EQ6100型内燃机空气消耗量的计算
2014-02-21张勇斌
张勇斌
（郑州铁路技师学院，河南 郑州 450041）
EQ6100型内燃机空气消耗量的计算
张勇斌
（郑州铁路技师学院，河南 郑州 450041）
本文以东风EQ6100型汽车发动机为例系统论述了内燃机空气消耗量的计算思路，内燃机进气密度的简单计算和扫气空气量的计算思路。为汽车废气涡轮发电量大小的计算和汽车废气涡轮发电可行性的研究提供了前提。
内燃机；空气消耗量；计算
CLC NO.:U464.3Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014) 12-21-04
前言
随着社会经济的发展，使得能源消耗量急剧增加，能源的供需矛盾日益突出。汽车保有量越来越多，汽车的能源消耗在总能源消耗中所占的比例越来越高，汽车节能问题成为全球性关注的问题，也是当今汽车工业发展的主题。汽车节能的方法很多，如改良燃料，燃料电池，利用废热制冷，取暖或驱动空调，涡轮增压，混合动力等等。汽车废气涡轮发电是利用汽车排放的废气推动涡轮机涡轮转动进而带动发电机发电的新的节能方法，青岛大学的张铁柱教授为此设计了一种新装置获专利一项，日本的吉田佑也曾做此方面试验，证明废气涡轮发电量足以提供汽车运行所需电能，但国内部分学者仍持怀疑态度。为了在理论上验证汽车废气涡轮发电的实用性和可行性，从理论上计算废气涡轮发电电量大小需首先得知内燃机的空气消耗量，进气密度和扫气空气量，然后才能求出废气进入涡轮的质量流量及涡轮机功率，进而得到发电量的大小，本文正是基于此目的而展开的。
1、内燃机空气消耗量计算
对于一台给定的内燃机要计算出与其匹配的涡轮机的功率，必须知道空气的流量m，即计算出内燃机的空气消耗量是设计涡轮机最重要的先决条件之一。以下是根据内燃机功率和过量空气系数来计算空气消耗量的近似方法。
由于燃油的体积与空气体积相比可以忽略不记，则空气流量m可以根据燃油流量mf和燃烧理论空气量α和过量空气系数λ来计算：
根据燃油消耗量fe= mf/pe则空气消耗率可以定义如下：
计算空气消耗率时，最好采用按照内燃机的指示功率计算的指示燃油消耗率fi，因为它比有效燃油消耗率fe的变
动范围小。由于公式f= f·η所以有：
我们知道柴油机需要的理论空气量为α=14-14.3kg空气/kg柴油，汽油机为α=14.8kg空气/kg柴油，全负荷时内燃机的机械效率随内燃机的输出功率和转速而变动，一般为0.75-0.85之间。
以上讨论的λ实际上为总的过量空气系数，也就是说它是从总的空气流量m（包括扫气量）得出的。我们平常经常得到的是汽缸内空气量mtr得出燃烧过量空气系数用λtr表示。但我们知道λ与λtr几乎是相等的，或λ比λtr稍小一些。
表Ⅰ 燃烧过量空气系数λtr与指示燃油消耗量之间的经验关系
表Ⅰ 燃烧过量空气系数λtr与指示燃油消耗量之间的经验关系
对于非增压四冲程汽油机，λ=1.1左右（额定转速下）则可以算出：
又知道研究对象是东风EQ6100发动机的额定转速下功率为99 kw /3000r/min,则可以得出额定转速3000转每分下消耗的空气流量为（以一缸为例）：
注：此数据忽略了燃油的介入和流量问题。
2、进气密度的简易计算
公式（1）表明了内燃机空气消耗率与功率之间的关系，并不能表明内燃机功率和内燃机大小之间的关系。我们从汽车发动机原理可知功率，汽缸工作容积和平均指示压力之间有如下关系：
（i-汽缸数， vs-工作容积，ηm-机械效率 ，n- 转速，τ-行程数）
汽缸中的指示功（功=力*距离=压力*容积）等于平均压力与工作行程容积的乘积，即：
（mtr充入汽缸的新鲜空气量，ρI进气密度）
由于输入汽缸的热量qo是燃油消耗量mf与燃油低热值qc的乘积，即qo=mf·qc如果用空气量mtr燃烧过量空气系数λtr和燃烧理论空气量ast一起来代替燃油消耗量mf，则得：
将式（4）代入上式得:
再将上式代入公式（3）所得再与（2）式相等则得：
上式中未引用内燃机汽缸直径和活塞行程等结构尺寸。从式中可知平均指示压力与六个参数有关，其中低热值qc和燃烧理论充气量取决于所用燃油，燃烧过量空气系数λtr取决于内燃机型式，ρI取决于内燃机进气冷却或压力情况。充
气效率εvI取决于内燃机转速和汽缸的温度。
表Ⅱ pi或pe与ρI之间的关系表
注：实际的充气效率是随进气道和汽缸温度上升而减少的量，与进气管形状，活塞平均速度，压缩比，壁面温度有关的量通常在0.7-0.9之间，机械效率同样也是取适中值0.8。
3、扫气空气量的简易计算
