文摘
最常用的商业引擎模拟软件包生成详细的燃烧和气流参数估计。这些参数需要先进的流体流动和传热的研究和发展的引擎组件的几何图形。然而,发动机控制涉及到不同的操作参数。各种传感器安装到发动机,燃烧性能记录和数据发送到发动机控制单元(ECU)。ECU计算新设置的参数进行精细调整执行机构提供更好的发动机的性能。这些技术包括可变气门正时、点火时间的变量,变量的空气燃料比和可变压缩比。在目前的研究中,两个商业软件包,里卡多·波和Lotus发动机仿真,测试发动机控制功能的目的。这些包与一个内部开发的包可以从文献和参考结果。不同数值实验进行了从它可以得出的结论是,所有包预测类似发动机汽缸的压力和温度。此外,那些都是在合理的协议与参考结果内部开发的包以变化的速度是可能的运行模拟发动机控制的目的。
1。介绍
最近,控制工程师在汽车行业已经被质疑的任务提高燃料消耗和发动机的性能,同时减少污染物的排放。引擎配备电子控制提供灵活地调整发动机参数达到某些性能。然而,必须指出的是,这些要求可能会导致矛盾的约束满足的控制算法。
电子控制系统的重要组成部分是发动机控制单元(ECU),电子设备,连接到发动机传感器和致动器来计算所需的最佳参数进行有效的燃烧,从而提供更清洁的废气和更好的发动机性能1]。
传感器连接到ECU图1可用于开环策略,如气流传感器、空气温度传感器、节气门位置传感器。在开环配置中,ECU根据传感器输出调整发动机参数的帮助下查找表。其他类型的传感器,如氧传感器,发动机温度传感器,进气流量传感器用于闭环控制配置。发动机参数,如点火时间,然后根据反馈不断更新特定的传感器。
为了制定合适的控制策略,仿真一直是一个有价值的工具来预测和优化发动机控制系统中的关键参数。它允许灵活、低成本的发展控制算法不需要发动机的床。一旦算法被开发和测试,它可以安装到ECU。
各种商业软件包开发,可用于解决工程问题的设计与优化内燃机(冰)。有四个主要动力模拟商业软件包用于今天的汽车工业:里卡多·波(RW), Lotus发动机仿真(LESoft), AVL火,GT-Power。这些包在目的和功能是相似的。他们需要详细的输入参数来模拟发动机操作在一个集成的方式而不是使用不同的子系统。
LESoft由莲花工程内部开发的代码。包流程引擎模拟两个模块,模块和数据解算器模块(2]。引擎模块允许用户输入的数据维度数据。解算器模块域是一个建在燃烧和传热方程和燃料/气体组分解算器根据用户输入的数据在数据模块。代码是能够预测气体流,燃烧和冰的整体性能。
RW发动机仿真方案设计分析压力波的动力学,大规模流动,能量损失在导管中,以下,集合管的各种系统和机器(3]。RW使用发育提供了仿真时间的流体动力学和热力学模型。
然而,软件成本通常禁止使用在小型组织,主要是特定于行业的软件包。此外,商业软件包是基于计算流体动力学(CFD),因为他们是为了提高发动机的机械方面。而力学模型用于计算引擎的移动部件为了获得发动机转矩和加速度,控制模型是用于允许计算反馈控制方案优化发动机的性能,如可变气门正时、点火正时,空气燃料比和其他变量几何图形引擎系统。的开源软件包由小型研究小组已经开发来解决具体问题。
内部包,Matlab引擎模拟代码(制),金斯顿大学开发的解决方案的优化与冰的开发和操作相关的问题。代码解决了一个完整的发动机循环和压缩、燃烧,膨胀,排气,摄入中风在单缸模型。用户可以指定圆柱几何和输入数据,如空气和燃料成分、阀和点火正时,发动机转速,参数对传热和热释放子。解算器是基于发育模型,利用热力学第一定律和真实气体法计算压力、温度、热流和其他功能。上商业软件包相比,代码提供了更多的灵活性在发动机控制使用各种燃料的成分。
本研究的目的是调查商业引擎的功能仿真软件包和内部控制优化问题的Matlab代码。研究了不同的包的灵活性和准确性的冰模型进行比较。
本文组织如下。所需的主要参数介绍了发动机控制部分2。后面的子节中描述的仿真软件包3。比较不同的包在特定条件下和软件仿真结果提出了部分4。最后,结论部分5。
2。引擎控制变量
在压缩冲程的发动机,混合物上升到高温度和最大压力。ECU控制压力和温度认为进气,燃油喷射,废气再循环,注射时间、点火时间如果应用。有一些研究致力于修改圆柱几何图形的机械部件的帮助来改变压缩比在需要的时候(4,5]。本节解释当前在这一领域的进步。
2.1。操作参数
冰的表现取决于几个几何和热力学参数。燃烧室的容积计算气缸的尺寸。圆柱体被假定为一个固定孔大小和中风的长度。当活塞移动,根据crank-slider体积计算模型依赖于连杆长度作为曲柄角的函数。活塞运动也是一个因素来估算传热,漏气损失,由于摩擦能量损失。燃烧性能是治疗用热力学计算放热的子。
2.2。避免自燃和引擎敲门
