船用二冲程低速柴油机扫排气量计算方法

摘要

本发明公开了一种船用二冲程低速柴油机扫排气量计算方法，本发明通过应用数学模型实时计算柴油机的扫气流量、排烟流量和换气过程不同阶段排出到排烟集箱中的气体量；通过利用理想气体状态方程，并结合配气相位计算出单循环中自由排气排出的废气量、扫气过程的进排气量和后排气过程的排气量；根据船用二冲程低速柴油机的气缸数和转速进而得出扫气流量和排烟流量。本发明可快速、准确的预测扫气流量和排气流量，通用性强，为分析柴油机工作状态、提高柴油机性能提供了可靠的数据支持。

说明书

技术领域

本发明属于工程热力学技术领域，尤其涉及一种船用二冲程低速柴油机扫排气量计 算方法，用于计算船用二冲程低速柴油机的扫气量和排烟量。

背景技术

船用二冲程低速柴油机扫排气流量巨大，难以直接测量，但是换气质量直接影响排 烟温度、排烟损失，对柴油机性能有直接的重大影响。因而快速、准确的计算扫气量、 排烟量进而分析优化换气过程至关重要。

由于船用二冲程低速柴油机换气过程的重要性，国内外非常重视换气过程的研究。 经多年研究，换气过程理论包括“完全混合”、“完全清扫”、“分层扫气”等模型。 “完全混合”和“完全清扫”模型由于把换气状态理想化完全混合或完全排出废气，计 算简单、迅速，但是精度不够。“分层扫气”模型计算比较准确，但是计算复杂、计算 量大，不满足工程实时显示的要求。上海交通大学顾宏中教授九十年代提出了“浓排气” 模型，“浓排气”模型计算迅速、简单准确，应用广泛。但是“浓排气”模型难以满足 不同型号柴油机，通用性不强，在工程上应用受到限制。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于船用二冲程低速柴油机转速等数 据的船用二冲程低速柴油机扫排气量计算方法，该方法能快速准确的计算出不同负荷下 换气过程的扫气量和排烟量，通用性强，为分析柴油机工作状态、保证优良性能提供可 靠的数据。

本发明思路为：根据船用二冲程柴油机换气过程的自由排气过程、扫气过程和后排 气过程三个阶段结合配气相位角、柴油机工作负荷分别计算不同阶段的进排气量。三个 阶段的进排气量之和为单循环的进排气总量，除以相应的单循环所需时间乘以缸数就得 到相应的扫气量和排烟量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种船用二冲程低速柴油机扫排气量计算方法，包括步骤：

步骤1，模拟自由排气过程，本步骤进一步包括子步骤：

1.1 以压缩始点扫气集箱的压力为压缩始点气缸内压力，根据压缩始点的曲轴 转角计算压缩始点气缸工作容积，根据压缩始点扫气集箱中新鲜空气温度T_i获得压 缩始点气缸内气体温度基于理想气体状态方程计算压缩始点 气缸内气体质量m₁；

1.2 根据压缩始点气缸内气体质量m₁获得膨胀终点气缸内气体质量m₂；

1.3 以自由排气过程结束时排烟集箱的压力为自由排气过程结束时的气缸内压力， 根据自由排气过程结束时对应的曲轴转角计算气缸工作容积，根据膨胀终点气缸内气体 的热力学参数和自由排气过程结束时气缸内压力计算自由排气过程结束时气缸内气体 温度，基于理想气体状态方程计算自由排气过程结束时气缸内气体质量m₃；

1.4 基于质量守恒定律获得自由排气过程废气排出质量m_bld-out＝m₂-m₃；

步骤2，模拟扫气过程，本步骤进一步包括子步骤：

2.1 以扫气过程结束时扫气集箱的压力为扫气过程结束时的气缸内压力，根据 扫气过程结束时的曲轴转角计算扫气过程结束时气缸工作容积，根据扫气过程结束 时扫气集箱中新鲜空气温度T_i获得扫气过程结束时气缸内气体温度 基于理想气体状态方程计算扫气过程结束时气缸内气体质量 m₄；

2.2 基于质量守恒定律获得扫气过程结束时气缸内废气质量m₅＝m₄-m₄·η、留在气 缸内新鲜空气质量m₆＝m₄·η和滑移气体量m₇＝m₄·η·s，其中，η表示扫气效率，为经 验值；s为滑移系数，s＝1.14-0.75·f，f表示主机负荷；

2.3 基于质量守恒定律获得扫气过程排出到排气管的气体总量m₈＝m₇+m₃-m₅；

步骤3，后排气过程模拟，具体为：

根据压缩始点气缸内气体质量m₁和扫气过程结束时气缸内气体质量m₄获得后排气 过程排出到排烟总管中的气体量m₉＝m₄-m₁；

步骤4，柴油机扫排气量计算，本步骤进一步包括子步骤：

4.1 基于质量守恒定律获得柴油机单缸单循环扫气总量m_in＝m₆+m₇；

4.2 基于质量守恒定律获得柴油机单缸单循环排气总量，即排烟量 m_out＝m_bld-out+m₈+m₉；

4.3 将各进排气量和排烟量分别除以单循环时间并乘以气缸数，即获得对应的进排 气流量和排烟流量。

步骤1.1中所述的压缩始点气缸内气体质量m₁＝P₁·V₁/(R·T₁)，其中，P₁为压缩始点 气缸内压力，V₁为压缩始点气缸工作容积，R为空气气体常数，T₁为压缩始点气缸内气 体温度。

