發(fā)動機缸內(nèi)工作過程計算

1、發(fā)動機工作過程數(shù)值計算作業(yè)缸內(nèi)封閉過程數(shù)值計算學 院：汽車學院專 業(yè)：動力機械及工程姓 名：滑海寧學 號：2012122056教 師：張春化二一三年五月氣缸封閉過程的數(shù)值計算發(fā)動機缸內(nèi)工作過程的數(shù)值計算，是以內(nèi)燃機缸內(nèi)各工作階段的物理模型為基礎， 通過微分方程來對其各階段工作過程進行數(shù)學描述， 然后通過程序編寫求解微分方程， 得到缸內(nèi)溫度、壓力等參數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。一、 基本熱力學模型圖1 發(fā)動機缸內(nèi)熱力系統(tǒng)在簡化假設的基礎上，取氣缸為一個熱力學系統(tǒng)，如圖1所示。這個熱力系統(tǒng)包括了質(zhì)量交換項， 如排氣 dmA，進氣 dmE，噴入氣缸內(nèi)瞬時燃料質(zhì)量 dmB ； 與能量交換項，如焓變， 功，

2、 燃燒放熱等。 圖中 T 、P 、V、 m 及 u 分別為缸內(nèi)瞬時氣體溫度、壓力、體積、燃料質(zhì)量及比內(nèi)能。二、 簡化假設1.假定工質(zhì)為理想混合氣體；2.假定缸內(nèi)各處溫度、壓力及混合氣濃度均勻；3.用純空氣的氣體常數(shù)代替混合氣氣體常數(shù)；4.假定掃氣完全，即不考慮殘余廢氣；5.不計漏氣損失，并假定只有在燃燒始點才有燃油噴入氣缸；6.按代用燃燒規(guī)律進行噴油，并認為著火延遲等于零；7.假定放熱率為100%。三、 基本方程1、氣體狀態(tài)方程PV=mRT2、壓縮期()能量方程：（p）質(zhì)量方程：03、燃燒期()能量方程：（pum）質(zhì)量方程：4、膨脹期()能量方程：（p）質(zhì)量方程：0四、 其他計算公式1、氣缸瞬

3、時工作容積：=式中：-氣缸行程容積 VL-發(fā)動機排量-壓縮比-曲柄連桿比-活塞行程-氣缸直徑2、氣缸容積隨曲軸轉(zhuǎn)角變化率：3、單位曲軸轉(zhuǎn)角的傳熱量：式中：-活塞-氣缸蓋-氣缸套-傳熱表面積 ；-傳熱表面平均溫度；-換熱面平均的瞬時傳熱系數(shù)利用Woschni公式：式中：-活塞行程容積 -氣體速度系數(shù) 壓縮、膨脹階段 換氣階段 -燃燒室形狀系數(shù)，直噴式燃燒室=3.24X10-3-活塞平均速度，計算得6.9m/s、分別為壓縮始點的氣缸壓力、容積、溫度。分別取值為102kPa, 0.89L, 375K-發(fā)動機倒拖時的氣缸壓力,取為100kPa4、代用放熱規(guī)律：累積放熱量：瞬時放熱率：式中：-燃燒效率,

4、取為100%-燃料低熱值，取為42500kJ/kg -燃燒品質(zhì)指數(shù),取為1.0-燃燒持續(xù)角，取為80°CA-循環(huán)噴油量,為3.5421X10-6kg-燃燒始點的曲軸轉(zhuǎn)角，為338°CA5、工質(zhì)內(nèi)能：u=u(,T ） 式中：-瞬時過量空氣系數(shù)1）壓縮階段，取。2)燃燒階段：3)膨脹階段： =const 式中：-理論空氣量，取14.3kg/kg -噴入燃料量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化函數(shù) -每循環(huán)噴油量6、等容比熱：7、比內(nèi)能對過量空氣系數(shù)的偏導 8、燃燒期混合氣的質(zhì)量：mH=mL+mB 五、 龍格庫塔法的計算步驟 已知 ，步驟一：步驟二：步驟三：步驟四：步驟五：步驟六：步驟七：步驟八：

