船用二沖程低速柴油機掃排氣量計算方法
【專利摘要】本發明公開了一種船用二沖程低速柴油機掃排氣量計算方法，本發明通過應用數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方程，并結合配氣相位計算出單循環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；根據船用二沖程低速柴油機的氣缸數和轉速進而得出掃氣流量和排煙流量。本發明可快速、準確的預測掃氣流量和排氣流量，通用性強，為分析柴油機工作狀態、提高柴油機性能提供了可靠的數據支持。
【專利說明】船用二沖程低速柴油機掃排氣量計算方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于工程熱力學【技術領域】，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】
[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 量進而分析優化換氣過程至關重要。
[0003] 由于船用二沖程低速柴油機換氣過程的重要性，國內外非常重視換氣過程的研 宄。經多年研宄，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 工程上應用受到限制。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術存在的不足，本發明提供了一種基于船用二沖程低速柴油機轉速等 數據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、保證優良性能提供可靠的 數據。
[0005] 本發明思路為：根據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的進排氣總量，除以相應的單循環所需時間乘以缸數就得到 相應的掃氣量和排煙量。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明采用如下的技術方案：
[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壓力，根據壓縮始點的曲軸轉 角計算壓縮始點氣缸工作容積，根據壓縮始點掃氣集箱中新鮮空氣溫度1\獲得壓縮始點氣 缸內氣體溫度I； =313 + #(7；-273)，基于理想氣體狀態方程計算壓縮始點氣缸內氣體質量 6 ITl1;
[0010] 1. 2根據壓縮始點氣缸內氣體質量叫獲得膨脹終點氣缸內氣體質量m2;
[0011] 1.3以自由排氣過程結束時排煙集箱的壓力為自由排氣過程結束時的氣缸內壓 力，根據自由排氣過程結束時對應的曲軸轉角計算氣缸工作容積，根據膨脹終點氣缸內氣 體的熱力學參數和自由排氣過程結束時氣缸內壓力計算自由排氣過程結束時氣缸內氣體 溫度，基于理想氣體狀態方程計算自由排氣過程結束時氣缸內氣體質量m3;
[0012] 1. 4基于質量守恒定律獲得自由排氣過程廢氣排出質量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以掃氣過程結束時掃氣集箱的壓力為掃氣過程結束時的氣缸內壓力，根據掃 氣過程結束時的曲軸轉角計算掃氣過程結束時氣缸工作容積，根據掃氣過程結束時掃氣集 箱中新鮮空氣溫度!\獲得掃氣過程結束時氣缸內氣體溫度7； =313 + ^(7; -273)，基于理想 6 氣體狀態方程計算掃氣過程結束時氣缸內氣體質量m4;
[0015] 2. 2基于質量守恒定律獲得掃氣過程結束時氣缸內廢氣質量m5=m4-m4 ·η、留在 氣缸內新鮮空氣質量Hi6=m4 ·η和滑移氣體量m7=m4 ·η·s，其中，η表示掃氣效率， 為經驗值；s為滑移系數，s= 1. 14-0. 75 ·f，f表示主機負荷；
[0016] 2. 3基于質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] 根據壓縮始點氣缸內氣體質量Hl1和掃氣過程結束時氣缸內氣體質量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基于質量守恒定律獲得柴油機單缸單循環掃氣總量min=m6+m7;
[0021] 4.2基于質量守恒定律獲得柴油機單缸單循環排氣總量，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時間并乘以氣缸數，即獲得對應的進 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氣體質量Hi1=P1 *V/(R·T1),其中，P1為壓縮 始點氣缸內壓力，V1為壓縮始點氣缸工作容積，R為空氣氣體常數，Ti為壓縮始點氣缸內氣 體溫度。
[0024] 步驟1. 2中所述的膨脹終點氣缸內氣體質量m2=mi+mf，其中，壓縮始點氣缸 內氣體質量;mf為單缸單循環燃燒消耗的燃油量。
