四冲程柴油机换气过程的热力参数计算方法

摘要

本发明公开了一种四冲程柴油机换气过程的热力参数计算方法，本发明基于柴油机系统的进气量等于气缸进气量与扫气量之和，以及与配气相位角排气阀门关闭时刻和进气阀关闭时刻气缸内进气容积，构建了四冲程柴油机进气过程柴油机系统进气量计算模型；利用四冲程排气过程特点，同时依据排气阀门开启时刻、进气阀门开启时刻的排气量，构建四冲程柴油机各排气过程结束时排气管热力参数计算模型；采用构建的模型即可获得柴油机换气过程的热力参数。本发明简单，实用性强，精确度高，与实际热力参数误差在3％以内。

说明书

技术领域

本发明属于柴油机性能的热力过程仿真技术领域，尤其涉及一种四冲程柴油机换气 过程的热力参数计算方法。

背景技术

柴油机换气过程的研究主要包括试验法和计算机数值模拟法。试验法是利用相关测 试技术在模拟和试验机上进行研究，是理论研究的前提和基础。但单一的试验法，由于 其表面化数据的局限性，已难以满足研究需求。目前数值模拟法中采用的计算模型大致 可分为容积法模型(Filling and Emptying method)、平均值模型(Mean Value Modeling)、 线性化模型(linearized modeling)、准稳态模型(Quasi-steady modeling)等。“容积法 模型”是四冲程柴油机换气过程常用的分析方法，主要基于缸内质量和内能的关于曲轴 转角的微分方程的求解，对发动机详细的实验分析是非常有用的，其分析结果丰富、细 致和准确，但是需要高性能的计算机、较大的计算空间、较长的计算时间和大量的参数 拟合。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明以四冲程柴油机进排气过程中换气特点为依据， 提供了一种可实现快速预测的四冲程柴油机换气过程的热力参数计算方法，为四冲程柴 油机性能参数校核提供理论依据。

本发明根据四冲程柴油机换气过程特点，以配气相位角为依托，提出了一种计算四 重程柴油机换气过程中包括系统进气量、缸内进气量、扫气量、自由排气量、强制排气 量、扫气滑移空气量、以及各过程温度和气缸排烟温度等热力性能参数的方法，以实现 换气过程热力性能参数的快速预算和校核。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

四冲程柴油机换气过程的热力参数计算方法，包括步骤：

构建进气过程中柴油机系统进气量计算模型，见公式(1)～(7)：

m_in＝m_ind+m_sc  (1)

$m_{\mathrm{ind}}=i·\frac{P_c}{R_c·T_c}·{\eta }_{\mathrm{fill}}·\frac{N·V_s}{k}---\left(2\right)$

$m_{\mathrm{sc}}=i·\frac{P_c}{R_c·T_c}·A_{\mathrm{sc},\mathrm{eff}}·\sqrt{R_c·T_c}·\psi \left({\pi }_{\mathrm{sc}}\right)---\left(3\right)$

${\eta }_{\mathrm{fill}}=\frac{V_{\mathrm{IC}}-V_{\mathrm{EC}}}{V_S}·\frac{1}{1+{ϵ}_{\mathrm{INL}}·(\frac{T_{\mathrm{INL}}}{T_c}-1)}---\left(4\right)$

$A_{\mathrm{sc},\mathrm{eff}}=\frac{1}{\sqrt{{\left(\frac{1}{A_{\mathrm{in}}}\right)}^2+{\left(\frac{1}{A_{\mathrm{out}}}\right)}^2}}{\eta }_{\mathrm{sc},\mathrm{eff}}---\left(5\right)$

$\psi \left({\pi }_{\mathrm{sc}}\right)=\sqrt{2}·\sqrt{1-\frac{1}{{\pi }_{\mathrm{sc}}}}---\left(6\right)$

π_sc＝P_c/P_d  (7)

其中，m_ind为进气过程中气缸进气量，m_in为进气过程中柴油机系统进气量，m_sc为 柴油机扫气过程扫气量；i为柴油机系统气缸数；下标c表示进气过程中进气管状态，R_c表示进气管内气体常数，T_c为进气管内冷却介质温度，P_c为进气管压力；N为柴油机转 速，V_S为柴油机气缸有效工作容积，k为冲程系数，对于四冲程柴油机，k＝2；η_fill为 柴油机进气过程充气系数，V_IC为气缸进气阀关闭时气缸有效容积，V_EC为气缸排气阀关 闭时气缸有效容积，ε_INL为气缸头部热交换系数，T_INL为中冷器出口空气温度；A_sc,eff为 扫气有效面积，A_in和A_out分别为气缸进气阀门和排气阀门的面积，η_sc,eff为扫气效率； Ψ(π_sc)为无量纲压比，P_d为进气过程中排气管压力；

