第四讲内燃机工作过程数值计算

2.质量守恒方程 如图2-1所示，按照质量守恒原理，通过系统边界交换 的质量总和等于系统内工质质量变化，即
（2.1.7） 若忽略泄漏，则通过系统边界交换的质量为：流入气缸的 空气质量ms、流出气缸的废气质量me、喷入气缸内的瞬时 燃料质量mB。质量守恒方程表达为： （2.1.8）
5-4 多维模型
第六章 AVL BOOST介绍
6-1 BOOST简介 6-2 BOOST用户界面 6-3 BOOST计算实例（四缸涡轮增压柴油机）
6-3-1 前处理 1.建立模型 2.输入参数（模拟控制、系统边界、管道、空滤器、 中冷器、容腔、接点、涡轮增压器、气缸、测量点） 6-3-2 计算 6-3-3 后处理 1.summary.log文件——总的计算结果 2.PP2后处理器——结果处理与分析
2.FEA（有限元分析）
FEA Connecting Rod 连杆 FEA Connecting Rod Fretting Analysis 连杆磨损分析 FEA Piston 活塞 FEA Crankshaft Dynamics 曲柄动力性 FEA Main Bearing Wall 主轴承壁 FEA Head Block Compound 缸盖组件 FEA NVH/Acoustic 振动噪音/声学 FEA Air Borne Noise Analysis空气噪音分析
5．气缸子系统 将气缸盖、气缸套、活塞顶诸壁面构成的空间划分为气缸 子系统。
新鲜充量经进气系统进入气缸子系统，废气由气缸子系统 流入排气管，子系统与外界进行质量交换。气缸子系统在压缩、 膨胀作功过程中与外界进行功量交换。同时气缸子系统还与外 界发生热量交换。该子系统的计算与计算边界条件将在第二章 详细介绍。
热量
进、排气质量带入（或带出） 的能量
图2-1 气缸内工作过程计算简图
一、基本假设 气缸内热力过程计算时，为了使问题简化，作如下基本 假设： (1)气缸内工质的状态均匀，即同一瞬时气缸内各点的压 力、温度和浓度处处相等。并假定在进气期间，通过系统边 界进入气缸内的空气与气缸内的残余废气实现瞬时的完全混 合。 (2)工质为理想气体，其比热容c、内能u、焓h等参数仅与 气体温度T及气体成分αφ(瞬时过量空气系数)有关。 (3)气体流入或流出气缸的流动过程为准稳定流动过程， 即在足够小的计算步长⊿φ内视为稳定流动。
二维模型
T=T(x,y, φ)
ANSYS、 AVL-FIRE 、 STAR-CD、 FLUKE、 I-DEAS程序
活塞的应力计算、温 度场计算等
三维模型
T=T(x,y, z,φ)
几何形状复杂的零件 如气缸盖的应力计算、 温度场计算等
1-3 废气涡轮增压柴油机工作过程数值 计算中热力系统划分
在柴油机工作过程数值计算中，将废气涡轮增压柴油机 作为一个完整的系统。为了方便建立计算模型，又将这个系 统划分成若干子系统，如图1-1所示。为了简化计算，不考虑 空气滤清器子系统和消声器子系统，一般将增压柴油机热力 系统划分成下列五个子系统：废气涡轮增压器、空气中间冷 却器、进气管、排气管和气缸。 这种划分要求各子系统均有自己的边界和边界条件，各自 构成一个物理模型，且具有自己的物理特点；系统与系统之 间通过热量与质量的传递相互联系。对任一子系统的描述， 都可以把它从系统中分离出来，而赋于其外部约束，其内部 过程用相应的子模型进行数学描述。所有各子系统的数学描 述，构成了整个工作过程的数学模型。
CFD Intake Port Flow 进气道流动 CFD In-Cylinder Flow 缸内流动 CFD Mixture Formation 混合物形成 CFD Combustion Analysis 燃烧分析 CFD Intake Manifold 进气管道 CFD Exhaust Manifold 排气管道 CFD Exhaust System Flow 排气系统流动 CFD Cooling Water Jacket (incl. Boiling) 冷却水套(包含沸腾) CFD Components of Cooling Circuit 冷却循环部件 CFD Injector Flow 喷嘴流动 CFD Exhaust Gas After Treatment 排气后处理
