《柴油机涡轮机增压技术(第2版)》教学课件 第五章

2. 计算步骤
（1）缸内压缩过程计算
暂时假定压缩初期缸内压力、温度、气体成分和质量，按 每一微小时间间隔（一般取1°～2°CA）计算压缩过程， 直到喷油开始；然后求出滞燃期，进行滞燃期期间的压缩过 程计算。
（2）燃烧过程计算
在每一微小时间间隔，利用燃烧放热模型进行计算。由于 此时压力和温度变化较大，时间间隔应取得更小一些［一般 取0.5°～1°CA］。
g f －单缸循环供油量（kg）；
l0 －化学计量比，即1kg燃油理论上完全燃烧所需的空气量，
l0 ＝14.3kg／kg；
xk －某瞬时气缸内已燃的燃油量占循环供油量的份数
燃烧过程中
排气过程中
x －燃烧到某一瞬时已燃烧掉的循环喷油量的份数；
me －从排气门排出的排气量 。
混合气体的摩尔定容热容的计算（内插法） 经验公式：
平均摩尔定容热容 瞬时摩尔定容热容
混合气体其他参数
等熵指数 相对分子质量
气体常数
5．3 缸内热力过程计算
能量守恒方程 质量守恒方程 状态方程
联立求解
缸内状态三个基本参量 （m，p，T）
能量守恒方程
质量守恒方程 状态方程
hd和he－分别为从进气门和排气门流过气体的比焓； Qf－燃料燃烧的热量； Qw－冷却介质带走的热量；Vz为此瞬时的气缸容积； me －进气门流入质量；
➢ 系统和系统之间通过热量与质量的传递相互联系。
（1）气缸
➢ 假定柴油机气缸中每一瞬时气体的压力、温度和成分均匀; ➢ 作为一个热力系统。
➢ 模型：完全混合扫气模型：用于四冲程柴油机、二冲程柴油机
分层扫气模型：用于二冲程柴油机的强制扫气阶段。 注意：此时应划分为两个热力系统，即扫气气流区域和废气区域， 两系统压力平衡，温度和成分不同。
（3）膨胀过程计算 在每一微小时间间隔，从燃烧终点至排气开始。
（4）排气过程计算
暂时假定排气初期排气管内气体的压力、温度、成分和质 量，在每一微小时间间隔同时进行三个方面的计算：缸内过 程、排气管状态和涡轮作功。
（5）扫气过程计算
暂时假定进气管内的压力和温度，并保持为常数。按每一 微小时间间隔进行四个方面的计算：进气、缸内、排气和涡 轮作功。由于此时气缸余隙容积较小，且缸内气体的成分变 化较大，为了计算稳定，间隔应取得更小一些（一般取 0．25°～0．5°CA）。
三、 计算结果
1）缸内压力、温度随曲轴转角的关系，即缸内P－ 图和 T－ 图。
2）排气管内压力、温度随曲轴转角的关系。
3）燃烧放热率、累积燃烧放热率、缸内压力升高率。
4）增压压力、空气流量、涡轮增压器转速、压气机效率等涡 轮增压器的工作参数。
5）柴油机的综合性能参数，如功率、油耗率、转矩、热效率、 机械效率、充量系数、过量空气系数、扫气系数、残余排气 系数、排气压力和温度等。
第五章 增压柴油机热力过程模拟计算
5.1概述
5.1.1模拟计算的意义
1）预测柴油机的性能指标 2）对柴油机和涡轮增压器的结构进行优化 3）为柴油机的可靠性校核计算提供依据 4）进行工作过程分析
5.1.2 模拟计算方法
一、热力系统的划分
➢ 系统内各个部位的气体压力、温度和成分都是均匀的， 即处于瞬时热力平衡状态；
计算
相对分子质量 M re 29.133
纯空气： 相对分子质量 M ra 28.96
表示含有两种气体成分的组成的方法
瞬时排气系数： rz
某一瞬时气缸内气体中纯燃烧产物的质量与其中纯空气 的质量之比
Mz－该瞬时气缸内气体的总质量 mN－该瞬时气缸内纯空气的质量
广义过量空气系数 az
某一瞬时气缸内存在的空气量（相当于燃烧以前的）与气缸 内气体所含有的燃烧产物所相当的燃油量理论上燃烧所需空气 量的比值。
（8）涡轮增压器的计算
累加每循环全部气缸的涡轮作功，计算压气机出口的压 力和温度。
（9）中冷器计算 计算中冷器出口亦即进气管内的压力和温度。
（10）进气管内压力的校核
用算得的进气管压力与第（5）步暂时假定值进行比较， 如不一致，代入新算得的压力和温度值，从第（1）步开始重 新进行迭代计算。
温度可仅作迭代，不作校核。
（6）进气过程计算 进行进气计算和缸内计算，直到进气门关，回到压缩始点。
（7）压缩始点缸内参数校核
用第（6）步算出的压缩始点状态与第（1）步的暂时假定 值比较（一般只比较压力），如不一致，以第（6）步算出 的压力、温度、成分和质量代入第（1）步重新进行计算， 直到结果一致。
注意：在迭代过程中，对于排气始点暂时假定的排气管内 状态，以前一次算出的计算结果代入，仅作迭代，不作校核。
➢ 不同的工作阶段采用不同的微分方程，计算顺序：压缩过程、 燃烧过程、膨胀过程、排气过程、扫气过程、进气过程。
（2）排气管
➢指从排气门到涡轮入入口的排气道、排气歧管和总管。
➢模型： 容积法 一维不定常流动法
（3）涡轮增压器
➢涡轮：做功元件。流量和做功量来自于排气管参数。
➢压气机：根据压气机流量特性曲线和每循环的涡轮做功，求得 压气机出口气体的压力、温度、流量等参数。
（4）中冷器
➢流通阻力系数和换热效率已知：
中冷器出口气体的压力和温度
➢流通阻力系数和换热效率未知：效能－传热单元数法
（5）进气管
➢一般采用容积法
➢进气谐振系统应考虑进气管内的压力波动，采用一维不定常流 动法。
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二、模拟计算的方法步骤
1. 已知条件
（1）柴油机的各种结构参数 缸径、行程、气缸数、配气相位、 气门尺寸、气门升程规律、压缩比、曲柄连杆比、排气管尺寸 等。 （2）柴油机的工作参数 柴油机转速、单缸循环供油量、供油 提前角、环境状态等。 （3）涡轮增压器的有关参数 涡轮最高效率、涡轮增压器机械 效率、压气机流量特性曲线、涡轮喷嘴环出口流通面积、涡轮 叶轮出口流通面积等。 （4）中冷器有关参数 冷却效率、流通阻力损失系数或中冷器 结构尺寸。 （5）靠经验选取的参数 进、排气门流量系数，缸壁温度，燃 烧放热模型等。
5．2 工质成分、比热容、等熵指数、相对分子质量及气体常数
混合气体平均摩 尔定容热容
cVm
等熵指数
相对分子量Mr 气体常数R
与混合气体的组成成分有关 把混合气体分成两部分计算
纯燃烧产物 纯空气
纯燃烧产物 : 燃烧过量空气系数时完全燃烧后的燃烧产物。 对于一般柴油机燃料，其成分按
C 0.87 H 0.126 O 0.004