柴油機工作過程的模擬計算與分析

鄭羅敏

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 330070）

?

柴油機工作過程的模擬計算與分析

鄭羅敏

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 330070）

摘 要：發動機是汽車的心臟，發動機效率的高低直接影響汽車的動力性和燃油經濟性。而其中柴油機又以轉矩大、壓縮比高、燃油經濟性好等優點廣泛運用于中、輕型貨車。為了更好掌握柴油機的工作過程，柴油機的工作過程的模擬和分析也越發重要。通過柴油機燃燒過程的模擬能更清楚了解進、排氣系統在四個工作行程中能量的轉換從而通過合理的進排氣門控制、噴油正時等提高其柴油機的效率。文章從建立系統物理模型，將工質狀態參數的變化與能量守恒定律、質量守恒定相結合，結合C語言編制計算機程序，得到各缸參數變化規律,從而得出結論。

關鍵詞：柴油機；模擬計算；模型；C語言

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.030

CLC NO.: U467.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-87-04

前言

柴油機因其高熱效率、良好的適應性和高功率而被大量地應用與農業、工業、載運交通、國防科技等多方面領域，對國民經濟的發展起著非常重要的促進作用。但是柴油機也有許多不足之處：例如工作載荷大，要求較高的結構強度和剛度，加工要求高，等。對柴油機工作過程進行模擬和分析，用來指導其設計和優化，不但大大降低了研究成本和有害物的排放，減緩了環境惡化，還可改善診斷技術和優化設計等技術問題。

本文對發動機燃燒過程模擬計算進行闡述，根據編寫模擬C語言程序，對給定發動機進行相關模擬計算分析，得出所得壓力、溫度等在柴油機工作過程隨時間變化的關系。

1、柴油機實際工作過程的數值計算

1.1 建立微分方程

本文以四沖程直接噴射式柴油機氣缸為典型例子，分析氣缸內實際工作過程的計算方法。取氣缸作為一個熱力系統進行考察研究，氣缸系統的邊界由活塞頂、氣缸蓋和氣缸套壁面所組成，如圖2-1。根據氣缸內氣體成分狀態的變化，如壓力p、溫度t、質量m等，再結合能量守恒方程、質量守恒方程及狀態方程聯系起來。作如下的簡化假定:

圖1　氣缸內工作計算簡圖

忽略氣缸內個點的壓力、溫度和濃度的差異，建立單區計算模型，認為工質是理想氣體。氣體流入或流出氣缸只考慮溫度波動的影響；忽略進氣系統內部壓力和溫度波動的影響。圖1所示的系統，由熱力學第一定律，得出：

式中m——工質質量；u——工質比內能；QB——燃燒放出的熱量；Qw——由系統邊界傳入（出）的熱量；W——作用在活塞上的機械功；ms——通過進氣門流入氣缸的質量；me——通過排氣閥流出氣缸的質量；hs和h——分別為進氣閥前和氣缸內氣體的比焓。dmshs——在dφ期間，單位質量dms所帶入氣缸的能量。dmsh——在dφ期間，單位質量dme流出氣缸時所失去能量。

現規定：進入系統的能量，質量為正值；流出系統的能量，質量為負值，以正負號帶入數值計算，而不用先在公式上標明。由此，機械工的公式為：

聯立（1）、（2）、（3）整理后得到氣缸溫度對曲軸轉角φ的微分方程：

通過系統邊界的質量有：噴入氣缸的瞬時燃料質量mB、流入氣缸的氣體質量ms以及流出氣缸的氣體質量me，由前文所規定，質量平衡的微分方程可寫為：

1.1.1 氣缸工作容積

由活塞連桿機構運動學，可建立活塞位移的計算公式：

式中S——活塞行程；λS——曲柄連桿比。依據活塞位的移即可計算氣缸的瞬時容積。

式中VC——壓縮容積；將（7）帶入式（8）中，得到：

1.1.2 傳熱計算公式

氣缸中的炙熱氣體通過活塞頂面F1、氣缸蓋底面F2及氣缸套的瞬時傳熱面F3進行熱量傳遞，其中F1、F2固定不變，穿熱門F3則隨曲軸轉角變化。為了方便計算，通常將整個傳熱門分為活塞、氣缸蓋及氣缸套三個部分，用著三部分傳熱門的平均壁溫及按位置平均的瞬時傳熱系數進行傳熱量的計算，其計算公式為：