自燃发生当混合物达到自燃温度和点燃燃烧室的不同部分而火花塞点燃,造成多个帧信封燃烧室中产生。合成所需的能量不定位在设计位置推动活塞。不同的燃料成分有不同的自燃温度,例如,甲烷是540°C和柴油燃料是260°C。发动机控制是设计最佳的性能,同时避免自燃。发动机引擎敲门时发生火灾的火花在错误的时间错误的空气燃料比。它影响着发动机的性能和可能导致损害引擎。爆震传感器的最新技术可以估计汽缸可能敲,从而阻碍特定气缸的点火角。这可以通过使用的爆震控制。爆震控制系统由进气流量传感器、信号处理单元,使控制器,集成在ECU。
2.3。进气歧管长度和体积
几何的进气歧管影响空气/燃料混合物的流动。进气歧管的长度可以改变在一些引擎使用可调机械零件(6,7]。它影响燃烧室内部的湍流混合,因此影响压力和燃烧速度持续时间。
2.4。开始燃烧
的发动机控制、火花塞可以由ECU控制来决定是否需要点燃混合物的火花。它让更多的灵活性与火花点火发动机压缩点火,根据发动机条件。
在燃烧中开发的最大压力应该发生在10到40度超出TDC根据发动机转速和发动机负载。燃烧的天然气需要比较长时间燃烧;因此,必须定时出现在TDC火花。正确的点火时间是重要的给最高的发动机功率没有敲门。如果火花的时间太早,快速燃烧引擎结果敲门;相反,火花会导致后期缓慢燃烧,导致较低的发动机功率和燃油经济性差。点火的最佳时刻是一个多变量的函数,如发动机转速和发动机负载。
2.5。气门正时和气门升程
阀门开缸确定数量的气体可能进入(进气阀)或退出(排气阀)或从燃烧室8]。它还决定了流量,因此压力和温度而发生燃烧。有效的压缩比可以影响阀门时机。在旧引擎,阀门打开的时间是固定的由于机械零件的几何形状,也就是说,凸轮轴和阀瓣。研究表明,发动机在不同执行不同的旋转速度和不同负载(9- - - - - -12]。当前可变气门正时系统(VVT)仅限于设计阀由于叶的维数。主要有两种方法在凸轮VVT,凸轮逐步使用齿轮改变阀门开度角,和凸轮改变转向不同的阀门尺寸。阀门剖面曲线会导致一次性打开和关闭行动。电子camless阀是在研究更多的气门正时的灵活性,以供将来使用。
2.5.1。使用不同的气门正时反应压缩比
进气阀打开时间影响了有效的压缩比。进气阀打开设计规格最高的压缩比。早或晚进气阀关闭,压缩比小于规范。的空气或空气/燃料混合物进入汽缸的提升取决于阀在最大升力降低当开幕式持续时间减少,因此最大体积减少。发动机扭矩的压缩比是一个重要的参数。
2.5.2。气门重叠
气门重叠发生在进气和排气阀打开同一时期(9),图2。通常,在排气冲程活塞到达TDC之前和之后TDC在进气冲程活塞超越。气门重叠的优势是连续可变气门正时(VVT)提供自适应调整来改善发动机扭矩传递不同革命范围(11,13]。当发动机转速高,需要更多的空气能源燃烧;因此,进气阀打开需要持续时间更长。一部分废气将吸回燃烧室而排气阀打开,因此增加混合物压力和温度。目前,一些汽车制造商提供机械VVT,通过凸轮VVT逐步退出计划。在这种方法中,齿轮连接到阀动作的位置改变两个机械叶,因此切换到不同的概要文件。这些配置文件对应阀取消的数量。
负气门重叠(NVO)由两个阀门关闭一段时间(5 - 8)。在活塞到达TDC排气阀关闭,进气阀打开后活塞移动超出了TDC。这个概念类似于排气阀的作用在废气再循环系统。进气门打开时,热残余气体加热新鲜的混合物,混合物和高温增强压缩点火。中给出的结果,(15),表明,注射时间是一个重要的参数。新的燃油喷射策略通过注入燃料的一部分在负阀关闭时间间隔内,注入在进气行程也检查了15]。
2.5.3。晚在柴油发动机进气阀关闭
另一个案例在其他VVT方法是晚进气阀关闭(LIVC)发现在柴油机的研究。有一些研究调查LIVC在柴油发动机上的性能16,17]。LIVC背后的理念是燃烧混合物的燃烧温度较低,因此减少氮氧化物(NOx)。然而,结果是,碳氢化合物的浓度(HC)和碳氧化物(CO)的浓度增加。然后,排放减少在低到中等引擎负荷并减少烟尘和颗粒物。
2.6。废气再循环
废气再循环(EGR)是基于发送部分的想法再燃烧的废气回缸,人物3。它可以提供进一步控制温度和压力的新鲜的混合物通过混合废气。EGR系统连接节流阀前的排气歧管。新鲜空气和废气通过油门,因此气体的温度上升。EGR量由ECU控制。研究表明,空气的温度是由废气加热,它充当一个预热器进入燃烧室前速度低。效果取消了在高速度和低负荷,由于温度的下降周期,因此并没有改善(8]。也影响性能,如氮氧化物排放的显著改善,发动机打破权力,和燃料消耗。在[18),显著改善了在性能方面采用EGR在低的5%。
2.7。压缩比
压缩比通常范围从8到12火花点燃式冰,这是压缩点火冰在12 - 24。当压缩比高,燃料和空气粒子紧紧挤在一起,获得一个更高的爆炸在燃烧速度,也就是说,更好的性能和更好的燃油消耗。然而,它受到两个方面的考虑:材料强度由于最大应力在一定压力和发动机爆震过程期间由于最高温度超过自燃温度。有一些研究可变压缩比系统从而改变燃烧室的几何图形4,5,19- - - - - -21]。
2.8。进气歧管的长度
