區(qū)域進(jìn)行計算,這種模型較為接近實際燃燒過程,但因其計算相當(dāng)復(fù)雜,主要因應(yīng)用在預(yù)測排放特性.在比照以上方法之后,本文采用實測示功圖法進(jìn)行放熱率的計算.它是研究燃燒過程的一種有效方法,不僅能對燃燒過程做出定性的說明,而且能提供定量的估計,是診斷燃燒的

42、一種有效手段.同時,根據(jù)放熱率也可以分析一些設(shè)計參數(shù)對燃燒過程的影響,如供油規(guī)律、噴油提前角、滯燃期、燃燒持續(xù)期、燃燒放熱速度等.綜合考慮放熱率、最高爆發(fā)壓力和壓力升高率,提出理想的放熱率曲線,使實際放熱過程與其逼近,用以改良和組織燃燒,這樣,使放熱率研究具有更實際的意義.2.3.1 燃燒放熱計算的假設(shè)條件從的p圖計算燃燒放熱率的出發(fā)點是熱力學(xué)第一定律.并且基于以下假設(shè)條件：1氣缸內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)均勻,即同一瞬時氣缸內(nèi)各點的壓力、溫度和濃度處處相等.并假定在進(jìn)氣期間,通過系統(tǒng)邊界進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣與氣缸內(nèi)的剩余廢氣實現(xiàn)瞬時完全混合.2工質(zhì)為理想氣體,其比熱容c、內(nèi)能科、夕th等參數(shù)僅與氣體的溫度T及

43、氣體的成分瞬時過量空氣系數(shù)有關(guān).3壓縮和燃燒過程中系統(tǒng)是封閉的,沒有工質(zhì)的泄漏.工質(zhì)進(jìn)出口的流動動能忽略不計.4把燃燒室內(nèi)的輻射傳熱和燃油的蒸發(fā)吸熱等熱交換,都放在傳熱系數(shù)ag中統(tǒng)一考慮,而不單獨考慮.5燃料全部完全燃燒.6氣體流入或流出氣缸的流動過程為準(zhǔn)穩(wěn)定流動過程,即在足夠小的計算步長內(nèi)視為穩(wěn)定流動.2.3.2 根本微分方程從的實測p圖計算燃燒放熱率的出發(fā)點是熱力學(xué)第一定律,原理是氣缸內(nèi)的能量守恒.氣缸內(nèi)燃燒放熱率等于氣缸內(nèi)工質(zhì)內(nèi)能變化率、作功變化率及散熱率的總和.其能量守恒方程式為：dQBdUdWdQwdddd數(shù)值計算中用差商代替微商：(2-16)QbUWQw在步長切曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)有：(2-

44、17)QbUWQw(2-18)在一個工作循環(huán)內(nèi),可用通式表示：QBiUiwQwi為了計算步長內(nèi)的燃燒放熱量Qb.,可以根據(jù)實測的p圖及有關(guān)參數(shù),分別算出內(nèi)能變化量U、做功量W和散熱量Qw.2.3.3 燃燒放熱率計算步驟2.3.4 .做功量根據(jù)實測示功圖中的壓力值R和瞬時工作容積V可算出做功量：W(Pi1Pi)/2(ViVi1)(2-19)其中瞬時工作容積V可由氣缸直徑D、活塞行程S、曲柄連桿比入、壓縮余隙容積Vc、壓縮比e等作為數(shù)據(jù)輸入,根據(jù)活塞連桿機(jī)構(gòu)運動學(xué)的幾何關(guān)系式導(dǎo)出,其方程為:(2-20)VVsH21cos1(1J2sin2)式中：.、一.一2一Vs氣缸工作容積,VsDS/4.2.3

45、.5在內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中,氣體的換熱量等于氣體與缸蓋、活塞和氣缸套換熱量的總和,其方程為：3QwagAi(TTWi)(2-21)6ni1(1)工質(zhì)溫度T(K)工質(zhì)溫度按氣體狀態(tài)方程算出：pVTMR(2-22)(2)工質(zhì)的物質(zhì)的量M(kmol)氣缸內(nèi)的工質(zhì)的物質(zhì)的量M等一于純空氣的物質(zhì)的量Mi和純?nèi)紵a(chǎn)物的物質(zhì)的量M2之和,即:式中:MM1M2Ma10.065X(1""T(2-23)Ma壓縮始點時氣缸內(nèi)工質(zhì)的物質(zhì)的量;剩余廢氣系數(shù)；燃燒過量空氣系數(shù)；X某曲軸轉(zhuǎn)角前已燃燒的燃料百分比.gfQb9凡(2-24)Qb燃燒放熱量;gf循環(huán)噴油量;Hu燃料的低熱值,汽油為43960kJ/