式中Fi——傳熱表面積；Tiω——傳熱表面的平均溫度；i=1活塞；i=2氣缸蓋；i=3氣缸套；ag——根據傳熱面平均的瞬時傳熱系數。傳熱計算的準確性關鍵在于傳熱系數ag的計算公式，迄今為止，提出的ag計算公式不下十多個。

1.1.3 燃燒放熱規律

式中gb——每循環噴油量； Qb——每循環燃料燃燒的放熱量；mb——某瞬時已燃燒的燃料質量；——燃燒效率，對于柴油機進行穩定運行計算，可取

簡化模擬工作過程，計算模型的選取取決于計算的母和和計算的精度，對一般的性能預測和柴油的匹配計算，采用代用燃燒規律（或稱當量燃燒規律）也就行了。我們經常使用的代用燃料函數式韋伯的半經驗公式，其形式是：

圖2　燃燒品質指數m對燃燒百分比xm值得大小影響放熱曲線的形狀

1.1.4 工質內能變化的計算

可用于工質內能變化計算的經驗公式很多，下面列出的是Justi公式：

2、氣缸內實際工作過程的計算

應用上述（4）、（5）、（6）即可對柴油機氣缸內的工作過程進行計算。計算一般從壓縮始點開始，壓縮、燃燒和膨脹這三部分稱為高壓階段(圖1)，從排氣門打開到進氣門打開為止為排氣期，以及延續到排氣門關閉迭開期，接著是延續到進氣門關閉的吸氣期，著三個時期稱為工質更換階段，下面將分別討論這六個時期的計算方法。

2.1 壓縮期

因為氣缸內的工質成分不變，也沒有化學反應發生，因此式（4）中的

在已知m和λ的情況下，再加上狀態方程式，就可求解出壓縮過程中氣缸內氣體狀態的變化。

2.2 燃燒期

燃燒期間氣缸內工質質量由于噴油燃燒而發生變化，由式（5）有：

式中mB0——缸內換氣過程結束后，殘余廢氣中也已燃燒過的相應燃料量。

2.3 膨脹期

在膨脹期間氣缸工質質量不變，當然要比壓縮器的供油量要打，膨脹期間的λ與燃燒終了時的值相等，也可應用計算壓縮期的公式。

圖3　壓力和溫度隨曲軸轉角變化圖

2.4 換氣階段

在換氣階段，式（4）成為：

在已知條件進氣管內壓力ps、溫度Ts、排氣管門后壓力pT等發動機相關結構和運轉參數的條件下，根據以上微分方程式，可求解氣缸內氣體的狀態變化。圖3示出按上述方法對一臺中速柴油機的計算結果，計算所得：

排氣平均溫度TTm應用以下公式計：

式中QωK——氣缸蓋排氣道和排氣管散走的熱量。

2.5 進、排氣系統內過程的計算

在應用容積法時，管道系統僅通過兩個參數，即容積VT和節流閥（如廢氣渦輪，消聲器或空氣濾清器，化油器等）μTfT來定義。以排氣系統為例說明。

在氣門重疊階段，排氣管中的Tλ的變化微不足道，式（26）中右邊方括號中的最后一項可以略去。 最后還要狀態方程式：

利用上述公式即可計算進、排氣管系統內的波動壓力。

3、程序設計模擬與計算

3.1 原始參數及結果曲線

型式：直列、水冷、四沖程、直噴式；缸徑/mm：110；行程/mm：130；排量/L：4.94；

標定功率/kw：22；標定功率轉速/r·min-1：1500；標定工況燃油消耗率(g/Kw.h)：231；標定工況燃油消耗率（g/kw.h）：2.71（磨合后2.04）經計算，其中： 排量V=4.94L