采集进气管和排气管的气体状态参数，将进气管和排气管的气体状态参数以及 柴油机机体几何参数输入柴油机系统进气量计算模型，即可获得柴油机系统进气 量、气缸进气量和扫气量。

本发明方法还包括排气过程的热力参数计算，包括：

(1)自由排气过程结束时排气管热力参数的计算，具体步骤如下：

构建自由排气过程结束时的排气管热力参数计算模型，见公式(8)～(10)：

$T_{\mathrm{bld}}=T_6(\frac{1}{\gamma }+\frac{\gamma -1}{\gamma }·\frac{P_d}{P_6})---\left(8\right)$

$T_{\mathrm{bld}-\mathrm{out}}=T_6{\left(\frac{P_d}{P_6}\right)}^{\frac{\gamma -1}{\gamma }}---\left(9\right)$

$m_{\mathrm{bld}-\mathrm{out}}=m_6-\frac{P_d·V_{\mathrm{EO}}}{R·T_{\mathrm{bld}-\mathrm{out}}}·\frac{N}{k}---\left(10\right)$

其中，T_bld、T_bld-out、m_bld-out分别为自由排气过程的起点温度、终点温度和自由排气 量；T₆、P₆、m₆分别表示排气阀门打开前气缸内废气的温度、压力和质量；γ为自由 排气过程的烟气绝热指数，P_d为自由排气过程结束时排气总管压力，R为排气管废气气 体常数，V_EO为气缸排气阀打开时气缸工作容积；N为柴油机转速，k为冲程系数，对 于四冲程柴油机，k＝2；

采集排气阀门打开前气缸内气体状态参数及排气管气体状态参数，将采集参数及柴 油机机体几何参数输入自由排气过程结束时的排气管热力参数计算模型，即可获得自由 排气过程的起点温度、终点温度和自由排气量。

(2)强制排气过程结束时排气管的热力参数，具体步骤如下：

构建强制排气过程结束时的排气管热力参数计算模型，见公式(11)～(13)：

$m_{\mathrm{sc}\left(0\right)}=\frac{P_d·V_{\mathrm{IO}}}{R·T_{\mathrm{bld}-\mathrm{out}}}·\frac{N}{k}---\left(11\right)$

m_exp＝m₆-m_bld-out-m_sc(0)(12)

$T_{\exp }=\frac{m_6·T_{\mathrm{bld}}-m_{\mathrm{sc}\left(0\right)}·T_{\mathrm{bld}-\mathrm{out}}}{m_6-m_{\mathrm{sc}\left(0\right)}}---\left(13\right)$

其中，T_exp和m_exp分别为强制排气过程的终点温度和强制排气量，m_sc(0)为扫气过程 起始的废气量；m₆为进气阀门打开前气缸内废气的质量，T_bld和T_bld-out分别为自由排气 过程的起点温度和终点温度；P_d为强制排气过程结束时排气总管压力，V_IO为进气阀门 开启时(即强制排气过程结束时)气缸内工作容积，R为强制排气过程结束时排气管废 气气体常数；N为柴油机转速，k为冲程系数，对于四冲程柴油机，k＝2；

采集排气管气体状态参数，将自由排气过程的起点温度和终点温度、排气管气体状 态参数以及柴油机机体几何参数输入强制排气过程结束时的排气管热力参数计算模型， 获得强制排气过程的终点温度和强制排气量以及扫气过程起始的废气量。

(3)计算扫气过程结束后排气管的热力参数，具体步骤如下：

构建扫气过程结束时的排气管热力参数计算模型，见公式(14)～(16)：

m_sc-out＝s·m_sc  (14)

m_out＝m_in+m_f＝m_bld-out+m_exp+m_sc(0)-m_res+m_sc-out  (15)

$T_d=\frac{c_{p,\mathrm{exh}}·(m_{\exp }+m_{\mathrm{bld}-\mathrm{out}})·T_{\exp }+m_{\mathrm{sc}-\mathrm{out}}·c_{p,\mathrm{sc}-\mathrm{out}}{T}_{\mathrm{sc}-\mathrm{out}}}{c_{p,d}{m}_{\mathrm{out}}}---\left(16\right)$

