《内燃机的热力学和空气动力学 卷2》求取 ⇩

第四篇　缸内过程7

第十章　用充排法及拟稳定模型计算不稳定流动7

10.1引言7

10.2　通用方程式8

10.2.1　质量流量（？α和？）9

10.2.2　传热率（？）10

10.2.3　活塞运动和容积变化（δV？）11

10.2.4　气体性质11

10.2.5　滞止焓（hα，h？）11

10.2.6　缸内状态11

10.3　分开的充气和排气过程11

10.3.1　充气过程12

10.3.1.1由大容器绝热充气13

10.3.1.2　由压气机充气13

10.3.2　排气过程14

10.4　同时充排气（扫气过程）：近似但精确的解法15

10.5　同时充排气（扫气过程）：其他近似解法16

10.5.1　连续扫气17

10.5.1.1　连续扫气（不混合）——情形（a）18

10.5.1.2　置换扫气（不混合）——情形（b）19

10.5.1.3　置换扫气（完全混合）——情形（c）20

10.5.1.4　在完全混合情况（c）的缸内温度（T？）21

10.5.2　非连续扫气（依次充气和排气）22

10.5.3　简评23

10.6　充气和排气方程式的确切解24

10.6.1由气缸通过喷嘴定容等熵放气24

10.6.1.1　亚音速放气24

10.6.1.2　壅塞放气情形26

10.7　综述27

参考文献27

第十一章　缸内的流动过程28

11.1引言28

11.1.1　背景及重要性28

11.1.2　本章的目的和内容32

11.2　缸内流动的特征33

11.2.1　平均流和湍流运动的区分33

11.2.2　其他重要参数的定义36

11.2.2.1　长度尺度36

（ⅰ）长度积分尺度ι37

（ⅱ）泰勒（Taylor）微尺度λ37

（ⅲ）克莫格罗夫（Kolmogorov）微尺度η37

11.2.2.2　时间尺度38

（ⅰ）时间积分尺度ιt38

（ⅱ）时间微尺度λt38

（ⅲ）克莫格罗夫时间微尺度η38

11.2.2.3　能量谱38

11.2.3　数量级39

11.3　测量技术40

11.3.1引言40

11.3.2　热线风速仪40

11.3.3　激光多普勒风速仪42

11.4　分析技术43

11.4.1引言43

11.4.2　简单模型44

11.4.2.1　一维压缩或膨胀44

11.4.2.2　轴对称挤流理论44

11.4.2.3　简单的旋流理论46

11.4.3　多维技术49

11.4.3.1 背景49

11.4.3.2　守恒方程49

11.4.3.3　湍流模型方程51

11.4.3.4　边界条件及辅助方程52

11.4.3.5　数值解的步骤53

11.4.3.6　多维方法的现状55

11.5　进气行程58

11.5.1引言58

11.5.2　进气道流动的本质和作用58

11.5.2.1　通过进气道的质量流59

11.5.2.2　进气产生的旋流62

11.5.2.3　气道出口处的流动特性62

11.5.3　缸内流动的结构63

11.5.3.1　轴对称布置64

（ⅰ）进气旋流的影响65

（ⅱ）气门座角度和气门最大升程的影响71

（ⅲ）行程S和余隙间隙G的影响74

（ⅳ）活塞几何形状的影响76

（ⅴ）发动机转速的影响76

11.5.3.2　非轴对称结构76

（ⅰ）总的特征76

（ⅱ）偏心的轴对称气道78

（ⅲ）实际气道80

（ⅳ）湍流特性83

（ⅴ）发动机参数的影响84

11.6　压缩和膨胀过程86

11.6.1引言86

11.6.2　轴对称结构86

11.6.2.1　盘形燃烧室86

（ⅰ）旋流和转速的影响88

（ⅱ）压缩比的影响92

（ⅲ）气门座角度的影响92

（ⅳ）气门最高升程的影响94

11.6.2.2　活塞和缸盖上有凹坑的结构94

（ⅰ）旋流的影响99

（ⅱ）盆形坑形状的影响104

11.6.3　非轴对称燃烧室结构105

11.6.3.1引言105

11.6.3.2　盘形燃烧室108

11.6.3.3　活塞上盆形坑结构113

11.6.3.4　其他形状119

11.7　排气过程121

11.8　燃料喷射和燃烧的影响122

11.8.1　燃料喷射122

11.8.2　燃烧123

11.9　总结与展望124

11.9.1　总结124

11.9.2　展望将来125

参考文献126

第十二章　气缸和气道内的传热132

12.1引言132

12.2　传热的主要方式132

12.3　可用的测试技术132

12.3.1对冷却剂总传热量的测量方法分析132

12.3.2　直接测量沿壁厚的温度梯度133

12.3.3　由零件内部的等温线确定热流量133

12.3.4　表面温度测量的用途135

12.3.5　热流量的辐射分量的测最137

12.4　缸内的对流传热137

12.4.1　瞬时对流热流量的测量137

12.4.2　理论的方法139

12.4.3　经验的相互关系140

12.5　缸内的辐射热通量144

12.5.1　基本理论144

12.5.2　气相燃烧产物的辐射145

12.5.3　碳粒云团的辐射146

12.6　换气过程的传热148

12.6.1　气缸内148

12.6.2　进气阀和流入充量间的传热148

12.6.3　流出充量和排气阀间的传热149

