DF4型機車柴油機工作過程熱力學計算分析

鄭明明

摘 要：為了能夠在能量分析的基礎上對柴油機的熱力性能進行分析，為提高柴油機的熱力性能提供了良好的理論依據。本文在東風4B內燃機車采用的16V240型柴油機的基礎上，建立氣缸的物理及數學模型，利用數值分析的方法先確定已知初始參數，再對微分方程進行求解，得到標定工況模擬計算結果。

關鍵詞：東風4B，16v240柴油機，數值分析

1課題來源

東風4B型內燃機車采用的16V240型內燃機體積大，質量重，油耗量大，因此在對其工作過程進行分析時，有限的時間以及經費下難以用實驗去測量不同工況不同時刻下的柴油機工作特性，因此，根據模擬燃燒工作過程來采用數值分析方法去解決實際問題從而減少實驗時間以及成本來分析，是當下更經濟快捷的研究方式。

2模型建立及基本方程

2.1工質成分及相關參數的確定

本文研究以燃燒期為例，從而忽略混合氣中純燃氣與純空氣的影響，取氣體常數R=287J/（kg.h）， λ=∞。

2.2 計算模型

建立計算模型步驟大致如下：

1. 觀察和測量研究對象。

2. 將實際復雜系統分解為幾個易于處理的子系統，建立了物理模型。

3.建立數學模型。

4. 利用所建立的模型對模型的所有物理參數進行仿真計算，并通過試驗驗證，進一步修改模型，最終達到實用目的。

注意，系統的劃分與計算模型的建立有關，而計算模型又與計算目的和任務有關。本文只重點研究氣缸部分，其他部分不作為研究對象。[2]

2.3基本方程

在計算模型中，對于每一個控制容積，能量守恒方程（熱力學第一定律均可以寫成下面的通用形式： （2-1）

對上式進行全微分有 （2-2）

（2-3）

將上述關系式代入式（2-1），忽略壓力p對比內能u和氣體常數R的影響，即可求得溫度隨曲軸轉角變化的微分方程

（2-4）

微分方程式（2-4）描述了系統內部溫度隨時間的變化規律。方程中含有許多其它的微分變量，其中包括了邊界條件，例如系統邊界上發生的熱量交換項 及質量交換項 以數值分析為基礎求解微分

方程的定解問題，得到用函數形式表示的解成為解析解，或者稱為精確解。顯然微分方程（2-5）是無法用解析法得到精確解的，只能用數值方法求解。它的基本思想是把本來求解溫度隨時間的連續變化的問題轉化為求有限個離散點上的溫度值問題。在這些離散點處的溫度值被用來近似連續的溫度變化。[3]

3標定工況氣缸內工作過程的數值分析

3.1基本微分方程

（1）能量守恒方程：在上述假設下，為了檢查氣缸的熱系統，通過系統邊界的能量交換的具體項目如下：

由質量交換產生的能量可化為：

（3-1）

（3-2） （3-3）

按照前面所作的規定，加入系統的能量為正，反之為負

（2）質量守恒方程：在對柴油機模擬計算時，將柴油機的主要結構參數，氣缸直徑D、行程S、壓縮余隙容積Vc、兩曲柄比 、氣門直徑d以及氣門升程曲線等作為已知數據輸入計算機，根據這些數據即可計算其他幾何參數。

氣缸瞬時容積為：

（3-4）

氣缸容積隨曲軸轉角的變化率為：

（3-5）

按代用燃燒規律進行噴油，并認為著火延遲等于零。也就是說噴油規律與代用燃燒規律成正比進行一系列簡化計算，因此能量方程最終變為

在燃燒期間能量方程變為：

（3-6）

3.2 燃燒放熱的分析

燃燒放熱部分比較復雜，因此本文采用韋伯放熱規律解決。

韋伯放熱函數是半經驗公式，經過一系列的簡化計算可寫成有量綱的累積放熱量和放熱規律為：

（3-6）

4計算方法及計算結果

4.1計算方法

在渦輪增壓柴油機熱力工作過程計算中，在汽缸、排氣管和進氣管中使用的方程都是一階常微分方程。常微分方程通常有同時解。通常不能用精確解來解決。因此，只能使用數值解。

本文采用Runge-Kutta方法進行計算。在整個工作循環中，步長在程序中設置為1°。

本次計算共有四個微分變量，即 ， ， ， 對（3-6）式中的每個微分變量進行化簡，代入后最終的C程序中

4.2標定工況下柴油機工作過程模擬結果

4.3計算結果與實際結果的比較

5.結論

本文對16V240JZB柴油機的熱力循環過程進行了數值模擬，對公式進行了簡化，運用數值分析的方法進行c語言編程，得出的標定工況下示功圖與試驗所得的結果接近，有較好的一致性。結果表明，所建立的物理模型和數學模型是正確的，所用的一些經驗公式與機器的特性是相當一致的。。

運用數值分析的方法對所要研究的對象進行建模后求解，可以極大地減少實驗成本，而且更高效，并且通過修改程序中的參數，可以討論逐個參數對柴油機性能的影響，為優化改進柴油機提出了便捷、科學的方法。

參考文獻：

[1]王鳳.16V240ZJE柴油機缸內燃燒過程數值模擬[D]. 大連交通大學， 2010.

[2]陳金燦，嚴子浚.有限時間熱力學理論的特征及發展中幾個重要標志[J].廈門大學學報（自然科學版）， 2001（02）232-241.