5、步驟九：步驟十：步驟十一： 步驟十二：步驟十三：六、 發(fā)動機基本參數(shù)發(fā)動機形式：四沖程、直噴、水冷、單缸柴油機 發(fā)動機型號：ZH105W壓縮比：16.5排量：=0.96L活塞行程：s115mm缸徑：D105mm循環(huán)噴油量：3.5421X10-5kg燃燒持續(xù)角：80°CA曲柄半徑和連桿長度比 0.3噴油提前角：配氣相位： 進氣提前（上止點前）12°CA 進氣遲后（下止點后）38°CA 排氣提前（下止點前）55°CA 排氣遲后（上止點后）12°CA七、 程序框圖定義自定義函數(shù)“ysgc”，并存成m文件開始結(jié)束定義自定義函數(shù)“rsgc”，并存成m文件

6、定義自定義函數(shù)“pzgc”，并存成m文件調(diào)用自定義函數(shù)“ysgc”，并利用龍格-庫塔法解微分方程調(diào)用自定義函數(shù)“rsgc”，并利用龍格-庫塔法解微分方程輸出壓縮過程fai，T輸出燃燒過程fai，T調(diào)用自定義函數(shù)“pzgc”，并利用龍格-庫塔法解c微分方程輸出膨脹過程fai，T繪制V-fai曲線、T-fai曲線、P-fai曲線八、 源程序（matlab）1、 壓縮過程自定義ysgc函數(shù)并生成m文件，源程序如下：function f=ysgc(fai,T)P1=102000;%壓縮始點氣缸內(nèi)氣體壓力，單位paV1=0.00089;%壓縮始點氣缸內(nèi)氣體體積(計算得)，單位m3T1=375;%壓縮始點

7、氣缸內(nèi)氣體的溫度（計算得），單位KR=8.314;%氣體常數(shù)，單位J/mol.kML=29;%空氣摩爾質(zhì)量，單位g/molnL=P1*V1/R/T1;%空氣摩爾量，單位molmL=nL*ML;%壓縮始點氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量，單位glmd=10000;%過量空氣系數(shù)D=0.105;%氣缸直徑，單位mc1=2.29;%氣體速度系數(shù)cm=6.9;%活塞平均速度（計算得），單位m/sc2=3.24*10-3;%燃燒室形狀系數(shù)Vh=0.96/16.5*15.5/1000;%行程容積，單位m3P0=100*103;%發(fā)動機倒拖時的氣缸壓力,單位paksai=16.5;%壓縮比lmds=0.3;%曲柄連桿比V=V

8、h/2*(2/(ksai-1)+1-cos(fai)+1/lmds*(1-sqrt(1-lmds2*sin(fai)*sin(fai);%氣缸瞬時工作容積，單位m3A1=pi*D2/4;%活塞傳熱表面積，單位m2A2=1.5*A1;%氣缸蓋傳熱表面積，單位m2A3=4*V/D;%氣缸套傳熱表面積，單位m2Tw1=560;%活塞表面的平均溫度，單位KTw2=548;%氣缸蓋表面的平均溫度，單位KTw3=548;%氣缸套表面的平均溫度，單位Kn=1800;%發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，單位r/minP=nL*R*T/V;%氣缸內(nèi)氣體瞬時壓力，單位padQw_dfai=1/6/n*ref*(A1*(Tw1-T)+

9、A2*(Tw2-T)+A3*(Tw3-T);%單位曲軸轉(zhuǎn)角的傳熱量，單位KJcv=0.14455*(-3*(0.0975+0.0485/lmd0.75)*(T-273)2*10(-6)+2*(7.768+3.36/lmd0.8)*(T-273)*10(-4)+(489.6+46.4/lmd0.98)*10(-2);%定容比熱，單位KJ/Kg.KdV_dfai=Vh/2*(sin(fai)+lmds*sin(fai)*cos(fai)/(sqrt(1-lmds2*sin(fai)*sin(fai);%氣缸容積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率f=1000/mL/cv*(dQw_dfai-P/1000* dV_d