步骤1.2中所述的膨胀终点气缸内气体质量m₂＝m₁+m_f，其中，m₁为压缩始点气 缸内气体质量；m_f为单缸单循环燃烧消耗的燃油量。

步骤1.3中所述的自由排气过程结束时气缸内气体质量m₃＝P₃·V₃/(R_e·T₃)，其中， P₃为自由排气过程结束时气缸内压力，V₃为自由排气过程结束时气缸工作容积，R_e为 标准烟气的气体常数；T₃为自由排气过程结束时气缸内气体温度，T₂为膨胀终点气缸内气体温度，P₂为膨胀终点气缸内压力，P₃为自由排气过程结束时气缸 内压力，n为多变膨胀指数。

步骤2.1中所述的扫气过程结束时气缸内气体质量m₄＝P₄·V₄/(R·T₄)，其中，P₄为 扫气过程结束时气缸内压力，V₄为扫气过程结束时气缸工作容积，R为空气气体常数； T₄为扫气过程结束时气缸内气体温度。

步骤1.1、1.3和2.1中所述的气缸工作容积根据对应时刻的曲轴转角计算获得， 具体为：

其中，D为气缸内径；S为活塞冲程；ε为几何压缩比，为柴油机基本参数；λ为 连杆曲柄比；为对应时刻的曲轴转角，根据配气相位图计算，以曲柄在上止点时，即 时开始计算。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

可快速、准确的预测扫气流量和排烟流量，通用性强，为分析柴油机换气过程 质量提供了时间与数据支持。换气过程的质量直接影响柴油机的动力性、经济性、 可靠性及排气污染，因此，本发明为进一步提高柴油机性能提供了可靠的数据支持。

附图说明

图1为本发明方法具体流程图；

图2为某船用二冲程低速柴油机的配气相位图。

具体实施方式

下面对本发明方法进行详细说明，下文中不特别注明情况下，气体质量均为单缸单 循环的气体质量。

船用二冲程低速柴油机换气过程包括自由排气过程、扫气过程和后排气过程三个换 气阶段，换气过程配气相位示意图见图2。不同时刻柴油机的工作容积对计算非常重要， 不同曲轴转角下柴油机气缸工作容积V如下：

式(1)中，D为气缸内径；S为活塞冲程；ε为几何压缩比，为柴油机基本参数； λ为连杆曲柄比；为曲轴转角，单位：弧度，根据配气相位图计算，以曲柄在上止点 时，即时开始计算。

1、自由排气过程模拟

换气完成时刻气缸内压力近似于扫气集箱的压力，压缩始点即排气阀关闭前瞬间气 缸内气体质量m₁为：

m₁＝P₁·V₁/(R·T₁)     (2)

式(2)中，P₁为压缩始点气缸内压力，因与扫气集箱的压力差别不大，采用扫气 集箱的压力，扫气集箱的压力可以采用直接测量或看柴油机说明书获得；V₁为压缩始点 时气缸工作容积，将排气阀关闭时曲轴转角带入式(1)即可计算获得；R为空气气体 常数；T₁为压缩始点气缸内气体温度，单位：开尔文，可采用经验公式获得，如下：

$T_1=313+\frac{5}{6}(T_i-273)---\left(3\right)$

式(3)中，T_i为扫气集箱中新鲜空气温度，可直接测量获得。

膨胀终点时，即排气阀打开前瞬间气缸内气体质量m₂为：

m₂＝m₁+m_f       (4)

式(4)中，m₁为压缩始点气缸内气体质量；m_f为单缸一个循环燃烧消耗的燃油量， 可根据柴油机基本参数计算获得。

排气阀打开后至扫气口打开，即自由排气过程。自由排气过程中，气缸内压力略大 于排烟集箱的压力，排气过程近似于背压为排烟集箱的压力的等压膨胀过程，由于气缸 内扫气口打开时气缸内压力略大于排烟集箱的压力，差别比较小，近似用排烟集箱的压 力代替扫气口打开时气缸内压力。则扫气口打开前瞬间，即自由排气过程结束时气缸内 气体质量m₃为：

m₃＝P₃·V₃/(R_e·T₃)       (5)

式(5)中参数均为扫气口打开前瞬间的状态参数，其中，P₃取排烟集箱的压力， 可直接测量或查看柴油机说明书获得；V₃为扫气口打开前瞬间气缸工作容积，将扫气口 打开前瞬间的曲轴转角带入式(1)即可计算获得；R_e为标准烟气的气体常数；T₃为扫 气口打开前瞬间气缸内气体温度，可采用公式(6)获得：

