基于GTpower的柴油机能量平衡分析论文.docx
- 文档编号:9754313
- 上传时间:2023-02-06
- 格式:DOCX
- 页数:40
- 大小:922.15KB
基于GTpower的柴油机能量平衡分析论文.docx
《基于GTpower的柴油机能量平衡分析论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于GTpower的柴油机能量平衡分析论文.docx(40页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于GTpower的柴油机能量平衡分析论文
目录
摘要I
ABSTRACII
目录III
第一章绪论1
1.1引言1
1.2内燃机面临的挑战1
1.3当今所面临的环境以及能源问题1
1.4近年来的研究现状:
2
1.4.1国外研究现状3
1.4.2国内研究现状3
1.5本文的研究内容及意义4
1.5.1本文研究的意义4
1.5.2本文研究的主要内容4
第二章能量平衡的热力学分析方法6
2.1发动机实物简化模型及其主要参数6
2.1.1实物简化图6
2.1.2主要参数6
2.2相关软件的介绍7
2.2.1GT-power的软件介绍7
2.3软件模型的建立过程及其模型验证9
2.3.1模型的建立过程9
2.3.2模型的验证13
2.4柴油机缸内能量平衡关系及各部分能量的表达式14
2.4.1单位时间内燃料燃烧产生的总热量15
2.4.2转化为有效功的热量16
2.4.3冷却介质带走的热量16
2.4.4排气带走的热量17
2.4.5其他余项损失18
第三章柴油机在不同工作条件下能量平衡分析19
3.1转速的影响19
3.2负荷的影响23
3.3EGR率的影响27
3.4喷油提前角的影响29
3.5增压的影响30
第四章全文总结及未来展望33
4.1全文总结33
4.2未来展望33
参考文献35
感悟与致谢36
摘要
随着环境污染与能源短缺问题的日益突出,柴油机凭着其具有的较高的热效率和良好的燃油经济性已经得到了较为广泛的应用。
对于柴油机来说,缸内的柴油燃烧释放其中的化学能,并将其转化为热能。
产生的这些热能主要有三大去向,一部分是转化为曲轴对外输出动力所需要的有用的能量;一部分是在排气中储存的能量;还有一部分是通过传热被冷却水带走的能量,对于这几部分能量各自所占比例是我们需要研究的中心。
本文主要是基于热力学第一定律,通过GT-power的软件对柴油机工作过程进行仿真模拟研究的。
首先我们需要借助于GT-power仿真软件构建一个单缸柴油机模型,并设置相关参数以及边界条件,接下来是对所建模型的验证。
通过对模型参数的设置模拟在不同条件下(包括不同转速、不同负荷、不同喷油提前角等)柴油机的运行情况进而得出相应的数据。
然后根据数据绘制不同的曲线,得出相关的结论。
研究结果表明:
随着发动机转速的提高,转化为有用功的能量所占的比例有所下降,而相应的排气所带走得能量所占的比例是随转速逐步升高的,同时传热损失随着转速的提高也是逐渐降低的。
而对于负荷的研究,是当处于中等负荷时,转化为有用功的能量所占比例最大,指示热效率最高。
随着EGR率的提高,转化为有用功的能量在总的能量中所占的比例逐步增大,传热损失所占的比例逐步降低,但两者总体来说变化不太明显,而排气带走的那部分能量在总能量中所占的比例基本保持不变。
随着喷油的时刻推迟,转化为曲轴旋转对外输出的有用功的能量会减小,排气的能量会有所增加,但是总体上变化幅度较小。
随着增压度的提高,转化为有用功的能量增加,排气所带走的能量以及传热损失都有所增加,前两者的增量相对较大一些,从而导致了前两者在总的能量中所占的比例有所增加。
关键词:
热力学第一定律;转速;负荷;喷油提前角;EGR;增压;能量平衡
ABSTRAC
Astheenvironmentalpollutionandenergyshortageproblemincreasinglyprominent,dieselengines,withit’shighthermalefficiencyandgoodfueleconomy,havebeenwidelyused.Fordieselengine,fuelburnedincylinderreleasingchemicalenergy,whichisconvertedintoheatenergy.Theheatenergyproducedmainlyhasthreepart:
partisconvertedtothecrankshaft’susefulenergytodeliverthepower;partisstoredintheexhaustenergy;partofthisistakenawaybycoolingwaterthroughtheheattransferenergy.Forus,totherespectivesections’energyproportionisthecenterofourresearch.Thispaperisbasedonthefirstlawofthermodynamics,simulatingandstudyingtheworkprocessofdieselenginebyGT-power.Firstofall,weneedtocreateasinglecylinderdieselenginemodelusingGT-power,andsetrelatedparametersandboundaryconditions.Basedonthemodelparameterssetforthesimulationunderdifferentconditions(includingspeedfactor,loadfactorandadvanceinjectionangle,etc.),thedataareobtained.Thenaccordingtodifferentcurve,drawrelevantconclusions.Theresultsshowthatwiththeincreaseofenginespeed,theproportionofusefulenergygetimproved,andalsotheproportionofexhaustgasisincreasedalongwiththespeed,atthesametime,heatlossisgraduallyreducedwiththeincreaseofthespeed.Fortheloadfactorofstudy,wheninamediumload,boththeproportionofusefulenergyandtheindicatedthermalefficiencyislargest,withtheimprovementofEGRrate,theproportionofenergywhichisconvertedintousefulworkinthetotalenergyisgraduallyrising,theproportionofheatlossisgraduallydecreased,butthebothproportionisn’tchangedobviously.Theproportionoftheexhaustenergyintotalenergyisstable.Astheinjectiontimedelay,theenergywhichisconvertedintousefulworkofcrankshaftwilldecrease,theenergyofexhaustcanincreasesomewhat,butsmallvariationinoverall.Assuperchargingdegreerise,theenergyconvertedintousefulwork,alongwiththeenergyofexhaustgasandheatlossincreased.Theincrementofformertwoenergyislarge,resultingtheproportionoftheformerenergytwointotalenergyincreased.
keywords:
firstlawofthermodynamics;speed;load;theadvanceinjectionangle;EGR;supercharge;energybalance
第一章绪论
1.1引言
柴油机是靠在气缸内燃烧柴油获得能量的动力机械,它是由德国的发明家鲁道夫·狄塞尔在1892年发明的。
柴油机的工作循环也需要经历吸气、压缩、做功和排气四个冲程,因为其所使用的燃料主要是柴油,而柴油的粘度较大,不易于蒸发,但柴油本身的自燃温度却很低[1]。
所以其工作原理就是采用对空气进行压缩从而将进气温度提高,将空气的温度增加到超过柴油的自燃点后,然后再向缸内喷入高压的柴油,柴油喷雾和空气在混合的过程中同时自己发生点火燃烧。
柴油机的这些工作特点就要求柴油机的结构也就存在很大的不同,由于柴油机工作时缸内爆发压力大,就会要求柴油机的各类零部件必须要具有非常高的结构强度和刚度,所以柴油机的体积和质量一般比较庞大,而升功率却较小。
