发动机计算

式中： 1 —倒流开始时刻
2 —倒流结束时刻
在 1 ~ 3 期间气缸内工质成分，即过量空气系数，保持不变 上述方分析法同样适合于计算排气倒流
2.6 代用放热规律
目的：确定边界条件
dQ
B
d
措施：采用韦伯代用放热规律 瞬时放热率
dQ
B
dQ
B
d
及累积放热百分比 X 可按下式计算
dX d ( 2 . 6 . 1)
i0 m m0 i 0 .5 p a Ta0 p T a a0
n n 0 0 .5
n0 n
0 .8
0 0
0 .6
dX dY 6 . 908 ( m 1) Y
m
令 X 0 . 999
exp(伯代用放热规律（续）
有量纲放热规律（P46，式（2.6.9） ）
dQ
B
d
6 . 908
u m B0 H u

VB ( m 1)
A d 4
流动特征值
2
四、倒流
当进气压力 p 2 p 时，就会产生气体从气缸流入进气管的特殊情况 同样当排气压力 p 3 p 时，会产生废气倒流 下面以进气倒流为例进行分析 41 页 图 2.5.5 进气倒流简图 当进气倒流时，一个具有气缸状态的气塞一层一层被推入进气管内 直至 p=p2，随后 p2>p，倒流气塞重新吸入气缸，然后吸入新鲜充量 下面介绍 m E 气塞重新全部吸入气缸内的时刻 3 的计算
2.5 进排气流量的计算
前提条件：已知p2，p3
通过进排气门的流动视为准稳定流动
则流进流出质量随曲轴转角变化率
dm
dm
E ,A
d
可按瞬时质量流量计算
E ,A
d

1

m E ,A
1 6n
m E ,A
( kg / CA )
o
( 2 . 5 . 1)
式中：ω 为发动机角速度=6n （°/s）
A A
2 p I I
A
2 p I I
加入为正，取出为负
二、气阀几何流动截面积A
气阀几何流动截面积按垂直于气阀座的截锥台 侧表面计算（图 2.5.1，以 AC 为母线的截锥台侧面积）
A Z h cos ( d h sin cos ) ( 2 .5 .7 )
dQ W d

A
dQ WZ d


A
Z
dA (T T WZ )
式中： Z —局部瞬时换热系数； T WZ —局部瞬时壁面温度 燃气侧的换热系数和内壁温度随时间、地点变化 下面我们从工程实用观点出发，对 Z ， T WZ 作简化处理 平均值进行计算分为：时间平均，位置平均
2.7 气缸周壁的传热（续）
注意：尽管韦伯 函数从汽油机均 匀混合情况下推 出，但仍适用于 中、低速柴油机 另外，单韦伯函 数不适用于高速 柴油机，此时需 要采用双韦伯函 数以及其它燃烧 函数。
表征放热特性 由第 46 页图 2.6.1，我们可以看出 m 值越小，初期放热量多，压力升高率大 m 值大，初期放热量少，放热图形重心后移，压力升高平缓 另外，转速越低， m 值越大；负荷增大， m 值也越大。 因此， m 值应根据机型、工况来选取
2.6 代用放热规律（续）
3．代用放热规律
用半经验公式或数学函数，模拟实际放热曲线。 通常从以下两方面逼近真实燃烧过程 1） （两者放热量相同）代用燃烧规律总放热量与实际的相 同 2） （两者指标基本相同）两者平均指示压力、燃油消耗率、 最高燃烧压力等指标基本相同 常用代用燃烧函数有： （1）三角形代用放热规律； （2）偏态抛物线放热规律； （3）韦伯代用放热曲线。
—每缸进或排气阀数； h —气阀瞬时升程； —阀盘锥角； d —阀座锥面内径 注意：当气阀升程大于某一数值时，此公式的计算值将不等于 实际面积，实际以 AB 为母线，而计算以 AC 为母线。 当升程继续增大时，气阀与气阀座不再构成
Z
节流影响，因此 A

4
(d
2
d0 ) ，
2
但如果实验确定 以（2.5.7）式计算的话，则不影响实际 有效流动截面积 A 的计算，计算公式不需随升程改变而改变。
1．换热系数——位置平均
循环模拟计算中通常采用按换热面位置求平均，即


Z
dA
A
式中： A —气缸周壁的传热表面积，由三部分组成 A1 —活塞顶面积； A 2 —气缸盖底面积； A 3 —缸套的瞬时传热表面积 其中， A1 ， A 2 固定不变，
A 3 随曲轴转角变化 A 3
V D
稳定传热过程中，单位面积上的热流为
q (T T W )

( T W T WK )
K
(T WK T K )
对于循环模拟计算中所关心的是工质与气缸内壁之间的换热过 程， 为此，必须研究燃气侧的换热系数及内表面温度
2.7 气缸周壁的传热（续）
工质通过气缸内壁微元面积 dA 的单位曲轴转角的传热量可写为
dQ W d