$T_3=T_2·{\left(\frac{P_3}{P_2}\right)}^{(n-1)/n}---\left(6\right)$

式(6)中，T₂为排气阀打开前瞬间气缸内气体温度，即膨胀终点气缸内气体温度， 该温度可直接测量或通过计算获得；P₂为膨胀终点压力，该温度可直接测量或通过计算 获得；n为多变膨胀指数，略小于绝热指数，取值1.3～1.4。

则自由排气过程气缸排出废气的质量m_bld-out为：

m_bld-out＝m₂-m₃         (7)

2、扫气过程模拟

扫气过程结束时，即扫气口关闭时气缸内气体质量m₄通过公式(2)计算，即：

m₄＝P₄·V₄/(R·T₄)       (8)

式(8)中，P₄为扫气过程结束时气缸内压力，取扫气集箱的压力值，扫气集箱的 压力值可直接测量或查看柴油机说明书获得；V₄为扫气过程结束时气缸工作容积，将扫 气结束时曲轴转角带入式(1)即可计算获得；R为空气气体常数；T₄为扫气结束时气 缸内气体温度，取经验公式(3)计算。

则扫气过程结束气缸内废气质量m₅为：

m₅＝m₄-m₄·η       (9)

式(9)中，η为扫气效率，扫气效率经过大量数据分析获得，本发明中，针对不 同型号柴油机、在不同负荷时均取定值0.9。

扫气过程结束时留在气缸内的新鲜空气质量m₆为：

m₆＝m₄·η       (10)

扫气过程流经扫气口直接排出到扫气箱的新鲜空气量，即滑移气体量m₇为：

m₇＝m₆·s＝m₄·η·s        (11)

式(11)中，s为滑移系数，为扫气口关闭时流入排烟集箱的新鲜空气量与留在气 缸内的新鲜空气量比值，随负荷变化规律的经验公式如下：

s＝1.14-0.75·f      (12)

公式(12)中f表示主机负荷，一般取0.3～1。

则扫气过程排出到排气管的气体总量m₈为：

m₈＝m₇+m₃-m₅      (13)

3、后排气过程模拟

后排气过程排出到排烟总管中的气体量m₉为：

m₉＝m₄-m₁       (14)

总结上述换气过程的自由排气过程、扫气过程和后排气过程，可获得船用二冲程柴 油机单缸一个循环扫气总量m_in为：

m_in＝m₆+m₇＝m₄·η+m₄·η·s      (15)

船用二冲程柴油机单缸一个循环排气总量，即排烟量m_out为：

m_out＝m_bld-out+m₈+m₉＝m_in+m_f      (16)

m_bld-out、m₈、m₉、m_in、m_f分别除以一个循环所用时间并乘以柴油机缸数，即将 m_bld-out、m₈、m₉、m_in、m_f分别乘以(60/r)·l，即可得到自由排气流量、扫气过程排 烟流量、后排气过程排烟流量、扫气总流量和排烟总流量，其中r为柴油机转速，l为 缸数。

综合上述分析，可得到柴油机扫气流量如下：

${\stackrel{·}{m}}_{\mathrm{in}}=m_{\mathrm{in}}·60/r·l=(m_6+m_7)·60/r·l=(m_4·\eta +m_4·\eta ·s)·60/r·l---\left(17\right)$

柴油机排烟总流量如下：

${\stackrel{·}{m}}_{\mathrm{out}}=m_{\mathrm{out}}·60/r·l=(m_{\mathrm{bld}-\mathrm{out}}+m_8+m_9)·60/r·l=(m_{\mathrm{in}}+m_f)·60/r·l---\left(18\right)$

下面结合实例进一步说明本发明。

基于质量守恒定律并结合换气过程的配气相位构建换气过程数学模型，所述的换气 过程数学模型进一步包括自由排气过程数学模型、扫气过程数学模型和后排气过程数学 模型；然后输入或采集基本参数，即可获得柴油扫排气量的模拟结果，所述的基本参数 包括大气温度、压力、扫气集箱的压力、扫气集箱温度、排烟集箱温度、排烟集箱的压 力等压力和温度基本参数。

下面将以MANB&W公司5S60MC-C8.2机型100％负荷为验证实例，其配气相位 见图2。该柴油机气缸内径D＝0.6m；活塞冲程S＝2m；几何压缩比ε＝21.1；连杆曲柄比 λ＝0.488；单缸一个循环燃烧消耗的燃油量m_f＝0.35kg；负荷f＝1；P₁为压缩始点气缸 内压力，近似等于扫气集箱的压力，而扫气集箱的压力为0.43MPa，因而P₁＝0.43MPa； 扫气集箱温度T_i＝311.2K；排烟集箱中的压力为0.40MPa，因而P₃＝0.40MPa；P₂＝1.04 MPa；T₂＝952.4K；多变膨胀指数n取1.34；空气气体常数R＝287J/kg·K；标准烟气的气 体常数R_e＝295J/kg·K。将本发明计算结果与柴油机说明书给出的实际运行参数值比较， 见表1，通过表1可以看出，本发明计算的扫气流量和排烟流量误差均小于5％，验证 了本发明的正确性，且精度较高。

表1 本发明计算结果及与实际运行数据对比