但是柴油机本身存在很多优点,如转矩大、热效率高、经济性好等优点,特别是近年来随着科学技术的进步,一些新的技术比如电控直喷、高压共轨、涡轮增压、中冷等的发展,使得原来柴油机存在的很多缺点得到了解决,特别是在CO2排放等方面的优势,则是包括汽油机在内的其他热力发动机所无法替代的,因此柴油机也被誉为“绿色发动机”[2]。
1.2内燃机面临的挑战
内燃机是一种效率极高的热力机械,即便这样,就算是效率相对较高的柴油机,其热效率也达不到50%。
也就是说化石燃料在缸内燃烧,所产生的很大一部分能量得不到有效利用而白白浪费掉。
而现在又面临着较为严重的环境污染及能源短缺的问题,随着排放法规的日益苛刻以及电动汽车发展较为迅速,这些都对传统的内燃机市场造成较大的冲击。
1.3当今所面临的环境以及能源问题
图1-1.世界原油生产预测图
进入21世纪之后,全球普遍出现了能源短缺及环境的问题,随着对石油等传统的化石燃料不断开采(如图1-1所示),专家预测这些能源将会在未来几十年内消耗殆尽[3],而这种化石燃料短时间之内很难再生,对于目前的各种类型的发动机基本上都是需要消耗化石燃料而工作的。
而且对于中国形势更加严峻,作为人口大国的中国本身的石油储量不是太丰富,所以人均石油资源占有量就更低,远远低于世界人均水平。
而随着经济的发展,中国目前的汽车保有量增长速度很快,对于石油的需求量也越来越大,作为内燃机行业的工作人员,这无疑是摆在大家面前的一道亟需解决的难题。
而且汽车作为一种比较大的污染源,对环境的危害也愈演愈烈。
尤其是柴油机中一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOX)以及微粒的排放,不但污染了大气,而且严重威胁着人们的身体健康。
尤其是其中的NOX,不但可以直接对人的呼吸系统造成损害,还可能会形成酸雨以及与HC在紫外线的照射下反应形成光化学烟雾,对环境造成二次危害。
现在人们也越来越多的认识到了微粒的危害,其直径很小,质量很轻,不仅可以吸附空气中细菌以及其他有毒分子,而且可以长时间悬浮在空气中不易沉降,被人体吸入后可以沉积在肺内,造成肺功能机械性损伤、肺气肿,严重者直接导致死亡[4]。
因而国家也制订了越来越严厉的法律法规,来限制汽车尾气的排放[5]。
这也是给内燃机的发展提出了一个难题。
1.4近年来的研究现状:
针对所面临的一些列问题,各国科研人员正在积极探索、尝试各种新兴能源,但由于化石燃料的种种优点及现在内燃机方面的技术水平,根本无法找到一种可以与汽油、柴油相媲美的替代燃料。
故很多内燃机高校、研究所现在一方面在研究新能源的同时,另一方面积极响应国家节能减排的政策,研究提高内燃机的热效率的方法。
柴油机缸内的化石燃料燃烧所产生的能量主要有四个去向,一部分是转化为曲轴输出的有用功的能量;一部分是冷却水带走的能量;还有一部分是排气排出的能量;最后一部分是由于不完全燃烧损失、辐射换热等余项损失。
其中对我们最有利的是第一部分能量,故全世界的科研工作人员正是通过各种手段探究利用各种不同的新技术使的转化为有用功的那部分能量在总能量中所占的比重最大。
为了降低燃烧损失,我们可以选择适当的提高气缸温度,但这样一来,排气的能量损失和传热损失就会增加,所以转化为发动机的有效功的能量就不一定会增加[6]。
因此,对发动机进行基于热力学第一定律的能量比例的分析就非常重要了。
1.4.1国外研究现状
对于内燃机的能量平衡研究主要是通过实验或者仿真模拟来进行的,国外对内燃机的研究起步较早,早在上世纪30年代,国外就有人对内燃机能量的平衡进行了研究。
其中很多都是研究了混合燃料对内燃机能量平衡的影响,比如F.Yu-ksel等人通过对四冲程汽油机进行汽油添加掺氢,研究了不同情况下的热平衡;I.Tasmaz等人对采用陶瓷衬套的的内燃机进行能量平衡研究,发现其采用陶瓷衬套后,传热损失有了很大的降低,而相应的排气能量有了大幅度提高等[7]。
随后Tsurushima,Harada等人对在的不同的燃烧模式下预混稀燃(PREDIC),均质混合压燃(HCCI)以及传统的柴油燃烧进行了热平衡分析[8],实验结果表明废气再循环在高负荷时可以对燃烧相位进行控制,在小负荷时可以促进预混稀燃的完全燃烧[22]。
同时美国能源部以及多家发动机企业正在实施一种叫做“超级卡车”的计划,目的就是通过一些新技术来逐步提高热效率等[8]。
1.4.2国内研究现状
近年来,我国在内燃机方面发展较为迅速,国内很多学者也对发动机的热平衡进行了相关的研究。
例如,徐州装载机厂的技术人员在高原及沙漠的恶劣环境下对轮式装载机进行了相关热平衡实验,优化了冷却系统的结构,提高了整机性能。
