吳先煥，鄧惜仁，鄧航

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

基于VC++的發(fā)動機(jī)零維模型仿真計算

吳先煥，鄧惜仁，鄧航

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

為了便于研究發(fā)動機(jī)工作狀況，該文在零維假設(shè)下建立模型，根據(jù)發(fā)動機(jī)過程各個階段的特點(diǎn)進(jìn)行求解。利用vc++軟件計算出給定步長的缸內(nèi)主要參數(shù)指，從而模擬出發(fā)動機(jī)工作過程。用此方法模擬計算用時短，結(jié)果與實(shí)際情況相比誤差小，可以較準(zhǔn)確反映實(shí)際過程缸內(nèi)主要參數(shù)的變化情況。

發(fā)動機(jī)；零維模型；vc++；參數(shù)

CLC NO.:U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-112-03

引言

當(dāng)下，汽車行業(yè)的發(fā)展正面臨著環(huán)境保護(hù)和能源短缺的雙重壓力。深入研究發(fā)動機(jī)的工作過程對指導(dǎo)新型發(fā)動機(jī)的開發(fā)和優(yōu)化舊的發(fā)動機(jī)都有著重要的意義。發(fā)動機(jī)工作過程中的主要參數(shù)仿真計算，是深入研究發(fā)動機(jī)的一種重要方法。運(yùn)用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)去模擬計算發(fā)動機(jī)工作過程中的主要參數(shù)，可節(jié)省大量時間，縮短研究周期，降低實(shí)驗費(fèi)用。

仿真是在對真實(shí)系統(tǒng)不改變其本質(zhì)特征的前提下作出的一種合理簡化和高度概括。計算機(jī)仿真是在計算機(jī)上通過系統(tǒng)模型去模擬一個真實(shí)的系統(tǒng)，以分析真實(shí)系統(tǒng)的本質(zhì)特征。這個過程是一個建立模型、運(yùn)行模型和分析模型的過程。本文在傳統(tǒng)的零維假設(shè)下建立了汽缸模型，利用龍格庫塔法計算缸內(nèi)工作工程中的主要參數(shù)，此方法計算時間少，能夠預(yù)測發(fā)動機(jī)的性能，滿足要求。

1、汽缸模型的建立與求解

氣缸的一個完整工作循環(huán)包括六個階段：壓縮期、燃燒期、膨脹期、排氣期、氣門重疊期以及吸氣期。其中在壓縮期、燃燒期和膨脹期是進(jìn)、排氣閥都處于關(guān)閉狀態(tài)，此三個階段即氣缸的封閉過程。對氣缸工作工程的分析大部分都是基于氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度及壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律來研究，所以氣缸封閉過程的數(shù)值計算主要是計算缸內(nèi)溫度及壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。

1.1 零位假設(shè)

整個理論計算是基于能量守恒、質(zhì)量守恒和狀態(tài)方程上計算的，并在導(dǎo)出缸內(nèi)熱力過程計算的基本微分方程式時，作了如下簡化假設(shè)：

(1)氣缸內(nèi)各處溫度、壓力及混合氣濃度均勻；

(2)工質(zhì)為理想氣體，其比熱、內(nèi)能僅與氣體溫度和氣體成分有關(guān)；

(3)氣體流入或流出氣缸為準(zhǔn)穩(wěn)定流動；

(4)進(jìn)、出口的動能忽略不計；

(5)不計漏氣損失,并假定只有在燃燒始點(diǎn)才有燃油噴入氣缸;

(6)假定為完全掃氣;

(7)按代用燃燒規(guī)律進(jìn)行噴油，并認(rèn)為著火延遲等于零；

1.2 系統(tǒng)主要方程

（1）氣缸工作容積

氣缸瞬時容積為：

氣缸容積隨曲軸轉(zhuǎn)角變化率：

（2）溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化規(guī)律

A、壓縮期

從進(jìn)氣閥關(guān)閉時起至燃燒開始時止為壓縮期。此階段能力方程為：

1）定容比熱cv的計算

在壓縮期間，工質(zhì)成分不變即過量空氣系數(shù)λ是常數(shù)，因為是完全掃氣，所以λ趨于無窮，可取一個較大的值代替，此處取λ=104。

按傳熱面平均的瞬時傳熱系數(shù)α利用Woschni公式計算：

B、燃燒期

在燃燒期間的能量方程為：

在燃燒期間氣缸內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量是空氣的質(zhì)量與瞬時燃料質(zhì)量之和，即：