[0025] 步驟1. 3中所述的自由排氣過程結束時氣缸內氣體質量m3=P3 ·V3ARe ·T3)，其 中，P3為自由排氣過程結束時氣缸內壓力，V3為自由排氣過程結束時氣缸工作容積，Re為標 準煙氣的氣體常數；T3為自由排氣過程結束時氣缸內氣體溫度，C= hK，T2為膨脹 終點氣缸內氣體溫度，P2為膨脹終點氣缸內壓力，P3S自由排氣過程結束時氣缸內壓力，η為多變膨脹指數。
[0026] 步驟2. 1中所述的掃氣過程結束時氣缸內氣體質量m4=P4 ·V/(R·T4)，其中，P4 為掃氣過程結束時氣缸內壓力，V4為掃氣過程結束時氣缸工作容積，R為空氣氣體常數；T4 為掃氣過程結束時氣缸內氣體溫度。
[0027] 步驟1. 1、1. 3和2. 1中所述的氣缸工作容積根據對應時刻的曲軸轉角計算獲得， 具體為：
[0028]
【權利要求】
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壓力，根據壓縮始點的曲軸轉角計 算壓縮始點氣缸工作容積，根據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 氣體溫撞
，基于理想氣體狀態方程計算壓縮始點氣缸內氣體質量m1; 1. 2根據壓縮始點氣缸內氣體質量叫獲得膨脹終點氣缸內氣體質量m2; 1.3以自由排氣過程結束時排煙集箱的壓力為自由排氣過程結束時的氣缸內壓力，根 據自由排氣過程結束時對應的曲軸轉角計算氣缸工作容積，根據膨脹終點氣缸內氣體的熱 力學參數和自由排氣過程結束時氣缸內壓力計算自由排氣過程結束時氣缸內氣體溫度，基 于理想氣體狀態方程計算自由排氣過程結束時氣缸內氣體質量m3; 1. 4基于質量守恒定律獲得自由排氣過程廢氣排出質量!]!___=m2-m3; 步驟2,模擬掃氣過程，本步驟進一步包括子步驟： 2. 1以掃氣過程結束時掃氣集箱的壓力為掃氣過程結束時的氣缸內壓力，根據掃氣過 程結束時的曲軸轉角計算掃氣過程結束時氣缸工作容積，根據掃氣過程結束時掃氣集箱中 新鮮空氣溫度1\獲得掃氣過程結束時氣缸內氣體溫度
，基于理想氣體 狀態方程計算掃氣過程結束時氣缸內氣體質量m4; 2. 2基于質量守恒定律獲得掃氣過程結束時氣缸內廢氣質量m5=m4-m4 ?n、留在氣缸 內新鮮空氣質量1116=m4 ?n和滑移氣體量m7=m4 ?n?S，其中，n表示掃氣效率，為經 驗值；S為滑移系數，s= 1. 14-0. 75 ?f，f表示主機負荷； 2. 3基于質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： 根據壓縮始點氣缸內氣體質量叫和掃氣過程結束時氣缸內氣體質量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基于質量守恒定律獲得柴油機單缸單循環掃氣總量min=m6+m7; 4. 2基于質量守恒定律獲得柴油機單缸單循環排氣總量，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時間并乘以氣缸數，即獲得對應的進排氣 流量和排煙流量。
2. 如權利要求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氣體質量％=Pi 1\)，其中，Pi為壓縮始點 氣缸內壓力，Vi為壓縮始點氣缸工作容積，R為空氣氣體常數，Ti為壓縮始點氣缸內氣體溫 度。
3. 如權利要求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氣體質量m2=Hii+nif，其中，nii為壓縮始點氣缸內氣 體質量;mf為單缸單循環燃燒消耗的燃油量。
4. 如權利要求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束時氣缸內氣體質量m3=P3 ?V3ARe ?T3)，其中，P3 為自由排氣過程結束時氣缸內壓力，V3為自由排氣過程結束時氣缸工作容積，為標準煙 氣的氣體常數；T3為自由排氣過程結束時氣缸內氣體溫度，
'T2為膨脹終點 氣缸內氣體溫度，P2為膨脹終點氣缸內壓力，P3為自由排氣過程結束時氣缸內壓力，n為多 變膨脹指數。
5. 如權利要求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束時氣缸內氣體質量 氣過程結束時氣缸內壓力，V4為掃氣過程結束時氣缸工作容積，R為空氣氣體常數；T4為掃 氣過程結束時氣缸內氣體溫度。
6. 如權利要求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對應時刻的曲軸轉角計算獲得，具體 為：
其中，D為氣缸內徑；S為活塞沖程；e為幾何壓縮比，為柴油機基本參數；A為連桿曲 柄比；P為對應時刻的曲軸轉角，根據配氣相位圖計算，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 優先權日:2014年11月20日
【發明者】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