第四章 內(nèi)燃機(jī)熱力學(xué)模型及應(yīng)用

第四章內(nèi)燃機(jī)熱力學(xué)模型及應(yīng)用報(bào)告人：堯命發(fā)2014年5月13日主要內(nèi)容內(nèi)燃機(jī)熱力學(xué)模型燃燒放熱率分析兩區(qū)和多區(qū)熱力學(xué)模型內(nèi)燃機(jī)熱力學(xué)模型

以內(nèi)燃機(jī)為研究對(duì)象，以研究內(nèi)燃機(jī)工作過程為目標(biāo)，為滿足研究所需的要求，抓住影響內(nèi)燃機(jī)工作過程的主要變量進(jìn)行必要的簡化，應(yīng)用熱力學(xué)基本原理所建立的熱力學(xué)模型。發(fā)展概況主要研究領(lǐng)域基本控制方程內(nèi)燃機(jī)熱力學(xué)模型發(fā)展概況

G.T.Borman等人(1966)首先應(yīng)用熱力學(xué)模型，進(jìn)行了工作過程模擬，取得了一些很有價(jià)值的計(jì)算結(jié)果：研究了排氣門/進(jìn)氣門對(duì)容積效率的影響，計(jì)算結(jié)果表明柴油機(jī)需要大的排氣門，這是由于柴油機(jī)有較大的壓縮比，排氣門打開時(shí)自由排氣能較小，因而需要較大的活塞功排除缸內(nèi)的廢氣，結(jié)果增大了泵氣功；分析了循環(huán)過程中傳熱的影響；研究了放熱率形狀對(duì)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和壓力升高率的影響；研究了柴油機(jī)壓縮比和配氣定時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。Phil.Myers（1985）指出，使用某種形式的熱力學(xué)模型，作為設(shè)計(jì)的工具目前已相當(dāng)普遍，目的是減小硬件模型優(yōu)化研究的時(shí)間。

早期的熱力學(xué)模型由于熱物性、質(zhì)量流和熱流均勻分布的假定，在油耗、動(dòng)力性的預(yù)測(cè)等方面并不是主要問題，主要問題在于不能研究有害產(chǎn)物等由于“不均勻性”引起的小的能量項(xiàng)的影響，這是熱力學(xué)模型的局限。要消除熱力學(xué)模型的局限性，有幾個(gè)主要困難：缺少“不均勻”分布的數(shù)據(jù)，這表現(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)各種局限性的分布不僅在空間是不均勻的，而且隨時(shí)間急劇變化，在大多數(shù)場(chǎng)合，我們不能去測(cè)量這些屬性的分布，在理論上也不理解或不能預(yù)報(bào)這些屬性的分布，甚至還不能從工程的角度，建立起描述這些分布規(guī)律的關(guān)系式燃燒化學(xué)反應(yīng)認(rèn)識(shí)不足，燃燒模型仍是“瓶頸”同時(shí)也受到計(jì)算的能力和容量的限制。內(nèi)燃機(jī)熱力學(xué)模型發(fā)展概況熱力學(xué)模型的幾個(gè)主要研究領(lǐng)域過渡過程熱力學(xué)模型（TransientThermodynamicModel）子系統(tǒng)和子過程模型(Sub-system&Sub-processModel)是熱力學(xué)模型發(fā)展中的最主要部分多區(qū)模型第二定律熱力學(xué)模型過渡過程熱力學(xué)模型

內(nèi)燃機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在過渡過程，與穩(wěn)定工作過程有許多不同之處，而且人們特別關(guān)心過渡過程的排放特性，如：汽油機(jī)進(jìn)氣管中的油膜，其厚度和油膜量都隨負(fù)荷變化；在冷起動(dòng)過程中，汽油機(jī)的燃空當(dāng)量比和溫度一直都在發(fā)生變化（油膜厚度、蒸發(fā)）；冷起動(dòng)過程和變工況過程中，柴油機(jī)的著火滯燃期、壁溫一直在變化；對(duì)于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，增壓器響應(yīng)的時(shí)間延遲，會(huì)引起暫時(shí)的各部件、系統(tǒng)之間的不匹配。瞬變工況其它邊界條件的變化，如EGR率、噴油、進(jìn)氣等由于過渡過程中在每一次工作循環(huán)中，各系統(tǒng)或與部件的變化相對(duì)很小，所以對(duì)于過渡過程常采用“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”的處理方法。