基于C語言的模擬曲線圖：

圖4

3.2 模擬結果分析

根據C語言進行程序匯編得出壓力和溫度隨曲軸轉角曲線關系，所得的模擬計算結果與實際情況較為吻合，轉角在400°左右溫度達到最大值，約2100°C，轉角在375°左右壓力達到最大值80bar，說明了本文所用的計算參數和方法是較正確的。不僅如此，本篇所采用的用C語言模擬的方法可以預測發動機的多樣性能，并且用這種方法可以進行其他一些參數的設計和性能優化。

4、總結

本文就是用C語言進行匯編柴油機各個工作過程與氣缸內實際工作過程的計算結合運，建立微分方程，再與理論值相對比，觀察是否吻合，從而得出結論。

本文所用公式求解柴油機模擬工作工程的各項參數，方法較為合理和簡單，計算精度也較高。

本文所用公式可以運用于各類柴油機的模擬計算。

5、展望

本文從建立柴油機工作過程的模型到氣缸實際的工作計算公式的運用，再用C語言進行程序匯編，但是仍有一些不足之處：沒能夠充分考慮每個參數變量隨時間變化的影響。

還可以進一步地將模擬和優化分析未充分考慮增壓發動機的匹配計算。鑒于以上幾點，可以看出本文用的方法仍有瑕疵和不足，建模方法多樣，且本文的方法仍需要改進。

參考文獻

[1] 翁祖亮，平銀生（上海內燃機研究所）.從日益嚴重的能源和環境問題談我國中小功率柴油機的發展[C].中國內燃機學會中小功率柴油機分會與基礎分會論文.2002.

[2] 萬江.柴油轎車為何受青睞--關于柴油發動機發展的探討[N].北京青年報.2001.09.05

[3] 邵治家.6106柴油機工作過程的數值模擬及優化[D].

[4] 蔣德明.內燃機原理第二版[M].機械工業出版社.1988:372-382.

[5] 辛穎,呂安勤,韓江.N6160ZC型柴油機工作過程模擬計算與優化[J].大連海事大學學報,2004,30(3)：73-76

[6] 袁洪印,吳明,關偉,吳巍.6110柴油機工作過程模擬計算[J].吉林農業大學學報.1996,18(2):69-71.

[7] 吳樹勇,祝國彬，張淑珍.Z12V190B型高速四沖程柴油機工作過程的優化[J].石油礦機械.2003,32(3)25-27.

[8] 袁兆成.內燃機設計[M].北京：機械工業出版社,2008.

[9] 簧曉明等.工程熱力學[M].武漢:華中科技大學出版社,2011.

[10] 陸際清.汽車發動機設計[M].北京:清華大學出版社,1990.

[11] 陳家瑞.汽車構造[M].北京:人民交通出版社,2004.

[12] 嚴傳俊等.燃燒學(第2版)[M].西安:西北工業大學出版社,2008.

Operating Process Simulating Calculation And Analysis Of Diesel Engine

Zheng Luomin
( School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 330070 )

Abstract：Engine is the heart of a car, the efficiency of engine affects vehicle’s dynamics and fuel economy directly.While the diesel engine based on its high torque,high compression ratio and efficient fuel economy widely applied in middle and light size tracks.for the purpose of learning better about the diesel engine’s work projects, operating process simulating calculation and analysis of diesel become very important.With simulating diesel engine’s process ,we can get the convert during the every strokes.Then,we can control the injection timing to develop the diesel’s efficiency.From the establishment of the physical model of the system will change and energy parameters of the working fluid state conservation law, the combination of conservation of mass, combined with C language computer program, to obtain the parameters of each cylinder variation, leading to the conclusion.

Keywords:diesel engine; Simulation; module; C language

作者簡介：鄭羅敏，就讀于武漢理工大學，研究方向：發動機排放控制。

中圖分類號：U467.2

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-87-04