柴油发动机热量析出计算

柴油机热量析出计算 

为了评定柴油机的性能，例如功率、效率、起动情况、 排烟和噪声，仅测量气缸压力的变化情况是不够的，更重要 的是了解热量析出情况。热量析出(热输出)实质上是热力 学问题，可以通过分析实测的气缸压力图来获得。此外，如 果已知输出热量，就能推算出发动机压力和温度的变化。 

在评定热量析出情况方面已取得很大进展，但目前的方 法仍靠某种假设和近似值。这是由于：

(a) 柴油机燃烧中物理和化学特性共存并相互于涉。 

(b) 事实上所涉及的过程，不可能简单地通过试验来确 定。因为它们是在极短时间内产生的，而且是在气缸高压力 和高温度情况下出现的。 

对于多数研究，实在没有必要搞复杂的热量析出计算。 因此，这一章提供一种通过实测的气缸压力图和对各个燃烧 阶段的分析来推算出热量析出的近似方法，通常与这些计算 有关的假设和误差也要论述。 

1.6.1 热量析出的基本理论 

在内燃机的气缸中，随着燃料进入气缸，部分能量转变 为机械功，部分能量随废气排离气缸，部分能量通过热传导 到缸壁上散逸，如果压力和温度变化以及气体和缸壁之间的 热传导的规律为已知，就能推算出热量析出模式。 

热力学的第一定律，按与曲柄角有关的微分形式可写 为：

式中，热量析出(热输出)QH, 随工作气体的内能U 及其产生的输出功L 的变化而改变。换句话说，Qn 是表示 工作气体吸收的热，并且可视为供给的燃料热量与释放到缸 壁上的热量之差，那就是

这里Qb 是指在各曲柄角增大时，燃料燃烧所释放的热 (即：燃料的热量);Qw 是指曲柄角增大时，缸内气体传 到气缸盖、活塞顶和缸套暴露部分的热量损失。

作为理想气体，dL=pdV 故，

因此，[按公式(1)～〔3〕气体内能的变化将为：

目前，理想气体状态的公式为： pV=mRT, 因此，p= mRT/V, 所 以

略去局部浓度对内能的影响，并假设它仅是气缸气体温 度的一个函数，则：

将式(6)和式(5)的dV/dθ 和 pdv/de 代 入 到 式 ( 4 ) 中，式(4)即为：

(mRT/V)(dV/dθ) 即活塞所做的功率。 使用逐步法来简化公式(7)的计算。通常用曲柄转角一 度的增量，推算出下列关系：

Vstep= 两步之间的平均容积

式 中：m—— 混合气燃料的质量(气体+燃料 ) ; R —-气体常数； Cy(T)-— 定容比热，作为温度和空燃比的函数； V—- 容 积 ； T 温度。

(n) 代表曲轴转角范围内的某一个特定位置，av. 表示平均。 Qn 是供给的燃料热量Qb 和释放到缸壁上的热量Qw之 差，参看公式(2)。因此，为了计算实际的(绝对的)热量 析出率QHA, 传到缸壁上的热损失必须加上dQh/de, 即 ：

式中：Tg—— 气体温度； Tw- 缸壁温度； A——燃烧室内露出表面积的总和； h——传热系数(使用Eichelberg 或 其 它 的 关 系 式 ) 。 例如 h=1.015×10-43√。·√(pgTg)

式中：p ——活塞平均速度； Pg——气体压力。 从活塞连杆机构的几何图形，可以得出每一步的容积， 如

式中：VcL—- 气缸余隙容积； Ap---- 活塞顶面积； 1——连杆长度； S-— 行程。

定容比热Cγ 的近似关系可由下式得出： 0y(T)=0.6113+0.00001096 kJ/(kg·K)(13)

这里T 是按K 计。 通常也可假设 pV¹+85=常数 及 Tγ0.25= 常数并在计算中使用这些关系。

许多研究人员编了不少热量析出的计算机程序。但是基 于上述理论，曾设计了复杂程度各不相同的两种程序。较简 单的方案要求测出气缸压力图和发动机参数，更精确的方案 还要求其他的测量，这些将在下章论述。 

计算机程序从已知的进气压力、温度和配气(相位)正 时着手编制。然后将数字化的信号连同发动机尺寸一起编入 热量析出计算机程序，以输出热量析出值和其它发动机特性 参数。 

图1-11所示为典型的热量析出曲线图，并附有与燃烧过 程有关的各部分说明。 

在燃烧时期(指在这个期间，热量析出的速率是正值), 燃烧是在三个做了相位标记的过程中进行的。在第一个相位 标记位置，热量析出的速率一般升得很高，同时，相位持续 仅有几度的曲柄转角(约6°)。这与气缸压力迅速上升的周 期是一致的。由于低温，在这个相位期内的燃烧受化学动力 学的控制。第二个相位标记位置，相位持续约有40°曲柄转 角，与热量析出速率逐渐下降的周期是一致的。此相位是主 要热量析出时期。第二个高峰的高度基本上受控于紊流混合 (即燃料和空气的紊流混合速率)。通常，总热量的80%左 右在头两个相位里释出。最后，由于浓度下降，热量析出的 速率再次受到化学动力学的控制。第三个时期热量析出的速 率持续在整个膨胀行程中。在这个期间的热量析出约占总量 的20%。 

