燃烧放热率计算

1.示功图计算燃烧放热率的原理由示功图计算燃烧放热率的出发点是热力学第一定律。在计算放热率时，采用零维燃烧模型，认为气缸内为均匀分布的混合气。燃料燃烧放出的热量一部分用于提高缸内气体的内能并用来对外做功，一部分传给燃烧室壁构成散热损失，燃烧过程中任一瞬时的热量平衡方程式为：Qf=Q+Qw=∆U+W+Qw式中：Qf——该瞬时前燃料燃烧放出的热量；Q——该瞬时前缸内气体吸收的热量；Qw——该瞬时前传给缸壁的热量；∆U=U−Ua，其中Ua为计算始点气体内能；W——从计算始点至该瞬时气体所做的功。在步长∆φ曲柄转角内有：∆Qf=∆U+∆W+∆Qw为了计算∆φ步长内的燃烧放热量∆Qf，即放热率，可以根据实测的p-ϕ示功图及有关参数，分别算出∆φ步长内的内能变化量∆U，做功量∆W和散热量∆Qw。1.1内能变化∆U=McvT−M0cv0T0式中：M、M0——某瞬时、压缩始点缸内工质物质的量，kmol；cv、cv0——某瞬时、压缩始点缸内工质的平均定容比热，kJ/(kmol∙K)；T、T0——某瞬时、压缩始点缸内工质的温度，K。1.1.1工质物质的量M0=(1+r)∙gf∙L0∙aM(j)=M0∙[1+X(j)]μ0∙L0∙(1+r)∙a式中：r——残余废气系数；gf——循环喷油量；L0——燃料燃烧理论上所需空气量（kg/kg）；a——过量空气系数；X(j)——至该曲柄转角已燃烧的燃油百分比；μ0——空气的千克分子量（28.97kmol/kg）。L0=10.21(gC12+gH4−gO32)式中：gC、gH、gO——1kg燃料中碳、氢、氧的重量成分。对于一般的轻柴油L0=14.3kg/kg。1.1.2工质温度由气体状态方程：T=pVMR式中：R——摩尔气体常数，8.3145J/（mol.K）；V——瞬时气缸容积，m^3；V=πD24{Sε−1+S2[(1+1λ)−(cos(π180φ)+1λ√1−λ2sin2(π180φ))]}式中：D——气缸直径；ε——压缩比；S——冲程；λ——连杆曲柄比；φ——曲柄转角，上止点时φ=0。1.1.3平均定容比热根据空气的平均定容摩尔比热cva、纯燃烧产物的平均定容摩尔比热cve、以及混合气体中纯燃烧产物所占的比例kr可以求出工质混合气的平均定容摩尔比热：cv=krcve+(1−kr)cva其中：kr=(a−1+B0)B0X+B0ra(a−1+B0)[(1+r)a+X(B0−1)]cva=4.1868(a0+b0∙T+c0∙T2)cve=4.1868(ar+br∙T+cr∙T2)式中：B0——燃料与空气按化学反应当量比混合，完全燃烧时的理论分子变化系数；B0=1+gH4+gO32L0a0、b0、c0——纯燃烧产物参数；ar、br、cr——空气参数；T——缸内工质温度，K。1.2做功量根据实测示功图中的压力值p可算出：∆W=p(j)+p(j−1)2×[V(j)−V(j−1)]1.3工质与燃烧室壁面换热∆Qw=16n∑αg∙Ai∙(T−Twi)3i=1式中：n——发动机转速，r/min；αg——瞬时传热系数，W/(m2∙K)；Ai——换热面积，m2；Twi——燃烧室壁面温度，K。对于四冲程小型柴油机换热系数采用Sitikei公式：αg=0.205(1+b)p0.7Cm0.7de0.3T0.2式中：b——经验常数，对于直喷式燃烧室b=0.12；Cm——活塞平均速度，Cm=n×S30；de——当量直径，de=2D∙hφD+2hφ；hφ——曲柄转角为φ时，活塞顶面距气缸盖燃烧室表面的距离，m；对于大型低速二冲程柴油机换热系数采用Eichelberg公式ag=29.8√Cm3√pT实验证明，该公式对活塞平均速度的估计过低，因此√Cm3采用Cm0.6代替，更符合实际。1.4已然燃油百分比X=Qfgf∙Hu∙1000式中：Qf——至该曲柄转角的累积放热量；Hu——燃油低热值，kJ/kg。2差分法放热率计算程序流程图输入（载入）初始参数，载入示功图压力数据示功图修正：生成曲柄转角，压力单位矫正，相对压力矫正，光顺处理计算活塞位移t(i)，气缸容积V(i)，初始内能，做功量∆W(i)，赋已燃百分比迭代初值X(i)，X(1)=0计算T(i),U(i)，∆U(i)，∆Qw(i)，∆Qf(i)，Qf(i)，X’(i)X’(i)收敛于X(i)?X(i)=X’(i)开始N输出结果：燃烧放热率；已燃燃油百分比随曲柄转角变化曲线Y结束3燃烧放热率计算软件介绍基于以上燃烧放热率计算原理及程序流程图在Labview平台上开发的燃烧放热率计算软件如下图所示。该软件可以实现对四冲程和二冲程柴油机的燃烧放热率计算，载入的示功图文件可以是包含或不包含曲柄转角信息的示功图，实现了对示功图压力单位的修正，光顺次数调整等。并能保存输入参数，以便实现下次运行时可以直接载入已保存的输入参数。本软件的操作界面包括：程序控制区、参数输入区、结果显示去。其操作流程为：1.单击“载入数据”按钮，载入以保存的输入参数。或在参数输入区输入计算所需的各种参数，然后单击“载入示功图”按钮，载入示功图文件。2.单击“运行”按钮，显示计算结果：修正后的示功图，燃烧放热率，已燃燃油百分比。3.修改输入参数，单击“运行”，查看计算结果变化。4.单击“保存数据”按钮，保存输入参数及示功图为二进制文件。下次运行时可以直接载入该文件。4AVL燃烧放热率计算结果对比4.1小型四冲程高速柴油机本软件计算结果如下：AVL中计算结果：4.2大型低速二冲程柴油机本软件计算结果：AVL中计算结果：