气流是模拟燃烧的主要因素之一。管道几何图形控制空气流量和压力和温度的影响空气/燃料混合物在发动机气缸。软件将空气流视为一维。量进入气缸的空气和流速取决于它的形状(圆形或矩形)。为了简化计算网格,管道或管道分为名誉扫地的长度,用户可以修改这个参数根据管道长度。
3所示。子
需要大量的子提供所有相关过程的描述(燃烧气体组成、质量燃烧率、传热、漏气,和其他人)。分为不同的类别,包括引擎的子子圆柱几何和活塞运动,燃烧被,摩擦和传热的子,和一些其他人。子的描述是基于数据呈现在用户的指南2,3]和文献[22,23]。
3.1。发动机循环
发动机循环仿真模型遵循工作流体的热力学和化学状态的变化通过发动机的进气、压缩、燃烧、膨胀和排气过程。这些循环模拟的起点是热力学第一定律的一个开放的系统。这种类型的发动机仿真的结构显示在图4。在每个过程中,子是用来描述汽缸的几何特征和阀门/港口,未燃烧和燃烧气体的热力学性质,质量和能量传输的系统边界,和燃烧过程。
在进气和压缩,工作流体组合是冻结。组成和热力学性质是决定使用的子。大规模流动打开阀门通常使用一维可压缩流方程计算流量通过限制或填充和排空模型(22,23]。更准确的不稳定的气体动态进气和排气流模型有时被用来计算质量流进入发动机汽缸在完成发动机循环模拟引擎流量与速度的变化是很重要的(缺点是增加计算时间)。传热在进气和压缩Nusselt-Reynolds数相关性的计算方法是使用一个湍流对流换热(22,23]。传输特性、粘度和导热系数用于从半经验的获得这些相关性关系。
许多方法来预测燃烧或化学能量释放率已经成功地用来满足不同的模拟目标(2,3,22,23]。最简单的方法是使用一个区域模型,其中一个热力学系统代表整个燃烧室的内容,和能量释放率被定义为基于经验函数指定为模拟输入的一部分。Quasi-geometric湍流预混火焰的模型使用一个燃烧室的发育分析内容(未燃烧和燃烧气体地区)在更复杂的模拟冰的22]。
扩张过程视为燃烧过程的延续或,一旦燃烧,使用质量的形式,燃料,在压缩和能量守恒方程。排气过程使用汽缸的守恒方程为一个区域开放系统的模型内容。
3.2。圆柱几何
几何被用于定义的拓扑燃烧室以及指定几何表面和体积用于传热和燃烧的子区域。汽缸容积取决于引擎几何(孔、中风、连杆长度和压缩比)是曲柄角的函数和气缸容积的变化速度。
指定使用的模型汽缸活塞几何,头,圆柱形衬套(22]。活塞和头表面积都认为是相当于该地区来自乘数的内径这个区域中允许Woschni传热模型。
3.3。活塞运动
活塞运动被用于确定的瞬时位置的活塞缸和燃烧室的容积曲柄角的函数。活塞位置是美联储的其他子。
crank-slider模型是用来描述机械零件设计的安排将平移运动转化为旋转运动。活塞运动被定义为包括圆柱形燃烧室几何输入,曲轴,连杆。活塞的位置是来源于基本三角方程(22]。
3.4。空气和燃料性质
空气由21%氧气和79%的氮(每摩尔的O2有3.76摩尔的N2)。选择物理性质给出了氧和氮的教科书和表(23]。扩展的分析不同的空气混合物在实践中遇到了很简单。最常见的差异是水蒸气,二氧化碳,大气和氩。大气中的水蒸气量通常取决于温度和饱和度。
在RW制计算,C的燃料是一个用户定义的成分,H、O、N原子(最常见的碳氢化合物燃料没有O或N除非混合醚或醇)。LESoft计算中,燃料类型仅限于由C、H、O原子(2]。
燃烧的产品是一些气体的混合物。气体性质是基于适当的管理关系,例如,理想气体方程白费心力热化学或理想/真实气体的热化学方程式烃/空气混合物一般C / H / O / N燃料类型。个人气体的热力学性质计算作为温度的函数具有这些属性被平均摩尔功能给整个混合物的属性(22]。天然气属性被基于多项式曲线符合每个物种(热力学数据22]。真实气体模型的压缩因子计算使用经验相关性[3]。气体混合物,临界温度和压力、偏心因子计算根据混合规则。真实气体焓和内部能量计算理想气体同行,以及特定的加热在恒定压强和体积。
离解作用有效热释放是发达国家通过使用分布不均的因素(2]。分布不均的因素整合,以便减少有效热值的燃料由于贫穷的混合和分离。0倍意味着几乎完美的混合和高有效热值燃料。一个典型的汽油发动机将在1.0和3.0之间的分布不均的因素。值小于1.0意味着更好的燃烧和可能适合气体推动引擎。
的系数确定的化学反应平衡计算(23]。燃料蒸发和冷凝计算中不考虑这些子(RW)。
3.5。热释放模型
在燃烧时释放的热量转移到能源推动活塞在一个合适的时间。烧钱率被定义为的速度消耗燃料质量汽缸燃烧过程成为燃烧的产物。不管最终状态的空气/燃料混合物(排放产品,自由基),最初的新鲜空气和燃料燃烧时不再存在的自然状态已完成。
热释放速率计算使用经验热释放函数来自Wiebe方程。Wiebe模型被广泛用于描述热力学的燃料质量燃烧率的计算,和此模型在所有可用包。Wiebe函数(22] 在哪里是覆盖范围10% - -90%的混合燃烧和是燃烧的效率。燃烧持续时间被定义为曲柄的数量度燃烧的质量分数在10%和90%之间。燃烧逐步被定义为曲柄的数量度TDC解雇后50%的燃料燃烧。