46、kg,柴油為42500kj/kg.Magf又可知:30(1)Ansaisa弧103120niMaa(2-25)(1)gLL01rgHg.(0.2112432式中:R有效功率,kW；be有效燃油消耗率,g/kWh；內(nèi)燃機(jī)沖程數(shù)；n內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min；i內(nèi)燃機(jī)氣缸數(shù)；A內(nèi)燃機(jī)氣耗量,kg/s;掃氣系數(shù);a平均空氣相分子質(zhì)量28.97;L0燃料燃燒理論空氣量,kmol/kg柴油0.4936,汽油0.5109;gc,gH,go燃料中碳、氫、氧的重量成分.(3)壁面平均溫度Twi(K)其經(jīng)驗公式為：(2-26)(2-27)(2-28)活塞頂：Twi373300pe(鋁活塞)；Twi373120pe(

47、鑄鐵活塞)缸蓋：TW237370pe氣缸套：Tw337340Pe式中：Pe平均有效壓力(MPa).(4)傳熱系數(shù)ag計算工質(zhì)和燃燒室諸壁面的瞬時換熱量的關(guān)鍵是確定瞬時平均換熱系數(shù)ag.現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)瞬時平均換熱系數(shù)ag的計算公式較多,根本可分為兩大類：純經(jīng)驗公式和準(zhǔn)那么公式.目前還經(jīng)常被引用的純經(jīng)驗公式如日chelberg公式,準(zhǔn)那么公式如Woschni公式、Sitkei公式等.由于影響氣缸工質(zhì)換熱的因素較多,問題比擬復(fù)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(jī)型及條件的不同,各公式之間差異較大.下面介紹幾種ag的計算公式.CDEichelberg公式純經(jīng)驗公式,試驗進(jìn)行于非增壓

48、,低速大型二沖程柴油機(jī)上.(2-29)ag7.83cm,TTw/(m2K)式中：Cm活塞平均速度,m/s;P氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力,MPa;T氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度,KoCDwoschni公式其依據(jù)為短管內(nèi)受迫流動對流換熱準(zhǔn)那么方程：Nu0.035Re°.8.是在直噴式和預(yù)燃室式四沖程增壓柴油機(jī)、火花點火式汽油機(jī)上進(jìn)行比擬廣泛的試驗,整理得出的公式.該公式應(yīng)用范圍較廣,但其中穩(wěn)流吹風(fēng)試驗切向速度不易被準(zhǔn)確確定.ag820P0.8T0.53D0.2CiCmC2Ts(pPoH牖w/(m2)(2-30)PaVa式中：p氣缸內(nèi)I質(zhì)壓力,MPa;T氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度,K;D氣缸直徑)m；Cm活塞平均速度,m/s;

49、pa、Ta、Va壓縮始點時的氣缸內(nèi)I質(zhì)壓力MPa、溫度K、氣缸容積Vs氣缸工彳容積,m3；Po發(fā)動機(jī)倒拖時的氣缸壓力,MPa;Cu穩(wěn)流吹風(fēng)試驗時,風(fēng)速計葉片的切向速度,m/s;C1氣流速度系數(shù)：C.Ci6.180.417進(jìn)排氣階段CmCi2.280.308魚壓縮膨脹階段CmC2燃燒室形狀系數(shù)：3C23.2410直噴式燃燒室.3C26.2210分隔式燃燒室C3Sitkei公式由此準(zhǔn)那么數(shù)方程出發(fā)：NuRe0.7,在直噴式四沖程小型柴油機(jī)上試驗整理得出.0.30.20.7八0.72、ag0.25(1b)deTpCm,W/(m)de當(dāng)量直徑,de2Dh,m;D2h3、m);(2-31)式中：m;h曲

50、軸轉(zhuǎn)角為時,活塞頂面至氣缸蓋燃燒外表的距離,Cm活塞平均速度,m/s;p氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力,MPa;T氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度,Kob經(jīng)驗常數(shù)：b=0.00.15直噴式燃燒室b=0.150.30渦流室式燃燒室b=0.250.40預(yù)燃室室燃燒室朱訪君公式從準(zhǔn)那么方程NuCRe0.8出發(fā),根據(jù)實驗數(shù)據(jù)及應(yīng)用誤差理論和回歸分析處理,得出一個回歸公式：orccc0.8丁0.53r-0.2rrVa1.361,0.8、八,/2ag1709.2pTDCmbpPa(),W/(m)(2-32)gV式中：p氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力,MPa;T氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度,K;D氣缸直徑,m；Cm活塞平均速度,m/s；3pa、Va壓縮始點時的氣缸內(nèi)工質(zhì)

