船用二沖程低速柴油機掃排氣量計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種船用二沖程低速柴油機掃排氣量計算方法，本發(fā)明通過應(yīng)用數(shù)學模型實時計算柴油機的掃氣流量、排煙流量和換氣過程不同階段排出到排煙集箱中的氣體量；通過利用理想氣體狀態(tài)方程，并結(jié)合配氣相位計算出單循環(huán)中自由排氣排出的廢氣量、掃氣過程的進排氣量和后排氣過程的排氣量；根據(jù)船用二沖程低速柴油機的氣缸數(shù)和轉(zhuǎn)速進而得出掃氣流量和排煙流量。本發(fā)明可快速、準確的預(yù)測掃氣流量和排氣流量，通用性強，為分析柴油機工作狀態(tài)、提高柴油機性能提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。
【專利說明】船用二沖程低速柴油機掃排氣量計算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于工程熱力學【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種船用二沖程低速柴油機掃排氣量 計算方法，用于計算船用二沖程低速柴油機的掃氣量和排煙量。

【背景技術(shù)】
[0002] 船用二沖程低速柴油機掃排氣流量巨大，難以直接測量，但是換氣質(zhì)量直接影響 排煙溫度、排煙損失，對柴油機性能有直接的重大影響。因而快速、準確的計算掃氣量、排煙 量進而分析優(yōu)化換氣過程至關(guān)重要。
[0003] 由于船用二沖程低速柴油機換氣過程的重要性，國內(nèi)外非常重視換氣過程的研 宄。經(jīng)多年研宄，換氣過程理論包括"完全混合"、"完全清掃"、"分層掃氣"等模型。"完全混 合"和"完全清掃"模型由于把換氣狀態(tài)理想化完全混合或完全排出廢氣，計算簡單、迅速， 但是精度不夠。"分層掃氣"模型計算比較準確，但是計算復(fù)雜、計算量大，不滿足工程實時 顯示的要求。上海交通大學顧宏中教授九十年代提出了"濃排氣"模型，"濃排氣"模型計算 迅速、簡單準確，應(yīng)用廣泛。但是"濃排氣"模型難以滿足不同型號柴油機，通用性不強，在 工程上應(yīng)用受到限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于船用二沖程低速柴油機轉(zhuǎn)速等 數(shù)據(jù)的船用二沖程低速柴油機掃排氣量計算方法，該方法能快速準確的計算出不同負荷下 換氣過程的掃氣量和排煙量，通用性強，為分析柴油機工作狀態(tài)、保證優(yōu)良性能提供可靠的 數(shù)據(jù)。
[0005] 本發(fā)明思路為：根據(jù)船用二沖程柴油機換氣過程的自由排氣過程、掃氣過程和后 排氣過程三個階段結(jié)合配氣相位角、柴油機工作負荷分別計算不同階段的進排氣量。三個 階段的進排氣量之和為單循環(huán)的進排氣總量，除以相應(yīng)的單循環(huán)所需時間乘以缸數(shù)就得到 相應(yīng)的掃氣量和排煙量。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0007] -種船用二沖程低速柴油機掃排氣量計算方法，包括步驟：
[0008] 步驟1，模擬自由排氣過程，本步驟進一步包括子步驟：
[0009] I. 1以壓縮始點掃氣集箱的壓力為壓縮始點氣缸內(nèi)壓力，根據(jù)壓縮始點的曲軸轉(zhuǎn) 角計算壓縮始點氣缸工作容積，根據(jù)壓縮始點掃氣集箱中新鮮空氣溫度1\獲得壓縮始點氣 缸內(nèi)氣體溫度I； =313 + #(7；-273)，基于理想氣體狀態(tài)方程計算壓縮始點氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量 6 ITl1;
[0010] 1. 2根據(jù)壓縮始點氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量叫獲得膨脹終點氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量m2;
[0011] 1.3以自由排氣過程結(jié)束時排煙集箱的壓力為自由排氣過程結(jié)束時的氣缸內(nèi)壓 力，根據(jù)自由排氣過程結(jié)束時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角計算氣缸工作容積，根據(jù)膨脹終點氣缸內(nèi)氣 體的熱力學參數(shù)和自由排氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)壓力計算自由排氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體 溫度，基于理想氣體狀態(tài)方程計算自由排氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量m3;
[0012] 1. 4基于質(zhì)量守恒定律獲得自由排氣過程廢氣排出質(zhì)量IiibldIut =m2-m3;
[0013] 步驟2,模擬掃氣過程，本步驟進一步包括子步驟：
[0014] 2. 1以掃氣過程結(jié)束時掃氣集箱的壓力為掃氣過程結(jié)束時的氣缸內(nèi)壓力，根據(jù)掃 氣過程結(jié)束時的曲軸轉(zhuǎn)角計算掃氣過程結(jié)束時氣缸工作容積，根據(jù)掃氣過程結(jié)束時掃氣集 箱中新鮮空氣溫度!\獲得掃氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體溫度7； =313 + ^(7; -273)，基于理想 6 氣體狀態(tài)方程計算掃氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量m4;
