6章22压燃式内燃机燃烧分析-2010

1 燃烧放热规律计算（续1）


缸内压力P=f(V)；P=f(φ)；P=f(φ) 求解dQ/dφ
(1) 能量守恒；气体状态方程；质量守恒； (2) 零维假设 (3) 其它简化假设：忽略泄露、喷油规律、完全燃烧… … (4)推导： a) 离散化：将燃烧过程（曲轴转角）用m个点离散成 m-1段，推导每个离散段内的近似放热量公式。 b) 初始点。对循环过程可通过初终点应重合来调整计 算初值。 c）微分方程的数值解：由初值逐步推出其它时刻的值。 （欧拉法、龙格-库塔法）
2 代用燃烧放热规律
dQB/d ；放热率dx/d
dQB/d =Hu*g f*ηM*dx/d x— 已燃燃料的百分比；dx/d — 燃烧放热率；HU— 燃料低热值；gf— 循环供油量；ηM — 燃烧效率，对 柴油机稳定燃烧ηM 1 一般情况下： 获取燃烧规律并不是目的，而是进行性能等计 算、燃烧分析的中间手段。这时候可以采用一些等 效的代用燃烧放热规律。 这些代用燃烧放热规律的等效性往往要用试验 来确定，保证最大爆压、最终指标一致。
高速重载柴油机的基本要求
1. 满足有关的排放法规要求，主要为 PM和NOx排放的权衡。 2. NVH（noise,vibration,harsh）低。 低噪、低振、低刺耳 3. 强化程度（pmevm）高，扭矩特性好 4. 经济性高，be低 5. 商业前景好
柴油机燃烧组织的主要目的
1. 燃烧噪音 2. 颗粒排放 3. NOx排放 4. 升功率
（4）棚泽模型
该模型从燃油喷雾的粒度分布出发，按单一油滴的蒸发和燃烧来估 计放热率。公式如下：
Cb t x 1 exp 3 2 4
Cb t 1 2 4
0.75
0.25

2/ms） t：时间（ms）；Cb：燃烧系数（
低速机多为单峰，单峰 也可用双韦伯公式（精确） 为了降低排放，着火已 经在上止点后，速燃期燃烧 量少，双峰不明显。
喷油延迟 着火延迟 几何供 油规律 Nhomakorabea燃烧规律
实际喷 油规律
φ
（2）双韦伯公式
Qd、 ZP 、 Zd推荐值
机型 高速开式燃烧室增压 Qd 0.6~0.8 0.6~0.8 0.6~0.8 0.6~0.8 0.6~0.8
3 2 ：分区索特平均直径 SMDmicro x n / x ni i i i
（1）韦伯燃烧规律
不同工况参数修正
0 VA FB EV ZV
0、 VA为燃烧起始角； FB为几何供油起始角； EV为喷油延迟角； ZV为着火延迟角。 对于变工况：
( ( ( 0 VA VA0 FB0 FB) EV0 EV ) ZV 0 ZV )
ZP /℃A Zd/ ℃A
14~18 16~20 12~14 30~40 14~18 65~80 65~80 60~75 50~70 80~95
dx/dφ
高速半开式燃烧室 中速增压 低速增压 mp 高速预燃室燃烧室
Qp
md Qd φZd
τ φZP φZ
φ
（3）余弦放热率曲线
x=0.5*(1-cosπ[( - 0)/ ZP ])
二 燃烧放热规律


燃烧放热规律的求取方法：
1) 通过实测缸内压力求得（燃烧分析仪）

①测量精度的影响 ②发动机稳定性的影响 ③计算求取精度的影响（大量假设）

2) 通过化学反映动力学的燃烧机理或以油滴燃烧理论出 发建立半理论、半经验的燃烧方程。

①燃烧方程的适用性 ②燃烧方程参数的确定 ③需要试验验证（可以用单缸试验验证） ④需要经验积累

pV MRT
n
R pV c Mc T k 1 k 1
n




d ( pV ) pnVn pn 1Vn 1 Un d ( Mc T ) n 1 n 1 k 1 k 1 2 2 2 气缸容积 Vn Vc D S n Vc D (1 cos sin ) 4 4 2 p n 1 pn 在 微元期间作功， Wn (Vn Vn 1) 利用梯形法 2 3 QWn Twi ) 微元期间散热量 gn Fin (Tn 21600n 1
燃烧噪音理论
（1）气体动力载荷— — 爆发压力激励
速燃期 预混合快速燃烧 压力升高率高 复杂的内燃机结构 有众多固有频率 敲击零件壁面 激发共振
敲击包含多种频率 的不同幅值的载荷
传力结构
声辐射表面
燃烧产生的噪音多数处于中、高频范围，即处于对人的感觉来说最不愉快的频段
（2）气体振荡
燃烧压力波在燃烧室内的多次反射，形成气体高频振荡，产生高频噪音。柴油机中 气体高频振荡频率一般较高，它不受转速、负荷的影响
下标0表示工况变化前确定的值
不同工况参数修正
如果高压油管中的压力传递时间不变，且残余压力大于0，则： 喷油延迟角的变化（时间~一定，角度与转速成正比）:
EV VE 0
着火延滞时间：
n , n0
供油提前角 const FB
p— 100kPa,T-K
7800 7800 0. 7 1 .8 3 RT RT 0 . 5 0 . 135 e p 4 . 8 e p 10 (s ) v 0 .6 0 .5 n V0 燃烧延续角： Z Z 0 v =φa —过量空气系数 n V 0

