柴油机工作过程的模拟计算与分析

郑罗敏

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 330070）



柴油机工作过程的模拟计算与分析

郑罗敏

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 330070）

摘 要：发动机是汽车的心脏，发动机效率的高低直接影响汽车的动力性和燃油经济性。而其中柴油机又以转矩大、压缩比高、燃油经济性好等优点广泛运用于中、轻型货车。为了更好掌握柴油机的工作过程，柴油机的工作过程的模拟和分析也越发重要。通过柴油机燃烧过程的模拟能更清楚了解进、排气系统在四个工作行程中能量的转换从而通过合理的进排气门控制、喷油正时等提高其柴油机的效率。文章从建立系统物理模型，将工质状态参数的变化与能量守恒定律、质量守恒定相结合，结合C语言编制计算机程序，得到各缸参数变化规律,从而得出结论。

关键词：柴油机；模拟计算；模型；C语言

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

柴油机因其高热效率、良好的适应性和高功率而被大量地应用与农业、工业、载运交通、国防科技等多方面领域，对国民经济的发展起着非常重要的促进作用。但是柴油机也有许多不足之处：例如工作载荷大，要求较高的结构强度和刚度，加工要求高，等。对柴油机工作过程进行模拟和分析，用来指导其设计和优化，不但大大降低了研究成本和有害物的排放，减缓了环境恶化，还可改善诊断技术和优化设计等技术问题。

本文对发动机燃烧过程模拟计算进行阐述，根据编写模拟C语言程序，对给定发动机进行相关模拟计算分析，得出所得压力、温度等在柴油机工作过程随时间变化的关系。

1、柴油机实际工作过程的数值计算

1.1 建立微分方程

本文以四冲程直接喷射式柴油机气缸为典型例子，分析气缸内实际工作过程的计算方法。取气缸作为一个热力系统进行考察研究，气缸系统的边界由活塞顶、气缸盖和气缸套壁面所组成，如图2-1。根据气缸内气体成分状态的变化，如压力p、温度t、质量m等，再结合能量守恒方程、质量守恒方程及状态方程联系起来。作如下的简化假定:

图1　气缸内工作计算简图

忽略气缸内个点的压力、温度和浓度的差异，建立单区计算模型，认为工质是理想气体。气体流入或流出气缸只考虑温度波动的影响；忽略进气系统内部压力和温度波动的影响。图1所示的系统，由热力学第一定律，得出：

式中m——工质质量；u——工质比内能；QB——燃烧放出的热量；Qw——由系统边界传入（出）的热量；W——作用在活塞上的机械功；ms——通过进气门流入气缸的质量；me——通过排气阀流出气缸的质量；hs和h——分别为进气阀前和气缸内气体的比焓。dmshs——在dφ期间，单位质量dms所带入气缸的能量。dmsh——在dφ期间，单位质量dme流出气缸时所失去能量。

现规定：进入系统的能量，质量为正值；流出系统的能量，质量为负值，以正负号带入数值计算，而不用先在公式上标明。由此，机械工的公式为：

联立（1）、（2）、（3）整理后得到气缸温度对曲轴转角φ的微分方程：

通过系统边界的质量有：喷入气缸的瞬时燃料质量mB、流入气缸的气体质量ms以及流出气缸的气体质量me，由前文所规定，质量平衡的微分方程可写为：

1.1.1 气缸工作容积

由活塞连杆机构运动学，可建立活塞位移的计算公式：

式中S——活塞行程；λS——曲柄连杆比。依据活塞位的移即可计算气缸的瞬时容积。

式中VC——压缩容积；将（7）带入式（8）中，得到：

1.1.2 传热计算公式

气缸中的炙热气体通过活塞顶面F1、气缸盖底面F2及气缸套的瞬时传热面F3进行热量传递，其中F1、F2固定不变，穿热门F3则随曲轴转角变化。为了方便计算，通常将整个传热门分为活塞、气缸盖及气缸套三个部分，用着三部分传热门的平均壁温及按位置平均的瞬时传热系数进行传热量的计算，其计算公式为：

式中Fi——传热表面积；Tiω——传热表面的平均温度；i=1活塞；i=2气缸盖；i=3气缸套；ag——根据传热面平均的瞬时传热系数。传热计算的准确性关键在于传热系数ag的计算公式，迄今为止，提出的ag计算公式不下十多个。

