次作业气缸内热力计算思考题.docVIP

柴油机工作过程数值计算 气缸内热力计算授课提纲思考题 1.查阅相应文献，了解气缸内数学模型的建模、仿真方法及应用； 1.气缸内工作过程能量守恒物理模型 柴油机气缸中的工作过程是很复杂的,包括机械、物理、化学、热传导与流动等过程.在气缸内各部分工质的温度、压力及成分也是不同的,特别是在燃烧阶段,各处的温度和工质成分差别更大.若研究燃烧过程的细节,则要用三维非定常过程来模拟.但仅为了获得整机热力过程综合参数,较常用的方法是容积法模型。即假定气缸内的工质在任何一个瞬间都是混合均匀,各处的工质成分、压力与温度都是相同的,则可用3个基本参量,即质量(m)、温度(T)及压力(p)来表示缸内气体的状态。 在实际计算中,采取如下假设: （1)换气后,缸内工质仅为新鲜空气与残余废气的混合物; （2)气缸内的工质在每一瞬时都是均匀混合的,各处的压力、温度都相同; （3)燃油只在燃烧前不久和燃烧进行中按预定的燃烧规律喷人缸内; （4)排气中炭烟量的热值相对较低,可以略而不计,认为燃油已完全燃烧。 单位曲轴转角气缸中的工质内能变化d(mzUz)/dU是由喷入燃油的燃烧热量dQf/dU、进入气缸新鲜空气带入的热量(dms/dU)Is、废气排出气缸带走的热量(dme/dU)Ie和工质与气缸盖、气缸套和活塞进行热交换的热量dQw/dU以及活塞的机械功所相当的热量pz(dVz/dU)所组成，由此建立气缸内工作过程能量守恒物理模型。 2.气缸内工作过程数学模型 用能量守恒方程、质量守恒方程和状态方程把气缸内整个工作过程联系起来,即得到气缸内工作过程的数学模型。 式中:dmz/dU、dms/dU、dme/dU分别代表单位曲轴转角内气缸内气体质量的变化、进入气缸的新鲜空气量和排出气缸的废气量;dx/dU为燃烧速率,或称放热率;x为在某一曲轴转角时,已燃烧掉的燃油质量与gf之比;gf为每缸每循环喷入气缸的燃油质量.pz、Vz、mz、Rz和Tz分别代表气缸内的压力、容积、质量、气体常数和温度。 2.1气缸工作过程计算的边界条件 燃烧放热规律 燃油燃烧的放热率： 式中:Hu为燃油燃烧低热值.x=f(U)及dU/dU=f(U)的曲线形态与柴油机的转速、结构参数、喷油规律、燃烧室形式、空气扰动强弱、压缩终点气体状态以及燃烧过量空气系数等有关,关系比较复杂,尚不能利用多维燃烧模型进行定量分析.目前,在进行整机性能及工作过程计算时,主要采用一些经验数据或计算式输入计算机进行模拟计算.双韦博公式用于模拟涡轮增压中、高速柴油机的燃烧规律比较接近实际,它可形象地将预混合燃烧和扩散燃烧分开考虑.双韦博公式为： 式中:x1、dx1/dU代表预混合燃烧;x2、dx2/dU代表扩散燃烧;S为预混合燃烧领先角;Qd为扩散燃烧的燃料分数;(1-Qd)为预混合燃 烧的燃料分数;Uzd为扩散燃烧持续角;Hz为燃烧始点. （2）气缸周壁的热传导 柴油机气缸周壁,包括气缸盖燃烧室表面、活塞顶及气缸套表面,它们都是通过冷却水或润滑油进行冷却,从燃气至冷却液不断进行热量传递。气体对气缸周壁的散热率为： 式中:Aw为传热系数;Al为与燃气接触的缸套周壁面积;Tz为缸内气体瞬时温度;Tw为气缸套内壁平均温度;D为气缸直径;Tw1为气缸盖下表面平均温度;Tw2为活塞顶面平均温度;n为柴油机转速。 （3）进排气阀的流量计算 通过进排气阀处的气体流动,可近似地按一维等熵绝热来处理。 通过进气阀的流量为： 通过排气阀的流量,在亚临界排气期 在超临界排气期 3.应用 N6160ZC型柴油机工作过程模拟计算与优化 N6160ZC柴油机是一种广泛使用于我国海洋船舶的中速增压四冲程柴油机,根据其工作原理和结构特点,对柴油机工作过程进行分析,建立气缸内工作过程物理模型和数学模型,用龙格-库塔法对微分方程组进行求解,得到柴油机各循环的过程参数以及整机综合参数.在对工作过程计算的基础上,运用SWIFT方法,以有效油耗率为目标函数,以喷油定时、燃烧持续角等为优化变量,对工作过程进行优化计算,得到部分负荷工况下的最佳喷油定时.由此,可以进一步对高压喷油泵柱塞头部线形进行设计。 对柴油机的工作过程按负荷特性进行优化,把燃油消耗率be作为目标函数,喷油定时、扩散燃烧的燃料分数、扩散燃烧持续角为优化变量,约束条件有最高燃烧压力、最高燃烧温度、最高排烟温度、最高压升率,因此优化方法为单目标、多变量(多维)、有约束优化方法.这里选用序贯加权因子法,即SWIFT法。