四 新概念现象学燃烧模型
一 主要研究内容
1.代用燃料(二甲醚、生物油、FT油… )的燃烧与排放特性 2.排放机外处理技术(冷EGR、 SCR、后处理技术… … ) 3.高压可控喷射(喷油规律… … ) 4.缸内气流与能谱设计 5.燃烧、排放、传热仿真模型 6.新型燃烧方式 7.燃烧控制(气流、喷雾、燃烧室、边界… … ) 8.减噪技术 ……
第六章— — 第二部分 压燃式内燃机燃烧分析
高等内燃机学
北京理工大学
本章研究内容 柴油机燃烧过程 一 主要研究内容 二 燃烧放热规律
1 计算方法 2 半理论模型

三 新型燃烧方式
1 均质充量压缩燃烧HCCI（美） 2 预混稀薄燃烧过程PREDIC（日） 3 低温预混合燃烧MK（日）
技术方向：
（1）柴油机转速n ； （2）内燃机冲程数 ； （3）进气密度 s — 增压中冷；（4 ）充量系数 c — 多气门 （5）过量空气系数 a ； （6）循环指示效率 it （7）内燃机机械效率 m
2、提高升功率
p me n 1 it H u 1 PL c m sn 4 30 3 10 a l0
由缸内燃烧、喷雾、气流计算预测放热规律的难度（法4） 1. 燃烧伴随着喷油、蒸发、混合，由混合气、空气、油 雾、油滴等组成的工质具有不均匀分布，并随时间不断 变化，其热力学能和焓值很难计算。 2. 燃烧以后的生成物仍是不均匀的，它的成分也在不断 地变化。 3.发动机中的传热至今很难进行精确计算。 发动机的缝隙效应，包括进、出缝隙的工值数量以及缝 隙对传热的影响难以精确计算。 （第一环上增加一道顶 环、缸套上增加凸台）
燃烧速度、燃 烧滞后
燃烧方式
燃烧匹配
放热规律
1、燃烧噪音
机理：
压力升高率高
成因分析：
① 柴油机速燃期燃烧速率高滞燃期准备的可燃混合气多。 ② 汽油机爆燃（4~6kHz高频噪音），汽油机正常的燃烧噪 音占次要地位。
降低柴油机燃烧噪音的技术措施：
① 提高十六烷值 ② 预喷射、分段喷射高压共轨、可控喷射 ③ 燃烧室几何形状、气体流动 ④ 冷却系统改进
x 1 e
1 ay m
（1）韦伯燃烧规律
韦伯从化学反应动力学的观点推导出的半经验燃烧函数方程 式
燃烧放热百分率 x 1 e
1 6.908 y m
0 y z
m 1 dx m 1 m 6.908 y 6.906 y e d z
0— 燃烧起始角； Z— 燃烧持续角；m — 燃料品质系数。
cc fg 2D
2、提高升功率
p me n 1 it H u 1 PL c m sn 4 30 3 10 a l0
其中： n为转速； 为内燃机冲程数； s为进气密度； c为充 量系数； a 为过量空气系数； it为循环指示效率； m 为内 燃机机械效率。而 Hu、 l0 为燃料的低热值和化学计量空燃 比，变化不大，认为是常数。
p Z TZ 0 ZV 0 燃烧品质系数： m m0 p Z 0TZ ZV
着火延迟角
0 .6
n n0

0 .3
（2）双韦伯公式
(mp+1)}(1-Q )+ x=x1+x2=1-exp{-6.908*[( - )/ ] 0 ZP d (md+1)}Q -(扩散燃烧比例) 1-exp{-6.908*[( - -τ)/ ] 0 Zd d
1. 二冲程τ 2. 转速n
经济性、热负荷、换气质量、泵等工作频率、可靠性 1.惯性力、机械损失 ηm；轴承载荷、磨损、摩擦生 热散热 可靠性问题 2.燃烧持续角增加ηit 3.进气阻力增加φc 1.提高最高爆发压力 >180bar，铝合金已难承担
3. 平均有效 压力pme
大幅度提高爆发压力零件强度、重量 、散热、噪 声、振动 η m、可靠性 2.延长等压燃烧的时间效率，后燃导致平均温度增 加，热负荷增加；最高温度增加，NOx增加
1 燃烧放热规律计算（续2）