51、壓力(MPa)、氣缸容積(m);3V氣缸瞬時谷積(m).附加系數(shù)b與pmax明顯線性相關(guān)：b4.5200.349pmax(2-33)3.內(nèi)能變化量UMCvTMa0,Ta(2-34)式中：Ta壓縮始點時刻氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度,K;Cv該瞬時內(nèi)氣缸工質(zhì)的平均定容摩爾比熱容,kJ/kmolK;cvkrCve(1kr)Cva(2-35)kr混合氣中燃燒產(chǎn)物所占的比例,式中它等于純?nèi)紵a(chǎn)物的物質(zhì)的量M2與混合氣的總的物質(zhì)的量M的比;krM2(10)0X0(10)(1)X(01)(2-36)0理論分子變更系數(shù);gHgo(2-37)_32L0Cva空氣的平均定容摩爾比熱容,kJ/kmol-K;cve純?nèi)紵a(chǎn)物的平

52、均定容摩爾比熱容,kJ/kmol-KoCva和Cve隨溫度而變,由F.Schmidt氣體表回歸的比熱容公式得:cva19.58582.8773103T2.5407107T2cve19.89275.0200103T5.9587107T2(2-38)4.燃燒放熱率計算氣缸內(nèi)燃料燃燒的瞬時燃燒放熱率按下式確定:dQBddX(2-39)氣缸內(nèi)燃料燃燒百分?jǐn)?shù)X是表示某一曲軸轉(zhuǎn)角時,累計已燃燒掉的燃料放熱量與可利用的熱能總量之比,即Hugf(2-40)式中：u燃燒效率,內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)定運行時,一般為簡化計算取值為1；呸一一燃燒速率.d由上面的計算過程可知,假設(shè)要計算出任一時刻缸內(nèi)工質(zhì)的內(nèi)能、加熱量、放熱量,必須

53、知道該時刻已燒掉循環(huán)油量的百分?jǐn)?shù)X,而X又是一待求量,所以只能給出X的初值,進(jìn)行迭代計算,即每個計算步長先給X賦初值,按上述步驟求出QB,然后再求出X,取前后兩次求得的X值進(jìn)行比擬,假設(shè)滿足誤差要求,那么轉(zhuǎn)入下一步的計算,否那么重新迭代直至收斂為止.小結(jié):本章介紹了內(nèi)燃機(jī)燃燒放熱計算的數(shù)據(jù)采集工作的要點,以及對示功圖和壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的方法.并說明了進(jìn)行燃燒放熱分析所采用的計算模型和計算方法,為燃燒分析的軟件實現(xiàn)提供了理論根底和數(shù)值計算方法.3燃燒放熱計算程序3.1 內(nèi)燃機(jī)燃燒放熱計算的需求分析如前所述,隨著傳感器技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的開展,前期的數(shù)據(jù)采集工作以及后期智能化的數(shù)據(jù)顯示、分析工作

54、都較以往難度有所下降.本文著重于討論內(nèi)燃機(jī)燃燒放熱分析計算的算法局部.正由于僅僅考慮計算算法,于是并不要求程序設(shè)計的過程中考慮諸如人機(jī)交互、實時數(shù)據(jù)采集和任務(wù)調(diào)度等問題.相比之下,除了快速準(zhǔn)確的計算出數(shù)據(jù)結(jié)果以外,更為重要的是程序代碼的通用性、擴(kuò)展性和易維護(hù)性等.舉例來說,比方可維護(hù)性考慮到將來系統(tǒng)的糾錯、升級要求.程序在開發(fā)到使用過程中,用戶會在操作時發(fā)現(xiàn)某些程序錯誤也稱程序bug,系統(tǒng)的糾錯方便性是檢驗系統(tǒng)可維護(hù)性好壞的一個重要標(biāo)準(zhǔn).另外,由于目前計算機(jī)技術(shù)處于一個日新月異的開展時期,很可能在不久的將來軟件技術(shù)和硬件技術(shù)有進(jìn)一步的開展,該系統(tǒng)也可能要隨之升級.為此,系統(tǒng)應(yīng)該具有良好的升級功能；而通用性考慮到兩個方面內(nèi)容一是：本程序與其它軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換的通用性問題,以及在不同操作系統(tǒng)的適用性；穩(wěn)定性那么表現(xiàn)為程序運行平穩(wěn)不會發(fā)生內(nèi)存沖突導(dǎo)致死機(jī)等故障,而且處理結(jié)果應(yīng)該具有重復(fù)性.具體來說有以下一些要求：1該系統(tǒng)軟件的設(shè)計任務(wù)是基于內(nèi)燃機(jī)缸壓工作過程相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)分析,通過汽缸壓力、曲軸轉(zhuǎn)角、上止點等參數(shù),進(jìn)行示功圖與其相應(yīng)的評定參數(shù)的數(shù)據(jù)分析和燃燒放熱分析.2能進(jìn)行離線的燃燒特征參數(shù)分析,建立相應(yīng)的計算模型.3程序算法簡潔,運算效率高,可以適應(yīng)移植到燃燒分析儀進(jìn)行