内燃机进气管供应的空气量m实际分为两部分，一部分为内燃机汽缸吸入的新鲜空气量ma，另一部分为扫气空气量mso。后者又分为残留在汽缸中的部分msotr，和清扫出去的部分msoo。即有以下公式表示：
在前两节已经计算出了m的近似值，现在我们实则是用另一种方式来解出的值，即算出ma和扫气空气量mso的值。一方面是核实，另一方面对汽缸实际循环状况和排气特征的引入。
四冲程内燃机吸入的新鲜空气量ma可用以下公式近似确定：
其中ρI我们上一节已得出结果ρI=1.137kg/m3，TI为进气初态温度我们以室温20°C为基准则TI=293k，TIc指进气终了的温度可以用经验公式比较准确的得出：
代入上式得：ma=2.734 kg/min
如图1示四冲程内燃机进气阀流通面积AE—和排气阀流通面积AI—随时间或曲轴转角的变化关系。时间与曲轴转角之间的关系可用下式表示：
在进排气阀同时开启阶段（气阀叠开）汽缸才能扫气，为简化计算起见，用一个等效流通面积Aeq来代替进气阀流通面积AI和排气阀流通面积AE。确定等效流通面积时，应使它的流动阻力与串联的进排气阀流通面积相等。（如图2）；
为了简化计算需做如下假设：
① 流体不可压缩
② 流体通过进气阀时流通面积外产生的动能全部消失
③ 各流通面积的流量系数全部相同
计算过程如下：
则有：
Aeq瞬时值必须根据AI和AE随时间的变化关系求出，然后将Aeq曲线对时间积分，就得出等效流通面积—时间值的积分；对曲轴转角进行积分，就得出等效流通面积—角度值的积分。即：
在每一工作循环中，等效流通面积只在部分时间内开启一次，将上述积分值除以一个工作循环的持续时间（或曲轴转角）就得到了整个工作循环的平均等效流通面积，即：
有了扫气平均等效流通面积，则扫气空气量：
其中∶φI3为流量参数，表达式为：
式中可按AE=AI，根据资料EQ6100型发动机进气门座直径为mm，排气门直径为气门重叠角为40.50，进气门持续角2560，排气门持续角2390。我们取适中值：则有：
我们设进气状态的压力为ps温度为Ts，排气状态的温度为TT压力为pT。则根据空气动力学可知如下：
（其中k为等熵指数，μ为空气流动速度，A为面积，n为转速。）
可知要计算速度需对汽缸的状态和进排气的温度和压力做一番了解，并且计算流量参数φI3也需要这些参数，看来对循环状态的了解是一个前提了。
单对进气门这一块来讲，我国普遍采用Ricardo方法，使得进气门的理论进气速度为：
Δp 为进气道压力降，一般取2.5kpa，ρ为进气门处的气体密度，这种方法也可以用来试试，但是Δp也还是要知道汽缸循环和进排气状态才知道的。
4、结语
通过对内燃机空气消耗量，进气密度和扫气空气量的简易计算，得到了EQ6100型发动机的空气消耗量，进气密度等数据，扫气空气量的结果需要了解内燃机的实际循环状况，气缸内压力和温度，排气管内和管口压力等随时间或曲轴转角变化关系，这样就可以初步计算到涡轮机的质量流量和功率了。这个需要进一步的研究。
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EQ6100 type internal combustion engine air consumption calculation
Zhang Yongbin
（Zhengzhou Railway Technician College, Henan Zhengzhou 450041）
In this paper, Dongfeng EQ6100 cars discusses the internal combustion engine, for example systems to calculate the air consumption of ideas, the engine intake density of simple calculations and scavenging air quantity calculation ideas. Calculation vehicle exhaust turbine for power generation size and vehicle exhaust turbine generator provides the premise feasibility.
Internal combustion engine；Air consumption；Calculate
U464.3
A
1671-7988(2014)12-21-04
张勇斌，就职于郑州铁路技师学院。