12.6.4　流出充量和排气道间的传热149

参考文献150

第十三章　压燃式发动机中的燃烧和循环计算153

13.1　引言153

13.2　热力学153

13.3　简单单区模型的动力循环计算156

13.3.1　能量平衡方程156

13.3.2　单区模型的动力过程计算157

13.4　多区模型的动力循环计算158

13.4.1多区模型的热力学158

13.4.2　多区模型的动力过程计算160

13.5　压燃式发动机中的燃烧160

13.5.1概述160

13.5.2　多区燃烧模型161

参考文献162

第十四章　火花点火发动机的燃烧和循环计算164

14.1　前言164

14.2　动力循环模型的组成164

14.2.1火焰传播的机理164

14.2.2　燃烧的热力学167

14.2.2.1　热力学平衡167

14.2.2.2　解平衡方程的数值过程169

14.2.3　污染物的形成171

14.2.4　氧化氮的生成和分解172

14.2.4.1　基本的反应速率动力学172

14.2.4.2　NO的动力学174

14.2.4.3　氧化氮的反应速率方程175

14.2.5　一氧化碳——经验的计算方法176

14.3　动力循环的计算176

14.3.1压缩行程177

14.3.2　点火和燃烧空间中双区的形成177

14.3.2.1　迟延时间177

14.3.2.2　双区计算的开端178

14.3.3　火焰前锋的传播181

14.3.4　有两个区的膨胀181

14.3.5　时间步长183

14.3.6　燃烧的终结183

14.3.7　完全是燃烧产物情况下的膨胀183

14.4　换气时期的计算184

14.4.1　缸内的热力学184

14.5　单缸发动机上的试验186

参考文献190

第五篇　不稳定有反应流动193

第十五章变比热容和有化学反应（包括用有排放控制）的不稳定流动的数值解法193

15.1 引言193

15.2　基本方程194

15.2.1　λ特征线195

15.2.2　β特征线195

15.2.3　轨迹线195

15.3　温度和气体组成变化所致比热容改变的影响196

15.3.1　轨迹线计算198

15.3.2　特征线计算199

15.4　催化反应器——控制排放的装置202

15.4.1　催化反应器说明203

15.4.2　理论考虑204

15.4.3　转变过程的机理205

15.4.3.1　反应速率205

15.4.3.2　化学速率常数kchem206

15.4.3.3　传质速率系数kmt206

15.4.3.4　扩散系数（扩散率）？208

15.4.3.5　由于反应热而沿轨迹线的熵值变化（dA？）？R209

15.4.3.6　由于反应热而沿波动特征线的黎曼变量变化（dλ）？R210

15.4.3.7　催化剂表面温度T？210

15.4.3.8　管壁摩擦系数ft211

15.4.4　在火花点火发动机所用催化反应器上的理论与实验对比211

参考文献213

第十六章　压强转换器和压强转换发动机215

16.1引言215

16.2　压强转换器（用于发动机增压）216

16.3　压强转换发动机217

16.4　压强转换器和压强转换发动机的设计方法221

16.4.1　状态、极点和位置图221

16.5　边界条件曲线224

16.5.1　局部的槽端和状态边界曲线225

16.5.1.1　转子入口225

16.5.1.2　转子出口226

16.5.2　平均槽端和状态边界曲线227

16.5.2.1转子入口（对于大而“无叶片”的静子气口）227

16.5.2.2　转子出口（对于大而“无叶片”的静子气口）228

16.5.3　槽通道部分打开的影响228

16.5.3.1　入口端228

16.5.3.2　出口端229

16.6　设计特点230

16.6.1　理想气口定时230

16.6.2　转子最有利长宽比231

16.6.3　疲劳应力计算232

16.6.4　应用凹囊以扩大转速范围232

16.6.5　能量损失及其恢复233

16.6.6　抗谐凹囊的计算233

16.7　整机234

16.8　应用234

16.8.1　气波增压器（Comprex）235

参考文献237

附录1一维有摩擦可压缩流动的动量式237

第六篇　整机模拟模型240

第十七章　准稳态模型240

17.1导言240

17.2　准稳态模型的定义241

17.3　模型1242

17.3.1　柴油机循环243

17.3.2　压气机与中冷器247

17.3.3　涡轮248

17.3.4　发动机、涡轮与压气机的组合249

17.3.5　涡轮增压柴油机249

17.3.5.1　例1：涡轮增压柴油机设计点的计算251

17.3.5.2　例2：涡轮增压柴油机部分负荷计算253

17.3.6　复合发动机255

17.3.7　燃气发生器装置256

17.3.8　发动机、压气机与涡轮复合机的性能256

17.3.9　对模型1总的评价257

17.3.10　模型1的改进257

17.4　模型2261

17.4.1　压气机与中冷器263

17.4.2　发动机模型263

17.4.3　涡轮模型266

17.4.4　匹配实例267