Wiebe模型允许独立的输入函数形状参数,燃烧持续时间,和燃烧定相的功能正在使用的燃料类型(22]。它是代表很好预混合燃烧的实验观察到的趋势。通过调整个人Wiebe功能组件的形状和相对比例通过燃料质量分数,定义一个复杂的整体燃烧率曲线。不同燃烧50%点简单的向前或向后移动整个曲线。不同持续时间延长10% - -90%总燃烧持续时间,使剖面延长长或压缩短。改变Wiebe指数变化曲线较早或较晚燃烧质量。
两部分的Wiebe函数考虑了质量分数燃烧燃料混合燃烧期和质量分数燃烧扩散燃烧期间(2,3]。
作为替代Wiebe燃烧模型,用户可以选择输入一个燃烧的完整资料(3]。这种方式允许用户输入一个汽缸压力剖面从测试,获得内部获得热释放配置文件使用应用传热模型和热力学性质,并输出计算燃烧的燃料燃烧质量。
更高级的被,湍流火焰燃烧模型,计算了燃料使用湍流火焰燃烧速度和瞬时火焰区域的22]。它响应改变缸内流动和燃烧室几何。模型还提供了空间分辨率的瞬时传热计算所需火焰位置。
燃烧模型是一个常数燃烧空气燃料比的假设下,空气/燃料混合物充分混合。在某些发动机的设计(例如,火花喷射直接点火引擎),燃料和空气并没有完全混合在燃烧的开始。火花点燃式分层被用于(3]对燃烧当量比,不同于整体等效圆柱的比率,为目的的模拟分层充气混合物。这个模型允许在燃烧过程中,燃烧化学计量学改变和用于改善系统精度的结果添加或删除空气和燃料在燃烧过程中,由于系统将更准确地回应缸内容的变化。火花点燃式分层被创建了一个自适应混合开始在用户输入的等价比率和调整燃烧过程消耗可用的空气。
3.6。传导
传导被用于计算圆柱表面温度。准确的表面温度提高了缸内传热的边界条件被,用于协助引擎组件设计。一个传导被有制(它被称为“简单”),可在两个传导的子LESoft [2)(他们被称为“简单”和“传导”),和三个子实现RW (3)(它们被称为“简单”,“传导”和“摇摆”)。
“简单”引擎传导被使用一个预定义的热网络代表了缸套,汽缸、活塞,进气、排气阀门。这个模型可以预测燃烧室的表面温度和热拒绝引擎冷却剂。该模型提供的所有包。
提供的其他传导的子,LESoft RW,使用一个更详细的预定义的热网络比“简单”模型。
“传导”被用于LESoft RW,或指定的缸壁温度计算通过一个简单的一维传热计算汽缸、活塞和线性墙壁。汽缸壁是假定有一个壁厚成正比了。冷却液的传热系数和汽缸是恒定值,指定和导电性的材料通过选择材料。汽缸温度计算的墙的面积平均温度和阀门的温度。阀头温度计算进气和排气阀门作为燃料的函数类型和空气燃料比。活塞温度假定它等于该地区平均汽缸温度。RW,这被有更多的空间分辨率和还允许替换部分预定义的与现有的有限元网格模型使用其他商业软件(3]。
“摇摆”被从RW暂态温度循环占燃烧室表面和其它发动机表面暴露于气体,这是由gas-wall热通量的峰值特性(3]。这是特别相关的缸内表面导电率较低,温度波动相当高(100 - 200 K)。
给出的计算是基于“简单”传导模型,在所有计算和缸壁温度是固定的。
3.7。传热模型
两个无因次参数,努塞尔特数和雷诺数,用于估算传热与流体相关条件。这两个参数各不相同,因此传热和气缸气体在每个曲柄角增量计算。这些计算需要知识的墙,墙的温度,表面传热系数。圆柱体表面积计算使用面积孔面积比燃烧系统的函数。在每个增量的线性区域计算活塞位移TDC。气体速度取决于活塞平均速度,漩涡,燃烧的量和气体湍流22]。
每个包提供的各种传热子的计算对流换热系数在发动机汽缸(2,3]。Annand提出的传热模型,在LESoft Woschni和Eichleberg制。RW提供的传热模型包括Woschni Annand和模型称为“流”模型3]。
Woschni、Annand Eichleberg模型来源于基本努塞尔特数相关流在管道(22,23]。每个模型都使用开发最好的繁殖系数的传热结果实验。Woschni传热被是最常用的传热模型。这认为电荷均匀热流系数和速度在所有表面的圆柱,并计算出的热量转移到基于这些假设和电荷。Annand和Eichleberg传热模型通常用作意味着从Woschni模型的比较结果。他们在实际应用中很少使用23]。不同于Woschni模型,气体在汽缸燃烧速度的增加是占,Annand模型假定一个常数气体速度等于活塞平均速度。
Woschni传热关联(22]
传热系数 在哪里生(m),汽缸容积(m3),是气缸压力(kPa),汽缸温度(K),是活塞平均速度(米/秒),然后呢是驾驶汽车的汽缸压力(kPa)。下标对应的参考压力(kPa),参考温度体积(K)和参考(m3)。特定于用户的乘数不变是1。常数2.28为清除燃烧和更改为6.18。常数定义了燃烧。它的值是3.24×10−3在封闭循环,燃烧和清除之前和0。