其中，m_sc-out为扫气过程滑移出去的空气量，m_out为扫气过程结束时排气总管废气 量，T_d为扫气过程结束时排气总管废气温度；m_sc为扫气过程扫气量，s为扫气过程滑 移系数；m_in为进气过程中气缸进气量，m_f为燃油消耗量；m_bld-out为自由排气过程的自 由排气量，m_exp为强制排气过程的强制排气量，m_sc(0)为扫气过程起始的废气量；m_res为 强制排气过程结束时气缸内残余的废气量，c_p,sc-out为扫气过程烟气平均比热，c_p,exh为自 由排气过程和强制排气过程烟气平均比热，c_p,d为换气过程烟气平均比热；T_exp为强制排 气过程的终点温度，即强制排气过程结束时排气管中烟气温度；T_sc-out为扫气过程起点 温度，即气缸进气温度；

将自由排气过程结束时和强制排气过程结束时的排气管热力参数计算模型、以及柴 油机系统进气量计算模型的计算结果输入扫气过程结束时的排气管热力参数计算模型， 获得扫气过程滑移出去的空气量、以及扫气过程结束时排气总管的废气量和废气温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、基于柴油机系统的进气量m_in等于气缸内进气量m_ind与扫气量m_sc之和，以及与配 气相位角排气阀门关闭时刻(EC)和进气阀关闭时刻(IC)的气缸进气容积，提出了四 冲程柴油机气缸内进气量与扫气量的计算方法，该方法避免了实际进气求解的高复杂 度，同时引入充气系数调整进气量的计算，可以在进气过程求解复杂度与求解精度两方 向获得很好的折中。

2、利用四冲程排气过程(自由排气、强制排气、扫气过程)的特点，同时依据排 气阀门开启时刻(EO)、进气阀门开启时刻(IO)的排气量，以此提出了四冲程柴油 机排气各过程排气量、排气温度及排烟温度的计算方法，该方法简单，实用性强，获得 的排气参数与实际排烟参数误差在3％以内，可为柴油机换气过程排烟性能参数校核提 供理论依据和计算方法。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为四冲程柴油机进气过程质量流量关系图；

图3为四冲程柴油机排气过程质量流量关系图。

具体实施方式

柴油机的换气过程包括进气过程和排气过程，因此，本发明方法包括进气过程柴油 机系统进气量m_in的计算和排气过程热力参数的计算。

1、进气过程柴油机系统进气量m_in的计算过程

进气过程中，柴油机系统的总进气量m_in等于气缸进气量m_ind与扫气量m_sc之和，由 此进气量m_in的计算见公式(1)～(2)：

$m_{\mathrm{ind}}=i·\frac{P_c}{P_c·T_c}·{\eta }_{\mathrm{fill}}·\frac{N·V_s}{k}---\left(1\right)$

$m_{\mathrm{sc}}=i·\frac{P_c}{R_c·T_c}·A_{\mathrm{sc},\mathrm{eff}}·\sqrt{R_c·T_c}·\psi \left({\pi }_{\mathrm{sc}}\right)---\left(2\right)$

式(1)～(2)中：

m_ind为进气过程中气缸进气量，单位：kg/s；

m_in为柴油机系统的总进气量，单位：kg/s；

m_sc为柴油机扫气过程总扫气量，单位：kg/s；

i为柴油机系统气缸数；

下标c表示进气过程中进气管状态，R_c表示进气管内气体常数，即进气管内气体比 热容，一般取287J/kg·K；T_c为进气管内冷却介质温度，约353～473K；P_c为进气管压力；

N为柴油机转速，单位：r/s；

V_S为柴油机气缸有效工作容积，单位：m³，V_S＝L_S×A_B,L_S为气缸活塞行程，A_B为 气缸截面积；

k为冲程系数，对于四冲程柴油机，k＝2；

η_fill为柴油机进气过程充气系数，其范围为0.7～0.85， V_IC为气缸进气阀关闭时气缸有效容积，V_EC为气缸排 气阀关闭时气缸有效容积；ε_INL为气缸头部热交换系数，在0.05～0.2范围内取值，使充 气系数在0.7～0.85范围内，常取值0.167；T_INL为中冷器出口空气温度；

A_sc,eff为扫气有效面积，单位：m²，A_in和A_out分别 为气缸进气阀门和排气阀门的面积，η_sc,eff为扫气效率，取值范围为0.5～0.75，常取值0.6；