主要問題是：缺少過渡過程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此，我們不能肯定過渡過程是否可以當(dāng)作“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”過程來處理。子系統(tǒng)和子過程模型對(duì)于柴油機(jī)，燃油的噴霧混合模型，包括霧化、貫穿、蒸發(fā)和混合是最重要的過程，也是柴油機(jī)燃燒模型的核心。對(duì)于汽油機(jī)，火焰?zhèn)鞑ミ^程是最重要的，如何描述火焰?zhèn)鞑ナ瞧蜋C(jī)模擬的核心，人們常用兩種不同的方法來描述火焰的傳播過程。其一是基于實(shí)驗(yàn)建立的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式來描述火焰速度，其二是基于紊流動(dòng)能耗散理論的方法，基本思想是：化學(xué)反應(yīng)速度決定于分子級(jí)的混合率，而分子級(jí)混合率決定于紊流微結(jié)構(gòu)與周圍流體的傳質(zhì)率，它是由紊流旋渦的擴(kuò)散、破碎過程完成的。對(duì)于HCCI，燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)最為重要，其次是HCCI實(shí)質(zhì)上存在的溫度分布的不均勻性，相對(duì)于DI和SI對(duì)燃燒反應(yīng)過程的影響更為明顯。多區(qū)模型

把內(nèi)燃機(jī)氣缸看成一個(gè)完整的熱力學(xué)系統(tǒng)與硬件模型很大的差別，因此不能精細(xì)描述缸內(nèi)發(fā)生的過程，對(duì)此解決的方法是把大系統(tǒng)分解成許多小的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)我們可以更有理由看成是一個(gè)熱力學(xué)的平衡系統(tǒng)。

第二定律熱力學(xué)模型

討論能量的“質(zhì)”是由于受到能源危機(jī)和環(huán)境污染兩個(gè)因素的推動(dòng)，其目的是為能量的合理利用尋找途徑。

由熵增引起的可用能的減少AD：可用能平衡分析：從上式可以知道，在第一定律基礎(chǔ)上，加上熵的計(jì)算，可以很容易利用第二定律進(jìn)行可用能分析。

非燃燒：

當(dāng)有燃燒反應(yīng)時(shí)，需要采用專門的程序來計(jì)算平衡產(chǎn)物的熱物性或依據(jù)JANAF表。通過熱力學(xué)第二定律可以直觀地給出可用能損失的原因，找出尚存在的可用能，并確定改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)工作過程的方向。

熱力學(xué)模型的基本控制方程

假定熱力學(xué)控制體內(nèi)的熱力學(xué)狀態(tài)和各組分濃度分布均勻（熱力學(xué)平衡系統(tǒng)）；壓力和溫度分布也均勻；符合理想氣體狀態(tài)方程。能量方程（熱力學(xué)第一定律）質(zhì)量方程（質(zhì)量守恒定律）理想氣體狀態(tài)方程混合氣熱物性參數(shù)氣體常數(shù)變化率方程其它補(bǔ)充條件能量方程