10、fai);調(diào)用ysgc函數(shù)并用龍格庫塔法法解微分方程，源程序如下：fai,T=ode45('ysgc',(180+38)/180*pi:5/180*pi:(360-22)/180*pi,375)2、燃燒過程自定義rsgc函數(shù)并生成m文件，源程序如下：function f=rsgc(fai,T)P1=102000;%壓縮始點氣缸內(nèi)氣體壓力，單位paV1=0.00089;%壓縮始點氣缸內(nèi)氣體體積，單位m3T1=375;%壓縮始點氣缸內(nèi)氣體的溫度，單位KD=0.105;%氣缸直徑，單位mR=8.314;%氣體常數(shù)，單位J/mol.kML=29;%空氣摩爾質(zhì)量，單位g/molnL=P1

11、*V1/R/T1;%空氣摩爾量，單位molmL=nL*ML;%壓縮始點氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量，單位gc1=2.29;%氣體速度系數(shù)cm=6.9;%活塞平均速度，單位m/sc2=3.24*10-3;%燃燒室形狀系數(shù)Vh=15.5*0.96/16.5/1000;%行程容積，單位m3yinu=1;%燃燒效率m=1;%燃燒品質(zhì)指數(shù)L0=14.3;%柴油理論空燃比mB0=0.03542;%每循環(huán)噴油量，單位gHu=42500;%燃料低熱值，單位KJ/Kgfaivb=(360-22)/180*pi;%噴油始點對應的曲軸轉(zhuǎn)角drfai=80/180*pi;%燃燒持續(xù)角ksai=16.5;%壓縮比lmds=0.3;%

12、曲柄連桿比V=Vh/2*(2/(ksai-1)+1-cos(fai)+1/lmds*(1-sqrt(1-lmds2*sin(fai)*sin(fai);%氣缸瞬時工作容積，單位m3QB=yinu*mB0/1000*Hu*(1-exp(-6.908*(fai-faivb)/drfai)(m+1);%累積放熱量，單位KJdQB_dfai=6.908*yinu*mB0/1000*Hu/drfai*(m+1)*(fai-faivb)/drfai)(m+1)*exp(-6.908*(fai-faivb)/drfai)(m+1);%單位曲軸轉(zhuǎn)角對應的放熱量mB=QB/Hu;%曲軸轉(zhuǎn)角對應fai的時刻,噴入

13、氣缸燃料的累積質(zhì)量，單位Kglmd=mL/1000/(mB+0.0000000001)/L0;%過量空氣系數(shù)mH=mL/1000+mB;%曲軸轉(zhuǎn)角對應fai的時刻,氣缸內(nèi)混合氣的質(zhì)量，單位Kgcv=0.14455*(-3*(0.0975+0.0485/lmd0.75)*(T-273)2*10(-6)+2*(7.768+3.36/lmd0.8)*(T-273)*10(-4)+(489.6+46.4/lmd0.98)*10(-2);%定容比熱，單位KJ/kg.KdV_dfai=Vh/2*(sin(fai)+lmds*sin(fai)*cos(fai)/(sqrt(1-lmds2*sin(fai)*

14、sin(fai);%氣缸容積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率,單位m3A1=pi*D2/4;%活塞傳熱表面積，單位m2A2=1.5*A1;%氣缸蓋傳熱表面積，單位m2A3=4*V/D;%氣缸套傳熱表面積，單位m2Tw1=600;%活塞表面的平均溫度，單位KTw2=548;%氣缸蓋表面的平均溫度，單位KTw3=548;%氣缸套表面的平均溫度，單位Kn=1800;%發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，單位r/minP0=100*103;%發(fā)動機倒拖時的氣缸壓力,單位paP=mH*1000/29*R*T/V;%氣缸內(nèi)氣體瞬時壓力，單位padQw_dfai=1/6/n*ref*(A1*(Tw1-T)+A2*(Tw2-T)+A3*(Tw3