Ψ(π_sc)为无量纲压比，π_sc＝P_c/P_d，P_c为进气管进气压力， P_d为进气过程排气管压力。

在进气管参数及柴油机机体几何参数已知的前提下，通过公式(1)和(2)可获得 四冲程柴油机进气过程气缸进气量，以此来计算不同工况下，柴油机进气过程的性能参 数。

2、排气过程热力参数的计算过程

柴油机排气过程包括自由排气过程、强制排气过程和扫气过程，排气过程中柴油机 系统的排气总量m_out等于进气过程柴油机系统进气量m_in与燃油消耗量m_f之和。

(1)自由排气过程结束时排气管热力参数的计算。

柴油机在膨胀做功过程结束后，排气阀门打开，柴油机系统进行自由排气过程，自 由排气过程的起点温度T_bld、终点温度T_bld-out、自由排气量m_bld-out的计算如下：

$T_{\mathrm{bld}}=T_6(\frac{1}{\gamma }+\frac{\gamma -1}{\gamma }·\frac{P_d}{P_6})---\left(3\right)$

$T_{\mathrm{bld}-\mathrm{out}}=T_6{\left(\frac{P_d}{P_6}\right)}^{\frac{\gamma -1}{\gamma }}---\left(4\right)$

$m_{\mathrm{bld}-\mathrm{out}}=m_6-\frac{P_d·V_{\mathrm{EO}}}{R·T_{\mathrm{bld}-\mathrm{out}}}·\frac{N}{k}---\left(5\right)$

式(3)～(5)中：

下标6表示排气阀门打开前(即膨胀做功结束后)气缸内废气状态，T₆、P₆、m₆分 别表示排气阀门打开前气缸内废气的温度、压力和质量；

γ为自由排气过程的烟气绝热指数，常取1.334；

P_d为自由排气过程结束时排气总管压力，单位：MPa；

R为自由排气过程结束时排气管废气气体常数，即排气管内废气比热容，常取 295J/kg·K；

V_EO为气缸排气阀开启时(即自由排气过程起始)气缸工作容积，单位：m²；

N为柴油机转速，单位：r/s；

k为冲程系数，对于四冲程柴油机，k＝2。

(2)计算强制排气过程结束时排气管的热力参数。

自由排气过程结束后，柴油机气缸内活塞上行，在进气阀门打开前柴油机系统进行 强制排气过程，强制排气过程的终点温度T_exp、强制排气量m_exp及扫气过程起始的废气 量m_sc(0)计算公式如下：

$m_{\mathrm{sc}\left(0\right)}=\frac{P_d·V_{\mathrm{IO}}}{R·T_{\mathrm{bld}-\mathrm{out}}}·\frac{N}{k}---\left(6\right)$

m_exp＝m₆-m_bld-out-m_sc(0)(7)

$T_{\exp }=\frac{m_6·T_{\mathrm{bld}}-m_{\mathrm{sc}\left(0\right)}·T_{\mathrm{bld}-\mathrm{out}}}{m_6-m_{\mathrm{sc}\left(0\right)}}---\left(8\right)$

式(6)～(8)中：

m₆为进气阀门打开前气缸内废气的质量，单位：kg/s；

T_bld和T_bld-out分别为自由排气过程的起点温度和终点温度，单位：K；

P_d为强制排气过程结束时排气总管压力，单位：MPa；

V_IO为进气阀门开启时(即强制排气过程结束时)气缸内工作容积，单位：m²。

R为强制排气过程结束时排气管废气气体常数，常取295J/kg·K；

N为柴油机转速，单位：r/s；

k为冲程系数，对于四冲程柴油机，k＝2。

(3)计算扫气过程结束后排气管的热力参数。

强制排气过程结束后，柴油机系统在排气阀门关闭前进行扫气过程，扫气过程结束 后，扫气过程滑移出去的空气量m_sc-out、排气总管废气量m_out、排气总管废气温度T_d计 算公式如下：

m_sc-out＝s·m_sc  (9)

m_out＝m_in+m_f＝m_bld-out+m_exp+m_sc(0)-m_res+m_sc-out  (10)

$T_d=\frac{c_{\exp }·m_{\exp }·T_{\exp }+m_{\mathrm{sc}-\mathrm{out}}·c_{p,\mathrm{sc}-\mathrm{out}}{T}_{\mathrm{sc}-\mathrm{out}}}{m_{\mathrm{out}}}---\left(11\right)$