3
dQ Wi d

1
i 1

A
i 1
3
i
( T Wi T )
A 6n
i 1
2
1
3
i
i 0 . 43 p
0 . 19
exp( 4650 T )
( ms )
式中： p —ata， T—K
2.7 气缸周壁的传热
目的：确定边界条件
dQ W d
一、传热方式及传热计算
气缸周壁由气缸盖底面、活塞顶面 和气缸套的湿周表面所组成。 通过气缸周壁的传热方式为：
燃气 辐射 换热 对流 换热 导热 对流换热 内壁 外壁 冷却介质
m
二、变工况的代用放热规律
同一台发动机的燃烧规律随工况（负荷、转速）变化而变化， 三参数 m ， ， VB 也随之变化 思想：基准工况（测量）——>其它任意工况 沃西尼在中速柴油机上整理出韦伯函数在变工况时三参数 m ， ， VB 的计算公式 [ P48 式（2.6.10~2.6.12）]
2.6 代用放热规律（续）
一般确定
dQ
B
d
有下列 3 种方法：
dQ
1．分析示功图
利用现有的实测示功图进行数值分析，求出 作为已知数据，接近燃烧过程 缺点：要求有母机型，往往缺少试验数据
B
d
，
2．建立燃烧模型
从实际燃烧的物理化学过程出发，考虑 （1）燃油喷雾模型（贯穿、破碎、蒸发、卷吸） （2）化学反应机理 （3）湍流模型 缺点：计算费用较高
m E ,A
为流进或流出质量流量，kg/s
一、流量方程
理论流量 m th 按一维等熵流的流量公式计算，而实际流量 m 等于
理论流量乘以流量系数
m m th A 2 p I I ( 2 .5 .2 )
式中：A—垂直于来流方向的几何流动截面； —流量系数； A —有效流通截面； —流动函数 对于内燃机进气门处的流动均为亚音速流动（第 36 页公式 2.5.3）
1． m E 的计算 气体流出气缸，应用式（2.5.2）计算 m E 时需要更换压力位置，并取负号 上游压力为 p ，下游压力为 p 2
m E E AE
2 p
2 1 p p 2 2 1 p p

p II p 1 I
2
1
p II p I

( 2 .5 .3 )
m A A AA 2 p I I
下标 I—节流位置前；II—节流位置后 进气： p I p 2 , p II p m E E AE 排气： p I p , p II p 3 m A
o VB / CA / o CA -12~0 直喷式中速柴油机 0.5~2.0 50~120 -12~0 分隔式高速非增压 0.4~0.6 60~100 1.5~3 40~80 -10~0 汽油机 VB 愈提前，滞燃期延长，初期放热量愈大，最高燃烧压力愈高
m

m
表征放热特性
一、韦伯代用放热规律（续）

m
exp 6 . 908
VB

m 1

韦伯燃烧函数由 VB ， ， m 三个参数决定 可由某一工况的试验数据或参考同类型发动机的数据选取 内燃机中 VB ， ， m 三参数统计值

VB VE VB
VB

VB —燃烧始点； VE —燃烧终点； —燃烧持续期； m —燃烧品质指数
燃烧开始时 VB Y 0 X 0 燃烧结束时 VE Y 1 X 1 exp( a ) a 6 . 908 于是 X 1 exp( 6 . 908 Y m 1 )
2
4V D

4
D
用热平衡法、表面温度法试验求取
2.7 气缸周壁的传热（续）
2．平均壁温——时间平均
T WZ
随位置不同而不同，但同一点的温度随时间的波动不大（约
10~20℃） ，因此，一般不考虑温度波动，按稳定温度进行计算 壁面温度随位置的变化可用平均化办法处理，精确起见， 可按三个平均壁温进行计算
VB g EV i
式中： p a , T a —压缩始点的压力和温度； g —几何供油开始角；
EV
—喷油延迟角； i —着火延迟角； —过量空气系数；
下标 0—基准工况
二、变工况的代用放热规律（续）
（1） g 随工况变化，可由供油系统结构参数求得 （2）喷油延迟角 EV 主要根据压力波传播的时间计算 即 EV 6 n
本节主要介绍常用的韦伯燃烧曲线
一、韦伯代用放热规律
韦伯函数是在均匀混合情况下从反应动力力学推出的半经验公式 其一般形式为：
X 1 exp( aY
dX dY a ( m 1) Y
m 1
)
( 2 .6 .3)
m 1
m
exp( aY
)
( 2 .6 .4 )

式中： Y —无因次时间函数 Y
L a
0
计算表明 EV 只随转速变化
n n0
EV EV
（3）着火延迟角 i 与着火延迟时间（以秒计）存在下列关系：
i 6n i
计算 i 的公式有很多，其中大多数公式是基于阿累尼乌斯定律 和化学反应动力学链式反应理论得到的，无通用的 i 计算公式 其中伏尔夫（Wolfer）公式
三、流量系数μ
流量系数由以下方法确定 在稳流试验台上测出实际流量及气阀前后状态参数 ——>计算理论流量——>求得静态流量系数 由图 2.5.2、图 2.5.3 可以看出
与气道结构密切相关： 随 h 增大而减小
h 较小时，气流贴合壁面较好，但 A 随 h 增大而增大 其它评价流动阻力的参数：有效流动截面积 A ，
d
X
H u m B 0 u
QB Q B0 mB
u m B0
( 2 .6 .2 )
式中： Q B —瞬时燃烧放热量； Q B 0 —每循环燃料燃烧放热量；
mB
—瞬时已燃烧的燃料量； m B 0 —每循环供油量；
u —燃烧效率，计及不完全燃烧和离解损失；
X
—燃料燃烧累积放热百分比
加入为正，因此
dm
E
d
0
，流出能量 dm E h
四、倒流（续）
2．倒流进入进气管的气塞重新全部吸入气缸内的时刻 3 的计算 当进气倒流时，一个具有气缸状态的气塞一层一层被推入进气管内 直至 p p 2 随后 p p 2 倒流气塞重新吸入气缸，然后进入新鲜充量
2 dm E 3 dm E d d 1 d 2 d