15、-T);%單位曲軸轉(zhuǎn)角的傳熱量，單位KJdmH_dfai=1/Hu*dQB_dfai;%氣缸內(nèi)氣體隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率,單位Kgu=0.14455*(-1*(0.0975+0.0485/lmd0.75)*(T-273)3*10(-6)+(7.768+3.36/lmd0.8)*(T-273)2*10(-4)+(489.6+46.4/lmd0.93)*(T-273)*10(-2)+1356.8);%比內(nèi)能，單位KJ/Kgzdu_zdlmd=0.14455*(0.75*0.0485*lmd(-1.75)*(T-273)3*10(-6)-0.8*3.36*lmd(-1.8)*(T-273)2*10(-4

16、)-0.93*46.4*lmd(-1.93)*(T-273)*10(-2);dlmd_dfai=-mL/1000/L0/(mB+0.0000000001)2/Hu*dQB_dfai;f=1/mH/cv*(dQB_dfai+dQw_dfai-P/1000*dV_dfai-u*dmH_dfai-mH*zdu_zdlmd*dlmd_dfai);調(diào)用rsgc函數(shù)并用龍格庫塔法解微分方程，源程序如下：fai,T=ode45('rsgc',(360-22)/180*pi:1/180*pi:(360-22+80)/180*pi,843)3、膨脹過程自定義pzgc函數(shù)并生成m文件，源程序如下：

17、function f=pzgc(fai,T)P1=102000;%壓縮始點氣缸內(nèi)氣體壓力，單位paV1=0.00089;%壓縮始點氣缸內(nèi)氣體體積，單位m3T1=375;%壓縮始點氣缸內(nèi)氣體的溫度，單位KR=8.314;%氣體常數(shù)，單位J/mol.kML=29;%空氣摩爾質(zhì)量，單位g/molnL=P1*V1/R/T1;%空氣摩爾量，單位molmL=nL*ML;%壓縮始點氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量，單位gmB0=3.5421*10(-5);%每循環(huán)噴油量，單位KgL0=14.3;%理論空燃比lmd=mL/1000/L0/mB0;%過量空氣系數(shù)D=0.105;%氣缸直徑，單位mc1=2.29;%氣體速度系數(shù)cm

18、=6.9;%活塞平均速度，單位m/sc2=3.24*10-3;%燃燒室形狀系數(shù)S=0.115;%活塞行程，單位mVh=pi*D2*S/4;%行程容積，單位m3P0=100*103;%發(fā)動機倒拖時的氣缸壓力,單位paksai=16.5;%壓縮比lmds=0.3;%曲柄連桿比V=Vh/2*(2/(ksai-1)+1-cos(fai)+1/lmds*(1-sqrt(1-lmds2*sin(fai)*sin(fai);%氣缸瞬時工作容積，單位m3A1=pi*D2/4;%活塞傳熱表面積，單位m2A2=1.5*A1;%氣缸蓋傳熱表面積，單位m2A3=4*V/D;%氣缸套傳熱表面積，單位m2Tw1=560;

19、%活塞表面的平均溫度，單位KTw2=548;%氣缸蓋表面的平均溫度，單位KTw3=548;%氣缸套表面的平均溫度，單位Kn=1800;%發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，單位r/minP=(mL+1000*mB0)/29*R*T/V;%氣缸內(nèi)氣體瞬時壓力，單位padQw_dfai=1/6/n*ref*(A1*(Tw1-T)+A2*(Tw2-T)+A3*(Tw3-T);%單位曲軸轉(zhuǎn)角的傳熱量cv=0.14455*(-3*(0.0975+0.0485/lmd0.75)*(T-273)2*10(-6)+2*(7.768+3.36/lmd0.8)*(T-273)*10(-4)+(489.6+46.4/lmd0.98)*1