RW,实现的“流”模型,预测从气体对流热传递到燃烧室的墙壁,和它的空间和循环时间的变化是由瞬时均值和动荡的气体运动(3]。预测传热系数与燃烧气体的流体动力学、由周期性的活塞运动,阀流,注入过程,燃烧,活塞运动和室几何。分域流模型解决微分方程漩涡和湍流压扁的代数方程的燃烧室流区。每个表面的传热系数从柯尔伯恩类比获得的热量和动量转移和有效速度直接相关。这种方法的主要好处之一是,它捕获的依赖性传热系数在瞬时缸内流动速度的大小。模型的另一个好处是提高能力来表示空间不均匀性的传热系数。
从围绕燃烧室气体热辐射传热表面是一个重要的组成部分,对柴油发动机,由于在柴油燃烧烟尘的形成22]。瞬时和平均水平的热辐射是燃烧气体的体积和分布的函数,燃气烟尘中,燃烧室几何形状和表面发射率和温度。子用于辐射模型计算燃烧的烟尘装载区,卷辐射燃烧区和辐射温度。
3.8。摩擦
Chen-Flynn摩擦模型是用来计算摩擦功的引擎和配套系统(2,3]。摩擦模型考虑发动机转速,气缸活塞平均速度、最大压力和压缩比。Chen-Flynn相关的常数项(副摩擦),一个术语,随峰值汽缸压力,一个术语线性依赖于活塞平均速度(水动力摩擦),和一个术语二次活塞平均速度(风阻损失)。
3.9。漏气
漏气时气体逸出的一部分通过活塞与缸壁之间的差距进入曲轴箱(22]。结果是气缸内的压力减少一分。这也是考虑当被计算焓。漏气模型计算多少气体从气缸中移除在周期和吹汽缸的戒指,有选择地进入曲轴箱。
在公司的计算,漏气的分数是指定初始值为0.8。在RW计算,漏气被假设零净气体流过去的第一环,使第一缝隙的热力学模型3]。模型的输入参数是冷活塞衬套间隙和距离从活塞顶的戒指。在压缩过程中,空气/燃料混合物挤进裂缝体积(吸收过程)允许未燃烧的碳氢化合物燃烧过程发生在主室。期间未燃烧的碳氢化合物吸收返回汽缸膨胀的碳氢化合物的排放。
3.10。排放
排放的子是用来计算缸内形成和破坏共同引擎排放的物种(22,23]。对发动机排放的子包括有限公司HC和氮氧化物。CO排放被预测公司生产发动机汽缸燃烧和废气中元素。HC排放被预测燃烧和排气中HC生产的发动机汽缸元素以及流网络。氮氧化物的排放被预测燃烧和废气中氮氧化物生产发动机汽缸的元素。
可用在所有排放的子包但他们并不用于模拟。
3.11。阀运动
指定阀运动通过几个简单的参数如直径、最大升力,开启和关闭时间坡道(22,23]。电梯阀被定义了一个电梯配置文件使用多项式曲线。气门升程持续时间是指定的数量的曲柄度之间的阀门开度和阀门关闭。valve-flow模型假定一个稳定,传热,可逆的理想流体通过管道流。阀流在一个引擎并不是一个理想的流程,并介绍了流量系数占真实气体效应。通过阀门的流量取决于有效的开放区域,压力比,上游压力、比热、上游温度和比比热。
3.12。扫气
四冲程发动机的气体交换过程的主要原因是活塞运动,和一个完全混合清除模型是最常用的22]。与完美的混合模型的任何指控气体进入汽缸目前是瞬间和均匀混合气体在汽缸。
3.13。网络模型
流元素是用于构造流网络,这是任何模型的主要部分。流元素的集合可以被组织成团体,代表元素类型。这些元素是相似的在不同的包(2,3]。
环境元素用作流源和汇模型和连接到其他流网络通过一个管道。这是最常用的元素代表一个无限水库在标准大气条件。
汽缸元素通常是用来模拟发动机的汽缸,但是额外的元素包括模型活塞压缩机曲轴箱。汽缸元素是强,只是代表了一个体积随时间变化的。通过阀门和气缸连接到多个流元素通常需要大量的子为了正确代表所需的系统。
管元素表示一个流网络的一部分是长(在对横截面积)创建一维流动。它是自动离散成一系列基于离散化计算细胞长度。管必须两端连接到一个环境或缸元素。
燃料/空气喷射器元素注入到一个足够的燃料来满足指定的燃料/空气比率根据总空气流过引擎从以前的发动机循环。实现燃料/空气比率比目标比基于或多或少的一些空气和燃料通过阀门退出。
3.14。功能
气缸和充气是零维元素在他们的质量属性,压力,温度和体积而不是长度。这些元素中的条件计算在每个曲柄角通过求解质量方程和能量方程来源于热力学第一定律。
质量方程占改变缸内质量由于流过阀,由于燃油喷射。一个单独的会计是由空气的流量,燃料和燃烧的产物。方程的能量相当于内能的改变缸内气体焓通量之和的室,传热,活塞的工作。
有两个选择:单层和两个区。在一个区域模型,实现在LESoft [2),整个气缸作为一个地区,而在发育模型,实现RW和制缸分为两个区域:一个未燃烧区和燃烧区共享一个共同的压力(3]。发育模型用于捕获详细过程发生燃烧期间。所有燃烧模型可用于单或发育模型,但排放模型通常需要发育模型(22]。
表1显示不同的发动机仿真软件的功能。模拟中使用的子只有在桌子上。
3.15。开发的发动机模型