整机设计
精确地获得 整机性能参 数
2．内燃机诊断计算及预测计算 内燃机的诊断计算是将某些实测参数值作为输入参数， 应用诊断计算程序，经计算后输出另外一些参数，并用这些 参数对内燃机进行诊断或预测。例如将试验中直接检测到的 p—φ图信号输入计算机，应用燃烧放热率程序计算后输出放 热率、滞燃期、燃烧始点、燃烧终点等参数，用这些输出参 数诊断燃烧放热过程的状况。
(4)工质进、出口处的流动动能忽略不计。
假定系统边界内同一瞬时各点热力状态、化学成分完全相 同的系统称为零维系统。上述所作的基本假设又称为零维假 设。这种把内燃机的实际工作过程假定为一个或多个零维系 统来进行数值计算的数学模型称为零维模型。
二、基本微分方程 1.能量守恒方程 如图2-1所示的系统中，能量守恒方程(热力学第一定律)可 以写成下列通用形式： （2.1.1） 写成微分形式为：
内燃机工作过程数值计算
Simulation Calculations of the Internal Combustion Engine Cycle
吕林
主要内容
第一章 绪论
1-1 概述 1-2 内燃机数值计算的数学模型 1-3 废气涡轮增压柴油机工作过程数值计算中 热力系统划分
第二章 气缸内热力过程计算
表1-2 内燃机数值计算中常见数学模型的特点
数学模型 模型实质 实用模型 （程序）举例 应用 由于求解容 易，常用于 工作过程模 拟计算 (美国)Cummins 主要用于排 模型，(日本) 气污染的预 广安-角田模型 测
假定：系统内各点的热力状态 相同、各点的化学成分相同； 单区模型 系统只随时间τ (或曲轴转角φ)而 （零维模型） 变化。 dT/d φ=f(φ,T) 将所研究的系统划分为两个相 双区模型 对独立的子区，而在每个子区 （准维模型） 内各自满足零维假设。
图1-1 废气涡轮增压柴油机热力系统划 分示意图
1．废气涡轮增压器子系统
由压气机、废气涡轮共同组成一个子系统。 这个子系统是基于下列假设条件下确立的：在这个子系统 内每一工作循环中废气涡轮输出功正好等于压气机消耗功，即 功量保持平衡；流过压气机的空气流量和流过废气涡轮的燃气 流量相等；压气机和废气涡轮转速相等，且在一个循环内转速 稳定不变。 2．空气中间冷却器子系统 增压柴油机大多数都设置有空气中间冷却器，在热力系统 划分时将中间冷却器划分为一个子系统。 中间冷却器从热力过程看实质上是一个节流、降温的换热 器件，主要是计算空气流经中间冷却器时的压力损失和计算空 气流过中间冷却器后的散热量。
（2.1.2） 通常情况，气缸内的比内能u和质量m同时发生变化，故有： （2.1.3）
由基本假设（2）有，u＝(T, αφ)。将u写成全微分的形式：
（2.1.4）
故式（2.1.3）可写成：
（2.1.5） 将式（2.1.5）带入式（2.1.2），则得到温度T对曲柄转角φ的 微分方程为：
（2.1.6）
二、内燃机数值计算的用途 内燃机设计及研制过程的各个阶段都应用数值计算，具体 来说主要应用在设计计算和诊断计算这两个方面。 1．内燃机设计计算 内燃机设计过程中，从最初的选型论证及方案论证到系 统设计、整机设计的各个阶段中都应用数值计算。由于各阶 段计算目标不同，故计算模型也不同，如表1-1所示。
第一章 绪论
1-1 概述
一、内燃机数值计算的内容 内燃机数值计算的内容包括：工作过程数值计算、工 作过程参数最优化计算、涡轮增压柴油机配合计算、燃烧 放热率计算、燃油系统计算、排气污染预测计算、结构强 度计算、轴系扭振计算、温度场计算及热应力计算等。 具体的，我们可以把它分为以下三类：
1.CFD（计算流体动力学）
2-1 气缸内热力过程的基本微分方程
2-2 气缸内各阶段的热力过程分析
2-3 气缸工作容积
2-4 气缸周壁的传热