[0015] 2. 2基于質(zhì)量守恒定律獲得掃氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)廢氣質(zhì)量m5=m4-m4 ·η、留在 氣缸內(nèi)新鮮空氣質(zhì)量Hi6=m4 ·η和滑移氣體量m7=m4 ·η·s，其中，η表示掃氣效率， 為經(jīng)驗值；s為滑移系數(shù)，s= 1. 14-0. 75 ·f，f表示主機負荷；
[0016] 2. 3基于質(zhì)量守恒定律獲得掃氣過程排出到排氣管的氣體總量1118=m7+m3-m5;
[0017] 步驟3,后排氣過程模擬，具體為：
[0018] 根據(jù)壓縮始點氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量Hl1和掃氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量1114獲得后排 氣過程排出到排煙總管中的氣體量Hl9=Hl4-Hl1;
[0019] 步驟4,柴油機掃排氣量計算，本步驟進一步包括子步驟：
[0020] 4. 1基于質(zhì)量守恒定律獲得柴油機單缸單循環(huán)掃氣總量min=m6+m7;
[0021] 4.2基于質(zhì)量守恒定律獲得柴油機單缸單循環(huán)排氣總量，即排煙量HIwt = mbld-QUt+m8+m9;
[0022] 4. 3將各進排氣量和排煙量分別除以單循環(huán)時間并乘以氣缸數(shù)，即獲得對應(yīng)的進 排氣流量和排煙流量。
[0023] 步驟I. 1中所述的壓縮始點氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量Hi1=P1 *V/(R·T1),其中，P1為壓縮 始點氣缸內(nèi)壓力，V1為壓縮始點氣缸工作容積，R為空氣氣體常數(shù)，Ti為壓縮始點氣缸內(nèi)氣 體溫度。
[0024] 步驟1. 2中所述的膨脹終點氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量m2=mi+mf，其中，壓縮始點氣缸 內(nèi)氣體質(zhì)量;mf為單缸單循環(huán)燃燒消耗的燃油量。
[0025] 步驟1. 3中所述的自由排氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量m3=P3 ·V3ARe ·T3)，其 中，P3為自由排氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)壓力，V3為自由排氣過程結(jié)束時氣缸工作容積，Re為標 準煙氣的氣體常數(shù)；T3為自由排氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體溫度，C= hK，T2為膨脹 終點氣缸內(nèi)氣體溫度，P2為膨脹終點氣缸內(nèi)壓力，P3S自由排氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)壓力，η為多變膨脹指數(shù)。
[0026] 步驟2. 1中所述的掃氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量m4=P4 ·V/(R·T4)，其中，P4 為掃氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)壓力，V4為掃氣過程結(jié)束時氣缸工作容積，R為空氣氣體常數(shù)；T4 為掃氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體溫度。
[0027] 步驟1. 1、1. 3和2. 1中所述的氣缸工作容積根據(jù)對應(yīng)時刻的曲軸轉(zhuǎn)角計算獲得， 具體為：
[0028]

【權(quán)利要求】
1.船用二沖程低速柴油機掃排氣量計算方法，其特征在于，包括步驟： 步驟1，模擬自由排氣過程，本步驟進一步包括子步驟： 1.1以壓縮始點掃氣集箱的壓力為壓縮始點氣缸內(nèi)壓力，根據(jù)壓縮始點的曲軸轉(zhuǎn)角計 算壓縮始點氣缸工作容積，根據(jù)壓縮始點掃氣集箱中新鮮空氣溫度Ti獲得壓縮始點氣缸內(nèi) 氣體溫撞
，基于理想氣體狀態(tài)方程計算壓縮始點氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量m1; 1. 2根據(jù)壓縮始點氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量叫獲得膨脹終點氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量m2; 1.3以自由排氣過程結(jié)束時排煙集箱的壓力為自由排氣過程結(jié)束時的氣缸內(nèi)壓力，根 據(jù)自由排氣過程結(jié)束時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角計算氣缸工作容積，根據(jù)膨脹終點氣缸內(nèi)氣體的熱 力學參數(shù)和自由排氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)壓力計算自由排氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體溫度，基 于理想氣體狀態(tài)方程計算自由排氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量m3; 1. 4基于質(zhì)量守恒定律獲得自由排氣過程廢氣排出質(zhì)量!]!___=m2-m3; 步驟2,模擬掃氣過程，本步驟進一步包括子步驟： 2. 1以掃氣過程結(jié)束時掃氣集箱的壓力為掃氣過程結(jié)束時的氣缸內(nèi)壓力，根據(jù)掃氣過 程結(jié)束時的曲軸轉(zhuǎn)角計算掃氣過程結(jié)束時氣缸工作容積，根據(jù)掃氣過程結(jié)束時掃氣集箱中 新鮮空氣溫度1\獲得掃氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體溫度