解算器读取模型从一个主要输入文件包含所有所需的数据模拟(网络模型,流场的初始条件和控制数据的运行)。运行时的解算器产生一个输出文件。输出文件包含的信息,重要的是理解输入,运行时处理和输出的模型(时间步输出,引擎总结,燃油消耗进度汇总,引擎几何,操作条件下,发动机汽缸传热、性能)。开发一个模型的一般流程图如图5。
基本几何引擎数据包括引擎(孔、中风、连接杆长度,压缩比),发动机惯性(各种组件的质量和惯性),气缸和阀事件定相。初始条件如排气温度,进气温度,和墙的温度需要输入作为合理的值。活塞的运动计算基于数据指定的孔,中风和连杆长度。余隙容积的计算基于压缩比。
一旦定义了基本输入,先进的输入需要定义。这些输入端口流量系数,气门升程/曲轴旋转,燃烧和传热建模(类型的模型用于代表燃烧和传热过程和各种组件的表面区域和温度在汽缸内,逐步的缸点火对TDC)。一些直觉是用于确定参数由于大型引擎操作引擎速度和不同类型的差异。
汽缸的操作定义,定义每个增量旋转凸轮轴气门升程。气门升程的结果与增量凸轮轴旋转曲轴旋转基于相关阀门开度分发表关于曲轴的位置。流和气门升程的定义。输入流系数或排放系数的形式从经验数据(22]。
一旦这些基本和先进的输入被满意,模拟格式指定。融合检测允许包指定后继续下一个案例对收敛(公差是大约1%)向解决方案是实现在活动情况。仿真时间设定的周期数引擎上运行之前的解决方案。如果启用了auto-convergence,包将会继续下一个案子一旦达到收敛不管指定的周期数。如果收敛的数量没有达到指定的周期,计划将输出一个警告让用户知道还没有达到收敛所需的公差内,并将继续到下一个。
4所示。结果与讨论
三个引擎模型设计与各种包,引擎操作参数和选择的子来执行测试。
4.1。场景的测试
测试三个包,RW, LESoft制、固定执行引擎几何和不同的引擎操作参数。测试1重点是比较的结果计算各种包和参考的结果提出了在23]。点火正时,空气燃料比和压缩比不同测试2,测试3,分别和测试4。策划各种测试压力和温度的概况,和结果的差异计算各种包进行了讨论。
发动机模型,用于测试,代表了一种简单的单缸四冲程发动机。引擎几何和引擎操作参数,固定在测试中,指定表2。发动机缸孔为0.1米,中风的0.08和连杆长度0.15米。发动机转速是固定在2000 rpm。进气温度和压力是300 K和1条。排气温度和压力是700 K和1条。的初始温度和压力缸350 K和1条。燃料是汽油(C8H18)的等价比率0.8。Wiebe燃烧模型是用于所有测试参数,适合很多实验数据(22,23)(一个= 5,)。燃烧持续时间固定在60度虽然曲柄角对应的开始燃烧在计算可能是不同的。圆柱体传热是描述使用Woschni相关性(对燃烧和= 2.28清除= 6.18)。气缸壁平均温度在420 K是固定的。排气阀打开和关闭在170到390度,和进气阀打开和关闭在330到550度(气门重叠)。
不同的引擎操作参数,测试执行,展示在表3。所有引擎测试1的操作参数是固定的。燃烧的起始时间是不同的在测试2,空气燃料比在测试3不同,测试4和压缩比是不同的。
描述详细的验证和确认的子燃烧产品的化学成分,传热、摩擦和燃烧过程和气体动力学的进气和排气系统。已经获得的结果与[中提供的参考数据22,23),和这些结果并不是在纸上。研究主要关注的重点是预测气缸压力和温度分布与各种包和使用的发动机仿真软件包开发的控制系统。
4.2。发动机模型
三个包是用于单缸四冲程发动机的循环模型,和三个引擎模型设计与各种包。发动机模型本身由流网络设计使用流元素,子应用于流元素,和一个控制网络,使用控制元素。进气和排气系统的管道和导管也模仿使用流元素。流网络和进气和排气网络然后通过引擎元素和子联系在一起。
4.2.1。准备里卡多·波
发动机模型,设计了RW,如图6。发动机模型由汽缸(“cyl1”元素)和进气和排气网络的使用环境和设计管道元素。“摄入”环境元素的摄入量网络由包含一个新鲜的空气在350 K的温度和压强下的酒吧,和“duct2”管元素连接管汇和气缸。排气网络由“排气”环境元素包含废气在700 K的温度和压强下的酒吧,和“duct3”管元素连接气缸和多方面的。喷油器(“injector1”元素)是安装在中间连接管(“duct2”元素)。燃料与新鲜空气和预混合的空气混合,和燃料混合气进入气缸。进气管的横截面积是35毫米(“duct2”元素)和横截面积的排气管28毫米(“duct3”元素)。最大气门升程是9毫米,默认概要文件使用。摩擦和漏气默认参数。其他引擎操作参数中指定的表2。
4.2.2。Lotus发动机仿真
发动机模型,设计了LESoft,如图7。引擎模型由汽缸(“CYL1”元素),和进气和排气网络设计使用三个元素代表连接器端口和阀门。进口连接器(“INL1”元素)包含新鲜空气在350 K的温度和压强下的酒吧。新鲜空气经过一个进气口(“端口1”元素)直径35毫米。进气阀的进气口连接(“PVAL1”元素)。废气离开缸通过排气阀(“PVAL2”元素)和排气口(“端口2”元素)和28毫米的直径。排气口与出口管(“EXT1”元素)和废气的边界条件是固定在700 K的温度和压强下的酒吧。的最大气门升程进气和排气阀门都是9毫米,和电梯配置文件是“快速电梯”形象。摩擦和漏气默认参数。其他引擎操作参数中指定的表2。