17.4.4.1　例3：低海拔发动机性能267

17.4.4.2　例4：高海拔发动机性能268

17.5　模型2的计算机程序268

17.5.1　压气机268

17.5.2　发动机功率输出270

17.5.2.1　发动机温升271

17.5.3　涡轮模型271

17.5.3.1　质量流量271

17.5.3.2　涡轮效率272

17.5.3.3　涡轮功率272

17.5.4　计算机程序273

17.5.4.1　数字模拟程序标志符273

17.5.5　对程序预测的评价274

17.5.6　修改程序用于其它型号的发动机275

参考文献277

附录17.1　模型1的公式推导277

附录17.2　模型2的说明284

第十八章　充排法发动机模拟模型287

18.1引言287

18.2　基本考虑287

18.2.1　用于单缸的通用方程式287

18.2.1.1　流入和流出过程287

（ⅰ）进气门或气口289

（ⅱ）排气门或气口290

（ⅲ）经气门或气口的气体流动小结290

18.2.1.2　缸内状态变化290

（ⅰ）连续扫气290

（ⅱ）全混合291

（ⅲ）无混合294

18.2.2　用容积代表气缸、进排气歧管而对发动机系统建立模型（单缸情况）296

18.2.2.1　通用情况299

18.2.2.2　四冲程发动机的换气过程301

（ⅰ）放气和排气过程（evo至ivo）301

（ⅱ）气门重叠期（ivo至evc）303

（ⅲ）进气阶段（evc至ivc）304

（ⅳ）封闭期间（ivc至evo）305

18.2.2.3　二冲程发动机的换气过程305

（ⅰ）放气过程305

（ⅱ）扫气过程305

（ⅲ）增压进气阶段306

18.2.3　使用充排法的多缸系统模拟306

18.2.3.1　排气歧管方程式的修正306

18.2.3.2　进气集气器方程式的修正307

18.2.3.3　包括进气和排气门或气口定时的程序结构变化309

18.3　用充排法模拟发动机例309

18.3.1　单缸发动机309

18.3.2　多缸发动机311

参考文献314

第十九章　波动模拟模型315

19.1引言315

19.2　单缸发动机315

19.2.1　单缸二冲程汽油机模拟316

19.2.1.1关闭期316

19.2.1.2　开启期316

19.2.1.3　进气、输气及排气管道317

19.2.1.4　化油器317

19.2.1.5　曲轴箱317

19.2.1.6　曲轴箱容积317

19.2.1.7　进气口及输气口317

19.2.1.8　包括气口的气缸317

19.2.1.9　输气口及排气口319

19.2.1.10　开启期与关闭期之间相互作用319

19.2.1.11　计算机模型的检验320

19.2.2　二冲程发动机排气系统设计322

19.2.3　进气冲压326

19.2.4　单缸四冲程循环发动机的模拟329

19.3　多缸发动机模拟330

19.4　多缸柴油机331

19.4.1　歧管管系的定义332

19.4.2　程序使用简例334

19.4.3　与实验结果对比验证计算机程序334

19.4.3.1　Dorman发动机试验337

19.4.3.2　10缸发动机341

19.4.3.3　中速发动机341

19.4.4　带脉冲转换器的发动机342

19.5　多缸火花点火式发动机模型352

19.5.1　装催化反应器的汽油机355

19.5.2　有废气再循环的汽油机359

19.6　柴油机和汽油机的谐振歧管363

19.7　结论365

参考文献366

第二十章　瞬态性能369

20.1瞬态性能的测定370

20.2柴油机瞬态过程的准稳态模型372

20.2.1　由模型2发展而来的瞬态性能模拟372

20.2.1.1　发动机和涡轮增压器的动态方程373

20.2.1.2　利用准稳态模型预测瞬态性能378

20.2.2 涡轮增压柴油机准稳态模型在车辆模拟中的应用381

20.2.3　考虑歧管影响的准稳态模型382

20.3　柴油机瞬态性能的充排法模型384

20.3.1　动态特性的充排模型384

20.3.1.1　系统的说明384

20.3.1.2　数学模型384

20.3.1.3　封闭时期的方程——简单燃烧模型385

20.3.1.4　封闭时期的方程——精确燃烧模型387

20.3.1.5　开放期计算387

20.3.1.6　涡轮质量流量390

20.3.1.7　进气歧管、中冷器和压气机391

20.3.1.8　发动机动力特性393

20.3.1.9　涡轮增压器动力特性393

20.3.1.10　动态方程的解394

20.3.2　充排法模型的验证394

20.4　柴油机瞬态性能397

20.4.1　一般讨论397

20.4.2　涡轮增压柴油机瞬态性能对各种参数的敏感性397

20.4.2.1　燃烧效率的影响397

20.4.2.2　涡轮增压器惯性矩的影响397

20.4.2.3　发动机惯性矩的影响397

20.4.2.4　调速器增益的影响398

20.4.3　改进瞬态性能的消极方法400

20.4.4　改进瞬态性能的积极方法402

20.4.5　其它增压方法403

20.5涡轮增压柴油机传递函数模型404

参考文献406