图1-12、1-13和1-14所示为三个汽车柴油机有代表性的 热量析出计算图，用以说明喷油正时，涡轮增压和润滑油温 的影响，从热量析出图上还可看出发动机燃烧和运转状态微 小变化的监测灵敏度。

1.6.2 计算热量析出所需要的数据 

计算热量析出速率所要求的数据，除了固定的参数，如 发动机尺寸，已标定过的常数等外，还包括曲柄转角(以度 计)、气缸压力、高压油管油压(喷嘴压力)、针阀升程和 空气流量测量等。另一方面，通过测量气缸压力和燃料流速 以及发动机尺寸，就能得出近似的热量析出计算。 

1.6.2.1 气缸压力测量 

以压力一时间图为基础的热量析出计算，基本上取决于 气缸压力的精确测量。甚至曲柄转角的每一小步长都是很重 要的，很小的压力变化也会使热量析出速率有明显的变化。 因此，在高峰压力区，需以千分之四以内的高精度来测量。 

在这个范围内进行的大部分测定工作，都广泛使用了压 电式传感器，压电式传感器是一种把压力变化转化为电荷变 化的装置。与其他传感器不同，它非常小，并能方便地装入 一个狭小的空间中。尤其是它的频率响应和线性度是优良 的。它的主要缺点是热冲击和漂移。前一个缺点是以在作功 冲程期间因气缸压力骤降而出现的。后一个缺点来自传感器 和引线的电荷泄漏，但在发动机实际运转条件下，这是不太 重要的。 

对于热量析出分析，需要动态标定，这很难进行。由 于这个原因，生产厂家总是推荐静态标定。图1-15所示就是 一幅典型的静态标定曲线图。 

1.6.2.2 曲柄角测量 通常有两种方法用来测量曲柄转角，第一种方法是磁感 应法：在一个非磁性圆盘的周边上每隔10°,在上止点附近 每隔5°感应出钢嵌入件的磁阻变化值。在确定上止点位置时 要十分小心，特别是如果所产生的磁性脉冲轮廓尖峰不突出和不清晰的时候。不管怎样，曲柄转角和气缸压力之间的相 位应保持在曲柄转角±1/4(°)的精度范围内。 

另一个方法，与上述同一的间隔条件，由一球状压电石 英晶体发出的光线，穿过缝隙照射到光电元件上获得脉冲。 这些脉冲最后由电子仪器处理。

1.6.2.3 针阀升程的测量 

评定喷射速率和发火延迟期，需要测出针阀升程和高压 管油压(喷嘴压力)。通过一个可变电感式传感器，可以测 出针阀的运动。它的基本部件包括一个与喷油器心轴相连接 的筒形线圈，该心轴则在线圈内运动。线圈内喷油器心轴的 任何运动都会改变电感。那时，测量计的输出信号，经额定 载波频率为两兆赫的调频系统，反馈至鉴频器调频装置。

就象压电传感器一样，针阀升程计一般也是静态标定。 目前超声波类型的针阀升程计只需作很少更动，即可用 米测式喷油器。

1.6.2.4 用电阻应变仪测量燃油压力 

这种液压传感器广泛用于测量管路燃油压力。其基本原 理和金属丝伸长电阻增加的原理相同。 通 常Cussons P(4561) 燃油管路压力传感器连同它的 应变仪放大器P(4551), 都应按照生产厂家的说明进行使 用和操作。通常也使用AVL 的装置。 为了使热量析出计算更加精确，除管路燃油压力外，还 要测量喷油器囊容积内的燃料压力。很显然，后者存在着设 备问题。 

1.6.2.5 燃料总喷射量的计算 已知上述测量数据，并对燃料喷射系统使用基本液力方 程式，就能大致计算出(燃料)喷射速率dQ/dt:

式中：A。———喷射孔有效面积；

d——孔 径 ( 喷 嘴 ) ;

Ln—— 针阀升程； 

Cd—— 喷射系数； 

P₂—— 燃料压力； 

p1—- 与曲柄转角对应度上的气缸压力； 

dt—— 曲柄转角增大度数；

p 一—燃料密度。 

温度对P 的影响可忽略不计，并假定P=0.825g/cm³ 及g=9800mm/s²,

式中：dl—— 以 ms计； 

Ln——以 mm 计； 

Pr、p₂—— 以 P.S.I 计 ( 1P.S.I=6.9×10³Pa); 

d——以 mm 计。 

已知发动机速度，每次循环所喷射的燃料总量可用公式 (16)求出。

1.6.2.6 进气流速的测量 空气流速可用一种根据有关的英国标准设计出来的计量 装置来测定。通过一个凸缘分叉的刃形小孔，空气流速可以 用伯努利 (Bernoulli) 修正式和连续方程进行计算。简化 以后，空气流速就可由下式算出： 