2-5 燃烧放热率计算 2-6 进、排气流量计算 2-7 平均机械损失压力
第三章 进、排气系统热力过程计算 3-1 概述
3-2 排气管内的热力过程计算（容积法）
3-3 一维非定常流动方程 3-4 特征线法 3-5 特征线法计算的边界条件 3-6 中冷器的计算
第四章 废气涡轮增压器计算 4-1 涡轮增压器中的能量传递
4-2 压气机特性参数计算
4-3 轴流涡轮特性计算 4-4 径流涡轮特性计算 4-5 废气涡轮增压柴油机工作过程计算举例
第五章 柴油机准维燃烧模型和多维模型
5-1 柴油机准维燃烧模型问题的提出 5-2 气相喷注燃烧模型 5-3 油滴蒸发燃烧模型
内燃机性能预测计算中，如应用经验公式、半经验公式 或理论模型等，通过计算预测发动机各项性能。例如应用准 维理论模型计算燃烧过程中NOx的生成状况，预测排气污染。
1-2 内燃机数值计算的数学模型
内燃机数值计算中常见的数学模型有：单区模型、双区 模型、多区模型，一维模型、二维模型、三维模型。这些模 型的特点如表1-2所示。 上述模型目前均有实用程序可供参考和使用。不论哪种 实用模型都还是处在不断完善的过程之中，一般的做法是将 实验结果反馈到计算模型中去，用实验结果检验、修改计算 模型，进而发展新的计算模型。基于这点可以说：数值计算 和实验研究是当今内燃机研究发展的两大支柱。
第二章 气缸内热力过程计算
2-1 气缸内热力过程的基本微分方程
为了描述气缸内工质状态变化，视气缸为一个热力系统， 系统的边界由活塞顶、气缸盖及气缸套壁面组成，如图2-1所 示。系统内工质状态由压力p、温度T、质量m这三个基本参数 确定。
能量守恒方程 质量守恒方程 p、T、m
理想气体状态方程
机械功
3．进气管子系统 把从中冷器出口起至进气阀止的进气总管、进气歧管及气 缸盖进气道划分成为进气管子系统。 对进气管子系统的计算视具体要求可按如下两种方法处理： ① 若进气管总容积足够大，则近似认为进气管内压力等各参 数不随空间坐标及曲轴转角而变化，将进气管内压力、温度等 参数作为一个不变的常数处理。 ② 当进气管容积较小或由于某些特殊要求需要考虑进气管内 压力变化时，把进气管当作一个容器处理，这个容器的容积为 进气阀以前的进气管总容积。进气过程视作进气对这一容器的 充填与排空过程，这一处理方法又称为“容积法”。 4．排气管子系统 把从排气阀起至废气涡轮喷嘴环止的气缸盖排气道、排气 歧管、排气总管及涡轮进气蜗壳划分成为排气管子系统。 排气管子系统计算主要有两种方法：一种是以零维模型计 算的“容积法”，另一种是以一维模型计算的“特征线法”。 这两种方法将在第三章详细介绍。

把系统划分成多个互相独立的 多区模型 子区，每个子区内各自满足零 （多维模型） 维假设。
KIVA程序
数学模型
模型实质
实用模型 （程序）举例 AVL-BOOST 程序
应用
系统内参数除了随时τ(或 曲轴转角φ)而变化之外， 一维模型 还随一维坐标x而变化。 p=p(x, φ)
排气管压力波计算、 高压油管压力波计算
3.其他
Thermodynamic Cycle Analysis循环热动力学分析 Valve Train Analysis 阀系分析 Belt Drive Analysis 皮带驱动分析 Oil Circuit Flow 润滑油回路分析 Crankcase ventilation 曲轴箱通风 Warm-up Simulation (Thermal Network)热机模拟(热网络) Cooling System Simulation 冷却系统模拟 Vehicle Integration 整车集成
表1-1 不同设计阶段数值计算的应用 设计阶段 选型论证 计算目标 确定发动机 的基本参数 计算模型 简化计算模型 燃油系统计算、进 排气系统计算、动 力学计算、各零部 件应力计算 内燃机性能参数计 算、增压柴油机配 合计算、变工况计 算、瞬态特性计算 应用举例
系统设计
较精确地确 定各项参数
精确模型 将发动机及其 装置组成完整 系统，分别建 立各系统的微 分方程，然后 联合求解