同樣以焓表示的能量平衡方程質(zhì)量守恒方程狀態(tài)方程控制體內(nèi)混合氣的熱特性

瞬時(shí)當(dāng)量比，控制體內(nèi)的燃空比（F/A）與理論燃空比（F/A）st（用fst表示）的比值，即，瞬時(shí)當(dāng)量比用于描述控制體內(nèi)混合氣的濃度，也用于判斷控制體是否能夠著火的判斷依據(jù)；瞬時(shí)當(dāng)量比首先是Borman等人采用了瞬時(shí)當(dāng)量比的概念，與前面定義的其它描述缸內(nèi)混合氣的濃度其它參數(shù)不同；在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)熱力過程作為單區(qū)處理的熱力學(xué)模型中，熱力學(xué)模型方程中也可使用瞬時(shí)過量空氣系數(shù)來代替瞬時(shí)當(dāng)量比來計(jì)算缸內(nèi)的熱物性參數(shù)；瞬時(shí)當(dāng)量比更多應(yīng)用于多區(qū)的熱力模型中。瞬時(shí)當(dāng)量比的概念是一種虛擬的概念，與前面定義的當(dāng)量比不同，前面定義的當(dāng)量比，是指反應(yīng)物的化學(xué)當(dāng)量比，瞬時(shí)當(dāng)量比的概念主要是為了滿足計(jì)算混合氣熱物性的要求。氣體常數(shù)的變化率方程補(bǔ)充條件缸內(nèi)容積（發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何尺寸）；傳熱系數(shù)和壁面溫度；初始條件，缸內(nèi)初始?jí)毫?、溫度、容積，進(jìn)氣量等；征對(duì)不同問題求解的補(bǔ)充方程。如燃燒計(jì)算補(bǔ)充燃燒放熱速率，示功圖分析則缸內(nèi)壓力為已知。主要內(nèi)容內(nèi)燃機(jī)熱力學(xué)模型燃燒放熱率分析兩區(qū)和多區(qū)熱力學(xué)模型燃燒放熱規(guī)律計(jì)算為什么要進(jìn)行燃燒放熱規(guī)律計(jì)算基本方程參數(shù)求解應(yīng)用舉例為什么要進(jìn)行燃燒放熱規(guī)律計(jì)算反應(yīng)燃燒過程的基本特征，是診斷燃燒過程的一種有效手段。分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)燃燒過程的影響。示功圖p-φ→指示功（指示壓力），機(jī)械效率著火始點(diǎn)，燃燒持續(xù)期燃燒放熱規(guī)律基本方程

參數(shù)求解

已知量根據(jù)上述的參數(shù)，在內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的情況下，只要知道缸內(nèi)瞬時(shí)的工質(zhì)質(zhì)量m和燃油質(zhì)量mf，通過測(cè)量缸內(nèi)示功圖即可求出燃油燃燒放熱率累積放熱率：應(yīng)用舉例后噴放熱特性主要內(nèi)容內(nèi)燃機(jī)熱力學(xué)模型燃燒放熱率分析兩區(qū)和多區(qū)熱力學(xué)模型

兩區(qū)和多區(qū)熱力學(xué)模型問題提出汽油機(jī)兩區(qū)熱力學(xué)模型控制方程多區(qū)熱力學(xué)模型問題提出對(duì)于汽油機(jī)，火焰把燃燒室分成兩個(gè)區(qū)，即已燃區(qū)和未燃區(qū)，希望通過計(jì)算解決兩個(gè)問題，其一是計(jì)算已燃區(qū)的燃燒產(chǎn)物成分，NOX生成率，進(jìn)行熱負(fù)荷計(jì)算和燃燒放熱率；其二是計(jì)算未燃區(qū)的溫度，研究低溫自燃過程，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃進(jìn)行預(yù)測(cè)。因而需要對(duì)汽油機(jī)缸內(nèi)劃分為兩個(gè)開口熱力學(xué)系統(tǒng)。對(duì)于柴油機(jī)，噴霧的油束區(qū)域所經(jīng)歷的熱力過程，即燃燒區(qū)和空氣區(qū)熱力過程差別較大，也可以劃分為兩個(gè)開口熱力系統(tǒng)，通過這種假設(shè)可以計(jì)算噴霧油束的發(fā)展、卷吸率、貫度、燃燒放熱率和NOX生成率。汽油機(jī)兩區(qū)熱力學(xué)模型控制方程汽油機(jī)兩區(qū)熱力學(xué)模型控制方程