式(9)～(11)中：

m_sc为扫气量，根据公式(2)计算获得；

s为扫气过程滑移系数，即扫气过程中未进入气缸的气体质量与扫气总质量的比值， 一般为0.6～0.9；

m_in为进气过程中气缸进气量，；

m_f为燃油消耗量；

m_bld-out为自由排气过程的自由排气量，根据公式(5)计算获得；

m_exp为强制排气过程的强制排气量，根据公式(7)计算获得；

m_sc(0)为扫气过程起始的废气量，根据公式(6)计算获得；

m_res为强制排气过程结束时气缸内残余的废气量，单位：kg/s；

c_p,sc-out为扫气过程烟气平均比热，其值约1.08，单位：kJ/kg·k；

c_p,exh为自由排气和强制排气过程烟气平均比热，其值约1.11，单位：kJ/kg·k；

c_p,d为换气全过程烟气平均比热，其值约1.10，单位：kJ/kg·k；

T_exp为强制排气过程的终点温度，根据公式(8)计算获得；

T_sc-out为扫气起点温度(即气缸进气温度)。

在排气过程前气缸内状态参数(即，排气阀门打开前气缸内废弃的温度T₆、压力P₆和质量m₆)已知的前提下，利用公式(3)～(11)计算四冲程柴油机排气过程的性能 参数。

下面结合附图及实例对本发明详细说明。

见图1，本实施例具体步骤如下：

a、建立四冲程柴油机换气过程进气模型、排气模型，以质量守恒定律、能量守恒 定律、气体稳态方程等为依据，进行模型的细化方法，见公式(1)～(11)。

b、以进气管气体状态参数、进排气阀关闭角度及柴油机机体几何参数为依据，进 行柴油机进气过程缸内进气量、扫气量的计算；

c、利用四冲程排气过程(自由排气、强制排气、扫气过程)的特点，同时依据排 气阀门开启时刻(EO)、进气阀门开启时刻(IO)、能量守恒定律、质量混合定律、 废气混合特点，进行排气各过程排气量、排气温度、及排烟温度的计算；

d、利用已有的柴油机实际运行工况数据，进行模型计算数据的校核，以及参数的 修订。

以四冲程柴油机MAN 7L16/24(1200RPM)为例，具体计算步骤如下：

柴油机进气过程质量流量关系模型见图2，进气管气体状态参数P_c＝0.3532MPa、 T_c＝316.15K，气缸数i＝7，柴油机转速N＝20r/s，气缸缸径d＝0.16m，气缸行程L_s＝0.24m， 进气阀门直径d_in＝0.025m，排气阀门直径d_out＝0.027m，气缸进气阀关闭角度IC＝205℃A， 排气阀关闭角度EC＝60℃A，进气阀开启角度IO＝150℃A，排气阀开启角度EO＝130℃A。 由此确定，该四冲程柴油机在额定工况下，η_fill＝0.82，η_sc,eff＝0.42，m_ind＝1.0413kg/s， m_sc＝0.437kg/s。另外，进气过程不同工况下计算结果及与实际工况运行数据误差分析 见表1。

柴油机排气过程质量流量关系模型见图3，自由排气前，缸内的气体状态参数为 P₆＝1.0606MPa、T₆＝965.5K、m₆＝1.177kg/s，排气管的气体状态参数为P_d＝0.332MPa，由 此确定，该四冲程柴油机在额定工况下，T_bld＝858.6K，T_bld-out＝723.0K，m_bld-out＝0.67kg/s， m_sc(0)＝0.36kg/s，m_exp＝0.15kg/s，T_exp＝811.6K，T_d＝782.6K，m_out＝1.512kg/s。另外，排气 过程不同工况下计算结果及与实际工况运行数据误差分析见表1。

表1实施例中四冲程柴油机换气过程模型值与实际工况运行值对比表

工况点(单位：％) 100 90 80 70 60 50 柴油机系统空气进气量(计算值)(单位：kg/h) 5322 4767 4244 3727 3220 2728 柴油机系统空气进气量(实际值)(单位：kg/h) 5300 4715 4207 3824 3312 2808 误差(单位：％) 0.42 1.10 0.88 2.54 2.78 2.85 柴油机系统排烟量(计算值)(单位：kg/h) 5443 4896 4359 3828 3307 2802 柴油机系统排烟量(实际值)(单位：kg/h) 5500 5000 4421 3905 3392 2886 误差(单位：％) 1.04 2.08 1.40 1.97 2.51 2.91 柴油机系统排烟温度(计算值)(单位：K) 783 775 767 751 733 710 柴油机系统排烟温度(实际值)(单位：K) 768 758 748 732 712 692 误差(单位：％) 1.90 2.24 2.54 2.60 2.95 2.60

以上所述，仅为本型柴油机算法的具体实施方式，并非用于限定本发明的保护范围， 凡在本发明的原则和方法之内，所做的任何修改，等同替换、改进等，均应在本发明的 保护范围之内。