瞬時放熱率：

工質(zhì)內(nèi)能表達(dá)式 u=f(λ,T ）

比內(nèi)能對過量空氣系數(shù)的偏導(dǎo)：

C、膨脹期

膨脹期能量方程與壓縮期的一樣，只是工質(zhì)質(zhì)量比壓縮期多一個循環(huán)噴油量。其能量方程為：

（3）壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律由氣體狀態(tài)方程： PV=mRT

2、參數(shù)確定

2.1 基本參數(shù)

發(fā)動機(jī)，型號：WP6.210，直噴水冷四沖程

氣缸直徑：105mm；

排量：6.23L；

壓縮比：16.5；

供油提前角：22°CA BTDC；

額定功率：155kW/2300r/min；

進(jìn)氣門開：12.5°CA BTDC

進(jìn)氣門關(guān)：38°CA ABDC

排氣門開：56°CA BBDC

排氣門關(guān)：12.5°CA ATDC

2.2 有關(guān)參數(shù)選取

由排量和氣缸直徑可以計算出行程S=120mm；

一般曲柄連桿比的范圍是1/3~1/5，本次計算中取λ s=0.3；

燃燒持續(xù)角取80°；

燃料低熱值取為425000KJ/kg；

燃燒品質(zhì)指數(shù)取為1.0；

燃燒效率取100%；

理論空氣量取14.3kg/kg；

3、實(shí)驗結(jié)果

利用以上模型，對型號為WP6.210的柴油機(jī)進(jìn)行仿真計算。得到壓力，體積，溫度數(shù)據(jù)，繪出的曲線圖如下：

圖1

圖2

從輸出結(jié)果可以看出：

壓縮始點(diǎn)：205（℃A），壓力Pa=139.811KPa，溫度Ta=352.044K；

壓縮終點(diǎn): 325（℃A）,壓力Pa=1882.32KPa，溫度Ta=811.148K；

燃燒終點(diǎn)：410（℃A），壓力Pa=2342.82KPa，溫度Ta=1487.09K；

膨脹終點(diǎn)：485（℃A），壓力Pa=490.109KPa，溫度Ta=1002.52K；

最高溫度TMAX=1962.76k,最高壓力PMAX=12986.2KPa，最高溫度及最高壓力均出現(xiàn)在上止點(diǎn)之后，且最高溫度滯后于最高壓力，符合內(nèi)燃機(jī)實(shí)際工作工程的燃燒滯后現(xiàn)象。

圖3

4、結(jié)論

利用vc++軟件建立的發(fā)動機(jī)工作過程的零維模型，并對一臺四沖程柴油機(jī)的熱力循環(huán)進(jìn)行了仿真計算，同過將缸內(nèi)的溫度，壓力等主要性能指標(biāo)與時間情況相比，驗證了模型的正確性。仿真結(jié)果能對發(fā)動機(jī)的實(shí)驗起到知道作用，能夠節(jié)省大量燃料和時間。

[1] 包生重. 四缸汽油發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計及其仿真系統(tǒng)研究[D].中南大學(xué),2007.

[2] 周盛,徐兵,楊華勇,趙陽. 雙活塞式液壓自由活塞發(fā)動機(jī)仿真研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報,2005,04:92-96.

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Calculated based on the zero-dimensional model simulation engine on VC ++

Wu Xianhuan, Deng Xiren, Deng Hang
( Automobile Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

In order to facilitate research engine operating condition, the article in the zero-dimensional model assumptions solved according to the various stages of the process of the engine characteristics. Use vc ++ software to calculate the main parameters fixed to the cylinder step refers to simulate the working process of the engine. Use this method when used short simulation calculation results with the error is small compared to the actual situation, it can more accurately reflect changes in the actual process of the main parameters of the cylinder.

engine; Zero-dimensional model; vc++; parameter

U467.3

A

1671-7988(2016)07-112-03

吳先煥，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.035