西安交通大学的韩冰等人在TY1100型柴油机上研究了不同的运转参数对热平衡的影响规律,在此基础上,姚波等人又在TY1100机型上分析研究了柴油-碳酸二甲酷(DMC)混合燃料的热平衡情况,实验结果表明,当混合燃料中DMC的比例控制在15%—20%时,与纯柴油发动机相比,热效率可以提高3%左右,传热损失与排气的能量所占的比例则相应的会降低。
装甲兵工程学院的毕小平教授利用GT-power软件建立了一个坦克上的柴油机模型,此模型采用集总参数法,充分考虑了燃烧和传热方式,这就为柴油机热平衡的研究提供了一种新得研究思路和方法[23]。
天津大学的尧命发教授也提出了一种新型的燃烧方式,在柴油喷入气缸之前,在进气道内首先喷入汽油,形成预混气。
根据工况不同而对柴油喷油时刻的控制来合理分布缸内的油气分层等,在明显提高了热效率的同时降低了有害物的排放等。
内燃机热平衡的整机仿真研究依赖于缸内工作过程与缸内传热仿真的发展程度,是热平衡仿真研究发展的必然趋势,热平衡的整机仿真在现阶段发展并不完善,它的基本思想是充分考虑内燃机的相关结构,对内燃机的各个系统分别建立仿真模型,然后将这些模型进行耦合,得到最终的整机仿真模型。
对于柴油机的能量平衡利用随着科技的发展还有待于进一步深入的研究,这也是应对当今世界能源短缺形势的必然要求。
1.5本文的研究内容及意义
1.5.1本文研究的意义
随着科技的发展,节能已经成为世界的主题之一,我国积极响应世界各国的号召,制定相应的法律法规[9]。
内燃机作为目前世界上应用比较广泛的动力机械,研究其能量的利用,实现节约燃料和提高能量转换效率有着重要的意义。
归结起来有以下几个方面:
(1)更好的掌握热量的分配情况,通过对转化为有用功的能量的研究可为进一步对柴油机经济性的提高指明方向;
(2)通过对排气能量与传热损失的能量的研究,可以为排气系统和冷却系统的设计与优化提供原始数据,选择合适的材料,进而能够在提高发动机性能的同时降低生产成本;
(3)通过仿真软件对新型强化发动机的工况模拟,可以预估其高温零部件在大负荷或者高转速等工况下温度是否过高等。
1.5.2本文研究的主要内容
研究柴油机能量平衡主要是研究柴油机在工作过程中的热量平衡,其研究方法主要是用实验仿真模拟的方法分析柴油机不同工况下燃料燃烧产生的热量分配情况[10],为柴油机各系统与柴油机的匹配提供优化依据。
燃料燃烧所产生的总热量转化为有效功、传给冷却水的热损失、排气热损失以及其余热损失的能量利用和分配情况[11]。
本文主要研究内容:
(1)使用GT-power的软件,构建一个单缸柴油机模型,验证完毕后,基于热力学第一定律,研究其在不同工况下(不同转速、负荷、EGR率、喷油提前角以及增压),各部分能量所占的比例。
(2)同时研究在对应工况下代表经济性的指示热效率的变化等。
第二章能量平衡的热力学分析方法
2.1发动机实物简化模型及其主要参数
2.1.1实物简化图
图2-1.包含废气再循环的单缸发动机实物简化图模型
图2-1为本次建模所需要的发动机事物简图,包括进排气系统、气缸、废气再循环系统。
说明:
图中1为单向阀,2为EGR阀,3为背压阀,且其中不同的颜色所代表的温度不同,红色代表的温度最高,橘黄色次之,依次为黄色,浅黄色,蓝色。
2.1.2主要参数
表1.发动机结构和技术参数
名称
技术主要参数
缸径/mm
行程/mm
连杆长度/mm
压缩比
活塞销偏置/mm
进气门开启时刻/°CAATDC
进气门关闭时刻/°CAATDC
排气门开启时刻/°CAATDC
排气门关闭时刻/°CAATDC
105
125
210
16.7
0.8
357
-110
134
376
2.2相关软件的介绍
2.2.1GT-power的软件介绍
GT-power是一款对发动机的工作过程进行模拟计算的软件,其具有和AVLBOOST相似的强大功能,该软件是一款由GammaTechnologies公司开发的并且具有发动机行业规定标准的模拟仿真工具,现在已经被世界上绝大多数汽车和发动机制造厂家以及供应商所使用。
GT-power软件具体来说是GT-Suite系列软件中的一部分,它涵盖了发动机本体、驱动系统、冷却系统、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构六个方面[12]。
该软件主要采用的是有限体积法进行流体的计算,计算的步长可以自动可调,拥有强大的辅助建模前处理工具,自带有丰富的燃烧模型,并且具有丰富的控制功能,能与SIMUINK进行耦合求解,能与三维的CFD软件进行耦合计算,自带有强大优化设计功能,能进行直接优化、DOE设计以及优化,能进行进、排气系统噪音的分析,能对进、排气系统的消音元件进行优化设计[13]。