4.2.3。Matlab引擎模拟代码(制)
发动机模型,实现内部包,制设计使用和控制流元素中指定的文本文件(没有图形用户界面,这是内部包)。一样的摩擦和不密封参数RW和LESoft引擎模型。其他引擎操作参数中指定的表2。
4.3。与参考结果
参考测试是为了匹配输入参数和设置三个包尽可能相似。发动机模型,设计各种包,已经验证通过比较计算结果与参考结果呈现在23]。发动机的几何参数和操作参数如表所示2和其他一些输入参数,具体的测试,展示在表4。引擎是一个基本的单缸发动机。点火时间是35度TDC在燃烧前中风,压缩比为10,空气燃料比是14.7。
曲线的精度系数用来描述热力学性质的燃料,燃烧空气,产品通过内部一致性检验和建立比较完善的属性参考条件(= 298.15 K和= 1 bar)。基于这些结果,得出的基本热力学性质的燃料,空气和燃烧产物种类与结果发表在协议(23)内的散射结果(通常低于1%)。
发动机汽缸的压力和温度分布,计算各种包,比较的列表输出(23]。对比计算结果和那些来自23)确认三个包产生合理的数据。
概要文件的压缩和燃烧压力中风呈现在图8。压力分布开始曲柄活塞时−180度角下死点。压力增加时,活塞上行压缩空气和燃料的混合物。点火开始在−35度TDC当燃烧模型开始估计在燃烧产生的热量。压力上升由于压缩气体吸收的热量。燃烧过程中生成的能量推动活塞下降,体积增加,压力下降。结果,预测RW和LESoft,非常接近。压力曲线,预测制略有延迟的最大压力点(这个转变是约2度)和最大压力水平低6%左右,RW和LESoft结果。比较的结果与参考结果23),计算递延的最大压力点(这种转变是RW和LESoft计算大约10度,它是8度制计算),尽管最大压力水平,预测各种包,接近参考数据(所有软件包的差异大约是3%)。
结果呈现在图9显示,燃烧的温度分布和未燃的混合物在压缩和燃烧中风。点火开始−TDC前35度,当燃烧模型开始在燃烧区工作。计算未燃烧区内继续没有热量的燃烧造成的。燃烧点火持续时间是60度,和工作模型完成后在25度TDC。相对应的温度资料烧毁和未燃的混合物在燃烧中重叠区间(它是固定在60度)。燃烧后的计算依赖于温度水平燃烧区。参考的结果(23)策划与温度10度。参考结果显示略低的温度未燃烧区,略高的温度水平相比,燃烧区与RW制计算的结果。与LESoft计算是基于一个区域模型允许预测发动机汽缸的平均温度。差异的结果计算各种包也可能被解释成燃烧模型的不同实现(有一些参数和设置不控制的用户)和小的差异在燃料和燃烧产品的理化性质。
结果呈现在图10显示,平均温度分布在燃烧和未使用未燃烧区(平均温度(23),但可能在燃烧计算结果计算和未燃的区域)。LESoft计算是基于一个区域模型,而结果预测RW制计算是基于发育模型。燃烧温度资料的时间间隔,这是固定在60度,所有包的很近。对于温度的资料,呈现在图10,概要文件的主要差异平均温度与燃烧区间对应的结果。LESoft和RW结果是相似的,尽管有一个轻微的延迟温度的峰值出现在RW LESoft相比计算计算。制计算有明显延迟的发生高峰的平均温度和最大程度的温度约3度和5%,分别。
的主要因素影响发动机汽缸的压力和温度分布计算燃烧(燃烧被)期间所产生的热量。虽然热释放方程考虑匹配在不同的包,其他因素可能会影响计算结果。制和参考计算(23),热释放逃脱通过活塞和缸壁间隙使用漏气分数为0.8,而RW和LESoft使用默认设置。其他因素影响传热被压力和温度资料,在RW不灵活的修改。进、排气管尺寸也会影响空气的流动和燃烧产物的圆柱,但这些因素并不是在计算中考虑。
表示平均有效压力的计算公司的包是0.9528 MPa,而值为0.9510 MPa是获得的23(差异大约是0.2%)。差异在质量守恒和能量约0.05%计算。
4.4。不同的点火时间
点火时间是最重要的参数之一,在发动机控制。在该测试中,不同的点火时间是检查的燃烧室压力和温度的分布。发动机的几何参数和操作参数如表所示2和其他一些输入参数,具体的测试,展示在表5。
的压力分布,提出了预测和三个包,如图11。早期的点火时间的结果非常相似。已故的点火时间,计算结果的差异是更重要的发生压力峰值。LESoft给最早自燃的发生在曲柄角−10度。压力峰值,预测与RW制计算,是在良好的协议。
(一)
(b)
(c)
(d)
有一个小差异压力的最大值,预测各种包。压力峰值的位置,预计有三个包,如表所示6。RW计算给最早的压力峰值的位置,和LESoft计算给最新的压力峰值位置的曲柄角。