1.1.3 燃烧放热规律

式中gb——每循环喷油量； Qb——每循环燃料燃烧的放热量；mb——某瞬时已燃烧的燃料质量；——燃烧效率，对于柴油机进行稳定运行计算，可取

简化模拟工作过程，计算模型的选取取决于计算的母和和计算的精度，对一般的性能预测和柴油的匹配计算，采用代用燃烧规律（或称当量燃烧规律）也就行了。我们经常使用的代用燃料函数式韦伯的半经验公式，其形式是：

图2　燃烧品质指数m对燃烧百分比xm值得大小影响放热曲线的形状

1.1.4 工质内能变化的计算

可用于工质内能变化计算的经验公式很多，下面列出的是Justi公式：

2、气缸内实际工作过程的计算

应用上述（4）、（5）、（6）即可对柴油机气缸内的工作过程进行计算。计算一般从压缩始点开始，压缩、燃烧和膨胀这三部分称为高压阶段(图1)，从排气门打开到进气门打开为止为排气期，以及延续到排气门关闭迭开期，接着是延续到进气门关闭的吸气期，着三个时期称为工质更换阶段，下面将分别讨论这六个时期的计算方法。

2.1 压缩期

因为气缸内的工质成分不变，也没有化学反应发生，因此式（4）中的

在已知m和λ的情况下，再加上状态方程式，就可求解出压缩过程中气缸内气体状态的变化。

2.2 燃烧期

燃烧期间气缸内工质质量由于喷油燃烧而发生变化，由式（5）有：

式中mB0——缸内换气过程结束后，残余废气中也已燃烧过的相应燃料量。

2.3 膨胀期

在膨胀期间气缸工质质量不变，当然要比压缩器的供油量要打，膨胀期间的λ与燃烧终了时的值相等，也可应用计算压缩期的公式。

图3　压力和温度随曲轴转角变化图

2.4 换气阶段

在换气阶段，式（4）成为：

在已知条件进气管内压力ps、温度Ts、排气管门后压力pT等发动机相关结构和运转参数的条件下，根据以上微分方程式，可求解气缸内气体的状态变化。图3示出按上述方法对一台中速柴油机的计算结果，计算所得：

排气平均温度TTm应用以下公式计：

式中QωK——气缸盖排气道和排气管散走的热量。

2.5 进、排气系统内过程的计算

在应用容积法时，管道系统仅通过两个参数，即容积VT和节流阀（如废气涡轮，消声器或空气滤清器，化油器等）μTfT来定义。以排气系统为例说明。

在气门重叠阶段，排气管中的Tλ的变化微不足道，式（26）中右边方括号中的最后一项可以略去。 最后还要状态方程式：

利用上述公式即可计算进、排气管系统内的波动压力。

3、程序设计模拟与计算

3.1 原始参数及结果曲线

型式：直列、水冷、四冲程、直喷式；缸径/mm：110；行程/mm：130；排量/L：4.94；

标定功率/kw：22；标定功率转速/r·min-1：1500；标定工况燃油消耗率(g/Kw.h)：231；标定工况燃油消耗率（g/kw.h）：2.71（磨合后2.04）经计算，其中： 排量V=4.94L

基于C语言的模拟曲线图：

图4

3.2 模拟结果分析

根据C语言进行程序汇编得出压力和温度随曲轴转角曲线关系，所得的模拟计算结果与实际情况较为吻合，转角在400°左右温度达到最大值，约2100°C，转角在375°左右压力达到最大值80bar，说明了本文所用的计算参数和方法是较正确的。不仅如此，本篇所采用的用C语言模拟的方法可以预测发动机的多样性能，并且用这种方法可以进行其他一些参数的设计和性能优化。

4、总结

本文就是用C语言进行汇编柴油机各个工作过程与气缸内实际工作过程的计算结合运，建立微分方程，再与理论值相对比，观察是否吻合，从而得出结论。

本文所用公式求解柴油机模拟工作工程的各项参数，方法较为合理和简单，计算精度也较高。

本文所用公式可以运用于各类柴油机的模拟计算。

5、展望

本文从建立柴油机工作过程的模型到气缸实际的工作计算公式的运用，再用C语言进行程序汇编，但是仍有一些不足之处：没能够充分考虑每个参数变量随时间变化的影响。

还可以进一步地将模拟和优化分析未充分考虑增压发动机的匹配计算。鉴于以上几点，可以看出本文用的方法仍有瑕疵和不足，建模方法多样，且本文的方法仍需要改进。

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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

作者简介：郑罗敏，就读于武汉理工大学，研究方向：发动机排放控制。

中图分类号：U467.2

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)03-87-04