20、0(-2);%定容比熱dV_dfai=Vh/2*(sin(fai)+lmds*sin(fai)*cos(fai)/(sqrt(1-lmds2*sin(fai)*sin(fai);%氣缸容積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率f=1/(mL/1000+mB0)/cv*(dQw_dfai-P* dV_dfai);調(diào)用pzgc函數(shù)并用龍格庫塔法解微分方程，源程序如下：fai,T=ode45('pzgc',(360-22+80)/180*pi:5/180*pi:(540-55)/180*pi,997)九、 程序運行結(jié)果1、 壓縮過程表1 壓縮過程運行數(shù)據(jù)結(jié)果faiV（L）T（K）P（bar）faiV（L

21、）T（K）P（bar）3.800.89375.001.024.940.47479.002.453.890.87378.301.055.030.43495.832.783.980.85382.131.095.110.39514.833.184.070.82386.531.145.200.35536.303.704.150.80391.561.195.290.31560.614.354.240.77397.271.255.380.27588.165.194.330.74403.741.335.460.24619.396.294.420.70411.061.415.550.20654.807.754

22、.500.67419.301.525.640.17694.839.684.590.63428.591.645.720.15739.7912.284.680.59439.051.795.810.12789.5915.754.760.55450.821.975.900.10843.3420.304.850.51464.072.18注：瞬時容積V、缸內(nèi)氣體瞬時P是用excel表格計算得到2、燃燒過程表2 燃燒過程運行數(shù)據(jù)結(jié)果faiV（L）T（K）P（bar）faiV（L）T（K）P（bar）5.900.1006843.3420.306.610.09001268.6057.245.920.096985

23、4.1021.356.630.09331266.8056.265.930.0933865.3022.456.650.09691264.3055.265.950.0899876.7023.616.670.10061261.3054.225.970.0867888.4024.836.680.10441257.8053.165.990.0837900.5026.126.700.10841253.7052.086.000.0808913.0027.476.720.11261249.1051.006.020.0781925.8028.896.740.11691244.1049.916.040.07569

24、39.2030.386.750.12141238.6048.836.060.0732953.0031.946.770.12601232.8047.756.070.0710967.2033.576.790.13071226.6046.686.090.0689981.9035.276.810.13561220.0045.616.110.0671996.9037.026.820.14071213.2044.576.130.06541012.3038.836.840.14581206.1043.546.140.06391027.9040.686.860.15111198.7042.536.160.06

25、261043.7042.566.880.15661191.1041.536.180.06141059.6044.456.890.16221183.3040.566.200.06041075.5046.346.910.16791175.4039.626.210.05961091.2048.216.930.17371167.3038.696.230.05901106.8050.046.950.17971159.1037.796.250.05861122.0051.816.960.18571150.8036.916.270.05831136.8053.496.980.19191142.4036.05

26、6.280.05821151.1055.087.000.19821134.0035.226.300.05831164.8056.547.020.20461125.6034.426.320.05861177.8057.867.030.21121117.1033.636.340.05901190.0059.047.050.21781108.7032.886.350.05961201.5060.057.070.22451100.2032.146.370.06041212.1060.907.090.23131091.8031.446.390.06141221.8061.577.100.23821083

27、.5030.756.410.06261230.6062.067.120.24521075.2030.096.420.06391238.5062.407.140.25241066.9029.446.440.06541245.5062.557.160.25951058.8028.826.460.06711251.6062.567.170.26681050.8028.226.480.06891256.8062.417.190.27421042.8027.646.490.07101261.1062.137.210.28161034.9027.086.510.07321264.5061.717.230.28911027.2026.546.530.07561267.1061.197.240.29661019.6026.036.550.07811268.9060.557.260.30421012.10