，基于理想氣體 狀態(tài)方程計算掃氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量m4; 2. 2基于質(zhì)量守恒定律獲得掃氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)廢氣質(zhì)量m5=m4-m4 ?n、留在氣缸 內(nèi)新鮮空氣質(zhì)量1116=m4 ?n和滑移氣體量m7=m4 ?n?S，其中，n表示掃氣效率，為經(jīng) 驗值；S為滑移系數(shù)，s= 1. 14-0. 75 ?f，f表示主機負荷； 2. 3基于質(zhì)量守恒定律獲得掃氣過程排出到排氣管的氣體總量叫二m7+m3-m5; 步驟3,后排氣過程模擬，具體為： 根據(jù)壓縮始點氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量叫和掃氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量m4獲得后排氣過 程排出到排煙總管中的氣體量1119=m4-m1; 步驟4,柴油機掃排氣量計算，本步驟進一步包括子步驟： 4. 1基于質(zhì)量守恒定律獲得柴油機單缸單循環(huán)掃氣總量min=m6+m7; 4. 2基于質(zhì)量守恒定律獲得柴油機單缸單循環(huán)排氣總量，即排煙量!vt =mbld-QUt+m8+m9; 4. 3將各進排氣量和排煙量分別除以單循環(huán)時間并乘以氣缸數(shù)，即獲得對應(yīng)的進排氣 流量和排煙流量。
2. 如權(quán)利要求1所述的船用二沖程低速柴油機掃排氣量計算方法，其特征在于： 步驟1. 1中所述的壓縮始點氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量％=Pi 1\)，其中，Pi為壓縮始點 氣缸內(nèi)壓力，Vi為壓縮始點氣缸工作容積，R為空氣氣體常數(shù)，Ti為壓縮始點氣缸內(nèi)氣體溫 度。
3. 如權(quán)利要求1所述的船用二沖程低速柴油機掃排氣量計算方法，其特征在于： 步驟1. 2中所述的膨脹終點氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量m2=Hii+nif，其中，nii為壓縮始點氣缸內(nèi)氣 體質(zhì)量;mf為單缸單循環(huán)燃燒消耗的燃油量。
4. 如權(quán)利要求1所述的船用二沖程低速柴油機掃排氣量計算方法，其特征在于： 步驟1. 3中所述的自由排氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量m3=P3 ?V3ARe ?T3)，其中，P3 為自由排氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)壓力，V3為自由排氣過程結(jié)束時氣缸工作容積，為標準煙 氣的氣體常數(shù)；T3為自由排氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體溫度，
'T2為膨脹終點 氣缸內(nèi)氣體溫度，P2為膨脹終點氣缸內(nèi)壓力，P3為自由排氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)壓力，n為多 變膨脹指數(shù)。
5. 如權(quán)利要求1所述的船用二沖程低速柴油機掃排氣量計算方法，其特征在于： 步驟2. 1中所述的掃氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量 氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)壓力，V4為掃氣過程結(jié)束時氣缸工作容積，R為空氣氣體常數(shù)；T4為掃 氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)氣體溫度。
6. 如權(quán)利要求1所述的船用二沖程低速柴油機掃排氣量計算方法，其特征在于： 步驟1. 1、1. 3和2. 1中所述的氣缸工作容積根據(jù)對應(yīng)時刻的曲軸轉(zhuǎn)角計算獲得，具體 為：
其中，D為氣缸內(nèi)徑；S為活塞沖程；e為幾何壓縮比，為柴油機基本參數(shù)；A為連桿曲 柄比；P為對應(yīng)時刻的曲軸轉(zhuǎn)角，根據(jù)配氣相位圖計算，以曲柄在上止點時，即0=〇I時開始 計算。
【文檔編號】G06F19/00GK104484552SQ201410668567
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】李彥軍, 申振宇, 孫寶芝, 張國磊, 宋福元, 李曉明, 楊龍濱, 韓懷志, 張鵬 申請人:哈爾濱工程大學