四冲程柴油机换气过程的热力参数计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于柴油机性能的热力过程仿真技术领域，尤其设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】
[0002] 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W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】
[0003] 针对现有技术存在的不足，本发明W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。
[0004] 本发明根据四冲程柴油机换气过程特点，W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、W及各过程温度和气缸排烟温度等热力性能参数的方法，W实现换气过 程热力性能参数的快速预算和校核。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
[0006] 四冲程柴油机换气过程的热力参数计算方法，包括步骤：
[0007] 构建进气过程中柴油机系统进气量计算模型，见公式（1)?（7):
[000引 m化=m ind+msc (D
【主权项】
1. 四冲程柴油机换气过程的热力参数计算方法，其特征在于： 构建进气过程中柴油机系统进气量计算模型，见公式（1)?（7):
其中，mind为进气过程中气缸进气量，min为进气过程中柴油机系统进气量，ms。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。表示进 气管内气体常数，T。为进气管内冷却介质温度，P。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 ; Iifill为柴油机进气过程 充气系数，V1。为气缸进气阀关闭时气缸有效容积，V e。为气缸排气阀关闭时气缸有效容积， ε m为气缸头部热交换系数，T m为中冷器出口空气温度；A sc;，eff为扫气有效面积，A in和A wt 分别为气缸进气阀门和排气阀门的面积，Hsc^ff为扫气效率；Ψ(π s。）为无量纲压比，匕为 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。
2. 如权利要求1所述的四冲程柴油机换气过程的热力参数计算方法，其特征在于，还 包括： 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):
其中，^、!^^、!!^^分别为自由排气过程的起点温度沒点温度和自由排气量；!^、 P6、m6分别表不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 Ε()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。
3. 如权利要求2所述的四冲程柴油机换气过程的热力参数计算方法，其特征在于，还 包括： 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):
其中，Irap和m ΜΡ分别为强制排气过程的终点温度和强制排气量，m 3。((|)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，Tbld和T JddIUt分别为自由排气过程的起 点温度和终点温度；Pd为强制排气过程结束时排气总管压力，V m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，将权利要求2获得的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。
4. 如权利要求3所述的四冲程柴油机换气过程的热力参数计算方法，其特征在于，还 包括： 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):
其中，ms_ut为扫气过程滑移出去的空气量，m _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；ms。为扫气过程扫气量，s为扫气过程滑移系数;min 为进气过程中气缸进气量，1%为燃油消耗量；Hlbld^t为自由排气过程的自由排气量，Hl raip为 强制排气过程的强制排气量，msc;((l)为扫气过程起始的废气量;为强制排气过程结束时气 缸内残余的废气量，c p，s_ut为扫气过程烟气平均比热，c 自由排气过程和强制排气过 程烟气平均比热，cp，d为换气过程烟气平均比热；Traip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；Ts_ut为扫气过程起点温度，即气缸进气温度； 将权利要求1?3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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104537142
【申请号】CN201410680664
【发明人】孙宝芝, 周涛涛, 宋福元, 李彦军, 张国磊, 李晓明, 杨龙滨, 韩怀志, 张鹏
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年11月24日