平均温度的概要图所示12。温度的概要文件是非常相似的三个包。然而,小的最大温度和水平的差异小的差异对应的曲柄角。这些差异是由不同的假设引起的能量转移在进气歧管和进气和排气阀门。
(一)
(b)
(c)
(d)
温度的分布的主要差异,预测各种包,温度峰值的位置有关。这些结果如表所示7。温度资料之前曲柄角对应点火非常相似。温度峰值的位置,预测和LESoft制发生早于峰值温度,预测RW。温度的急剧下降后发生温度的最大膨胀冲程期间也相似LESoft制计算。RW给更慢温度降低中风在扩张。这种行为可以解释为燃烧被实现在不同的包中。在燃烧模型中,实现在RW,时机是由50%的时刻燃烧,而不是开始点火。的质量分数燃烧曲线LESoft制包在RW模拟可能不一样。温度有一个更迅速增加点火开始的时候,直到温度达到最大值。这个结果导致更高的燃烧温度,当完成即使燃烧的持续时间是相同的。
给出的结果表明,如果开始放热开始得太晚,它发生在一个消耗体积,导致较低的燃烧压力和较低的网络。如果热释放的开始在压缩冲程开始得太早,消极的压缩工作增加,由于活塞做功与扩大燃烧气体。延迟启动的燃烧导致了压力峰值发生中风后在扩张。的压力上升几乎是两倍。热释放是改变的开始来工作输入和平均有效压力减少。
4.5。不同的空气燃料比
压力的概况,提出了计算各种包,如图13对于不同的空气燃料比。所有包预测最大压力水平当空气燃料比化学计量。精简的混合物,与LESoft RW这些预测结果更接近,而RW结果更丰富的混合物与制接近数据计算。压力资料的对比表明,配置文件非常相似的形状为各种包,但最大压力水平略有不同。压力峰值的位置发生在同一曲柄角为各种包。
(一)
(b)
(c)
(d)
空气燃料比的影响在温度配置文件类似于压力,因为这是呈现在图14。最高温度发生在空气燃料比化学计量。RW结果更接近LESoft学习者混合物和接近这些预测的结果与公司丰富的混合物。在经济不景气的混合物,RW预测温度峰值的位置接近燃点相比公司的结果。这可能是因为RW考虑的位置注入管,影响混合物的流动,因此考虑这种影响在发动机汽缸的压力和温度分布计算。
(一)
(b)
(c)
(d)
4.6。不同的压缩比
压缩比的定义是最大的气缸容积比最小的体积。压缩比决定了压力峰值和峰值温度循环。发动机的效率和污染物形成强大的压缩率的函数。压缩比是有限的材料强度和发动机爆震。引擎头和街区有一个最大应力的设计,不应超过,限制了压缩比。压缩比是由于固定的圆柱几何很难控制。在实践中,压缩比可以通过改变活塞头表面形状不同。
结果,计算了三个包,呈现在图15。随着压缩比的增加,增加的压力与理论和获得的数据协议(22,23]。最大程度的压力的位置略取决于压缩比。
(一)
(b)
(c)
(d)
在LESoft制计算,温度略有增加随着压缩比的增加呈现在图16。在RW计算,最高温度是观察到的压缩比10。
(一)
(b)
(c)
(d)
5。结论和建议
两个商业发动机仿真软件包,里卡多·波和Lotus引擎模拟,和内部包,用Matlab实现,一直认为,和他们的能力的模拟压缩、扩张,并在单缸发动机燃烧过程进行比较和讨论。发动机的几何是固定在测试执行。影响计算结果的主要的子Woschni传热模型和Wiebe放热模型。
单缸发动机模型设计与提到的包,和类似的引擎操作参数指定的(有可能)。结果,计算了三个包,已经与参考数据。参考测试的结果表明,RW LESoft,制预测相似的压力和温度资料与参考结果在合理的协议。燃烧时期,有一个轻微的改变位置的压力峰值的位置对压力峰值预测与制相比,两个商业包。商业包装考虑喷油器的位置,进气管道和阀门模型影响空气流动和传热的汽缸。
引擎操作条件,如不同的点火时间,各种空气燃料比,和各种压缩比被认为是在测试,和获得的结果进行了讨论。结果,计算各种包,是在良好的协议。小差异也可能被解释成不同的子的各种实现(传热被和燃烧被)和不同燃料和燃烧产品的理化性质。
通过考虑实际驾驶条件下,发动机控制内部引擎运行模拟仿真包是唯一一个允许以变化的速度和其他操作参数在仿真时间是必需的。代码可以用于实时控制目的使用废气10香料的成分。
未来的工作将集中在比较计算结果与实际机床测试,控制算法的实现气门正时、点火正时、喷油正时控制引擎的性能。ECU能够更新所需的参数与交替引擎运行时燃料成分。
符号列表
| C: | 碳 |
| CFD: | 计算流体动力学 |
| 有限公司: | 氧化碳 |
| ECU: | 发动机控制单元 |
| EGR技术: | 废气再循环 |
| H: | 氢 |
| HC: | 碳氢化合物 |
| 冰: | 内燃机 |
| LESoft: | Lotus发动机仿真 |
| LIVC: | 晚进气阀关闭 |
| 制: | Matlab引擎模拟代码 |
| 护士: | 氮 |
| 氮: | 氮的氧化物 |
| O: | 氧气 |
| RW: | 里卡多·波 |
| 如果: | 火花点火 |
| TDC: | 上死点 |
| VVT: | 可变气门正时。 |