图2-2GT-power初始化页面图
如图2-2所示,为GT-power初始化的页面。
图2-3GT-power主页面图
如图2-3为GT-power的操作主界面,数据库中含有建模所需要的所有模块,导航图的功能主要是当模型过大时,便于显示不同的区域,模型管理器中所有的组成是建模必须的模板,建模的区域可以用来定义不同的零件之间的连接关系。
本次毕业课题研究过程中,主要是基于GT-power求取数值结果,通过Origin软件进行折线图的绘制,使研究结果更直观形象的展示出来。
2.3软件模型的建立过程及其模型验证
2.3.1模型的建立过程
针对本次课题的分析,模拟工况利用单缸机模型即可,故利用GT-power搭建的发动机模型如下图2-4所示:
图2-4.单缸试验机模型
第一步,建立外部环境模型,环境模块主要是对大气的压力和温度的模拟等,开始时取外部环境气压为1个标准大气压,温度为300K,对于大气的成分,考虑到主要以氧气和氮气为主,在指针变量air的参数设置中,其质量分数分别取为0.767和0.233,如下图2-5所示。
在这里特别强调的是由于考虑到自己的是要以单缸机建模,考虑到对于单缸机废气涡轮增压系统的不稳定性,所以在该模型中没有设置涡轮增压实体模拟系统,而在后文的研究中需要考虑增压工况改变的影响,故在指导老师的允许下,同意通过改变进口环境的压力来模拟采用增压器的工况来获取相应的结论。
图2-5
第二步,建立进气系统,主要是进气道、进气口、进气阀相关参数的设定,在建模过程中,特别需要对管路的两连接端口的直径、长度、离散长度、表面粗糙度以及压力系数等参数进行定义,考其他的参数可以采用软件的默认值,需要强调的是离散长度参数的设置非常重要,它与计算精度和计算时间的长短密切相关。
考虑到需要模拟发动机的真实结构及参数,相应的加了不少弯管,将进气系统的长度大致控制在2米左右。
具体设置,见图2-6。
图2-6
还需要注意的是,进气阀模型,它是用来定义凸轮驱动气阀的特性,包括几何尺寸、升程曲线以及流体特性等。
而对于进气阀来说,其中最关键的是气阀定时角的确定,因为它会对充气效率产生直接的影响,从而对进气质量的好坏影响较大。
根据气阀的升程曲线、曲轴转角以及凸轮转角之间的关系可以对阀门的定时角度进行计算来精确的确定,在本文的研究中,由于没有给出实际发动机的所有参数,故考虑到与所建发动机的模型的匹配,气阀设置是参考的模板中参数。
图2-7
第三步,建立喷油器、气缸及曲轴模型(具体参数见表1)。
其中喷油器的设置非常重要,因为喷油器参数设置中含有在模拟在不同负荷下所必需的参数—每循环喷油量,至于喷油器的结构参数的选取,我们所选用的是喷油孔径为0.15mm的8孔的标准孔式喷油器。
其中定义柴油的实体为diesel2-combust,对于每个柴油蒸汽的分子中碳原子值值为13.5,氢原子值为23.6。
图2-8Wiebe函数参数设置图
在这里要注意的是传热模型所采用的是woschni半经验公式来计算气缸传热率,燃烧模型则选用的不可预测模型—EngCylcombDIWiebe模型(设置如图2-8),这个模型采用直喷,用三段韦伯函数(三条常规韦伯曲线的重合)来计算柴油机的燃烧放热率。
而对于曲轴模型的定义中,对发动机类型定义的是四冲程,对发动机转速的设置定义了一个变量[RPM],根据实际发动机中存在有摩擦,定义了发动机的摩擦系数,同时在曲轴定义中,有一项是对气缸的的最基本的结构参数进行设置,如缸径、行程、连杆长度、压缩比等,这些参数必须严格按照你所研究的真实发动机进行设定,在GT-power中参数设置如下图2-9所示。
图2-9发动机的主要结构参数
第四步,建立排气系统,主要是排气阀、排气口以及排气管路参数的设置,重要的参数还是管径大小、长度、离散长度、粗糙度以及壁温等。
考虑到实际发动机中的结构,保证模拟环境与真实的环境差别不是太大而相应的增加了背压阀和弯管等,而特别重要的排气阀定时角的确定;
第五步,建立废气再循环系统,由于在本次课题研究中,需要控制EGR率不同,因此简单的模拟了一下废气再循环系统。
考虑到本次课题研究的重点及个人能力,废气再循环管路中未涉及冷却,只是在循环管路中增加一个EGR阀门,在这里主要是通过设置参数中的阀门孔径大小,控制通过阀门的废气量来控制EGR率。
第六步,建立出口环境,其设置参数与进口环境的设置差不多。
2.3.2模型的验证
在模型的验证中主要考虑的是放热曲线、温度曲线、以及压力曲
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于GTpower的柴油机能量平衡分析 论文 基于 GTpower 柴油机 能量 平衡 分析