Q空气=常数× √B,kg/hr 

 式中万是通过小孔的压差，以毫米水柱计；根据公式 (17),只需测出h, 就可算出Q空气值。

粘滞流动气流计也可以使用，但精确性比小孔空气流量 计要差。 

如果针阀升程，燃油管内压力和空气流速的测量数据都 未取得，可使用下列公式来计算空气 (m 空气)〔21〕和燃料 (m 燃料)〔217的质量，分别为：

式中：7v— 容积效率(≈80%);

Tc一——标定的压缩比； Ma——空气的平均分子量； VcL-——气缸余隙容积。 而

式中x 是所测得的、按重量计算的空燃比。 

图1-16所示为汽车柴油发动机气缸压力，针阀升程，燃 料管道压力以及在上止点附近的度数标志的典型实际记录。 图1-17系实测燃烧示功图与计算热量析出率对应关系的理想 典型图解。 

1.6.3 柴油机热量祈出计算精度的评定 十分重要的是，在发动机研究试验中，对测得的读数， 要特别仔细地按比例绘制所有示功图。第一种方法是把这些 图放大。然后用手工(或用计算机)按每一个曲辆转角步长 把放大了的图(象)数字化。为了提高热量析出率计算的精 度，特别是在主要热量析出的整个时期，通常把曲辆转角1° 作为一个步长。必须记住：这些热量析出图的计算精确度， 在很大程度上取决于所获得的各个不同的发动机参数的测量 误差，以及把这些数据输入热量析出计算机程序的方法。表 1-2和下列各点总结了在热量析出率的计算中、误差的可能 原因(用近似值) ; 

(i) 气缸压力—时间图：在与燃烧室内部条件相似的空 气中标定传感器，显然比普通的静态标定更为精确。 

(ii) 传感器的连接通道应尽可能短些，以便使压力迹线 上的谐振影响降至最低点。

(iii) 小的压力变化将显示热量析出率大的变化。因此，要有高的精确度。 

(iv) 生产厂家提供的压缩比可能不精确(压缩比比率容 限的±1/2),必须校验。否则热量析出图上就可能出现约 30%的误差。

(v) 上止点测定不准确，也将导致大的误差。

(vi) 对于绝对热量析出率，准确地测量空气和燃料的流 速是重要的。 

(vii) 应防止传感器的热敏加载，否则它会绘出一个错 误的气缸压力曲线(传感器在气缸盖上应选择一个适宜的位 置 ) 。

热量析出分析中可能出现的误整及其原因

1.6.4 热量析出率图的使用 

热量析出模式决定气缸压力进展的形态和大小，而气缸 压力文决定着燃烧噪声，指示效率等等。 

如能准确地预测出热量析出，就有可能确定柴油机各方 面性能的最佳特性。例如：压力上升的速率(从而确定燃烧 噪声),设计阶段的烟度等级等等。 

例如，已确定了热量析出速率图上第一个峰值的大小和 入射角，它不但与燃烧感应噪声的强度有直接关系，同时还 涉及到发火延迟期。 

最后，在燃烧及热量析出方面，作为多方面试验和理论 研究工作的结果，为阐明柴油发动机的燃烧过程，有必要把 下列推论总结一下：

(a) 试验表明，即使在高温和高压的情况下，完全汽化 的燃料也不能瞬时燃烧。通过这个研究结果和其他资料可以 得出结论；发火延迟期可以视为燃烧所需要的物理过程和化 学过程。 

(b) 液滴的持续时间决定于燃料的特性，相对速度、最 初的尺寸，温度和充气密度。

(c) 由于燃料一空气混合的不均匀性，点火前在液体燃 料析出蒸气的区域内，局部混合气浓度高，燃料分子群周围 的高氧浓度有利于初始点火，同样对大量蒸发燃料和氧之间的扩散火焰也很重要。 

(d) 燃烧室内喷嘴的位置非常重要，喷雾和空气运动以 及紧接着形成的混合气的相互作用也很重要，它将决定点火 特性。

(e) 燃烧早在雾化完成之前就开始了。 

(f)气缸内的空气运动与活塞平均速度和发动机转速大 致是成比例的。因此，在发动机高转速下，虽然由于可供利 用的时间不足，但由于转速补尝，故混合速率增大。

(g) 点火之后的第一次快速燃烧，伴随产生一个低亮度 的预混合火焰。这是一种约有6°曲柄转角，极短时间的兰色 火焰，其峰值温度高达2000℃以上。预混合火焰之后，主要 形成明亮的，白碳扩散火焰，其最高温度为2500℃左右，持 续约40°曲柄转角，当四冲程直接喷射柴油机由于膨胀而冷 却时，火焰就褪为红色。

(h)在发动机低转速时，喷射速率较高；而在发动机高转 速时，相应的喷射持续时间较长(以曲柄转角(°)为单位)。 

(i) 所提供的喷雾并不以直接向气缸壁喷射为目的(如 在MAN系统中),最长的延迟有最高的初热量析出，同时 在循环中，因喷射延迟而导致热量析出向后延伸。

(j) 热量析出速率图的初斜率和幅值取决于发火延迟期 燃料喷射和雾化的总量。如果总量高于理想配比燃料的 6 %～10%,由此引起的急剧上升的压力，足以从一般噪声 级上诱发出“爆震”。