吴先焕，邓惜仁，邓航

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

基于VC++的发动机零维模型仿真计算

吴先焕，邓惜仁，邓航

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

为了便于研究发动机工作状况，该文在零维假设下建立模型，根据发动机过程各个阶段的特点进行求解。利用vc++软件计算出给定步长的缸内主要参数指，从而模拟出发动机工作过程。用此方法模拟计算用时短，结果与实际情况相比误差小，可以较准确反映实际过程缸内主要参数的变化情况。

发动机；零维模型；vc++；参数

CLC NO.:U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-112-03

引言

当下，汽车行业的发展正面临着环境保护和能源短缺的双重压力。深入研究发动机的工作过程对指导新型发动机的开发和优化旧的发动机都有着重要的意义。发动机工作过程中的主要参数仿真计算，是深入研究发动机的一种重要方法。运用现代计算机技术去模拟计算发动机工作过程中的主要参数，可节省大量时间，缩短研究周期，降低实验费用。

仿真是在对真实系统不改变其本质特征的前提下作出的一种合理简化和高度概括。计算机仿真是在计算机上通过系统模型去模拟一个真实的系统，以分析真实系统的本质特征。这个过程是一个建立模型、运行模型和分析模型的过程。本文在传统的零维假设下建立了汽缸模型，利用龙格库塔法计算缸内工作工程中的主要参数，此方法计算时间少，能够预测发动机的性能，满足要求。

1、汽缸模型的建立与求解

气缸的一个完整工作循环包括六个阶段：压缩期、燃烧期、膨胀期、排气期、气门重叠期以及吸气期。其中在压缩期、燃烧期和膨胀期是进、排气阀都处于关闭状态，此三个阶段即气缸的封闭过程。对气缸工作工程的分析大部分都是基于气缸内工质温度及压力随曲轴转角的变化规律来研究，所以气缸封闭过程的数值计算主要是计算缸内温度及压力随曲轴转角的变化规律。

1.1 零位假设

整个理论计算是基于能量守恒、质量守恒和状态方程上计算的，并在导出缸内热力过程计算的基本微分方程式时，作了如下简化假设：

(1)气缸内各处温度、压力及混合气浓度均匀；

(2)工质为理想气体，其比热、内能仅与气体温度和气体成分有关；

(3)气体流入或流出气缸为准稳定流动；

(4)进、出口的动能忽略不计；

(5)不计漏气损失,并假定只有在燃烧始点才有燃油喷入气缸;

(6)假定为完全扫气;

(7)按代用燃烧规律进行喷油，并认为着火延迟等于零；

1.2 系统主要方程

（1）气缸工作容积

气缸瞬时容积为：

气缸容积随曲轴转角变化率：

（2）温度随曲轴转角变化规律

A、压缩期

从进气阀关闭时起至燃烧开始时止为压缩期。此阶段能力方程为：

1）定容比热cv的计算

在压缩期间，工质成分不变即过量空气系数λ是常数，因为是完全扫气，所以λ趋于无穷，可取一个较大的值代替，此处取λ=104。

按传热面平均的瞬时传热系数α利用Woschni公式计算：

B、燃烧期

在燃烧期间的能量方程为：

在燃烧期间气缸内工质的质量是空气的质量与瞬时燃料质量之和，即：

瞬时放热率：

工质内能表达式 u=f(λ,T ）

比内能对过量空气系数的偏导：

C、膨胀期

膨胀期能量方程与压缩期的一样，只是工质质量比压缩期多一个循环喷油量。其能量方程为：

（3）压力随曲轴转角的变化规律由气体状态方程： PV=mRT

2、参数确定

2.1 基本参数

发动机，型号：WP6.210，直喷水冷四冲程

气缸直径：105mm；

排量：6.23L；

压缩比：16.5；

供油提前角：22°CA BTDC；

额定功率：155kW/2300r/min；

进气门开：12.5°CA BTDC

进气门关：38°CA ABDC

排气门开：56°CA BBDC

排气门关：12.5°CA ATDC

2.2 有关参数选取

由排量和气缸直径可以计算出行程S=120mm；

一般曲柄连杆比的范围是1/3~1/5，本次计算中取λ s=0.3；

燃烧持续角取80°；

燃料低热值取为425000KJ/kg；

燃烧品质指数取为1.0；

燃烧效率取100%；

理论空气量取14.3kg/kg；

3、实验结果

利用以上模型，对型号为WP6.210的柴油机进行仿真计算。得到压力，体积，温度数据，绘出的曲线图如下：

图1

图2

从输出结果可以看出：

压缩始点：205（℃A），压力Pa=139.811KPa，温度Ta=352.044K；

压缩终点: 325（℃A）,压力Pa=1882.32KPa，温度Ta=811.148K；

燃烧终点：410（℃A），压力Pa=2342.82KPa，温度Ta=1487.09K；

膨胀终点：485（℃A），压力Pa=490.109KPa，温度Ta=1002.52K；

最高温度TMAX=1962.76k,最高压力PMAX=12986.2KPa，最高温度及最高压力均出现在上止点之后，且最高温度滞后于最高压力，符合内燃机实际工作工程的燃烧滞后现象。

图3

4、结论

利用vc++软件建立的发动机工作过程的零维模型，并对一台四冲程柴油机的热力循环进行了仿真计算，同过将缸内的温度，压力等主要性能指标与时间情况相比，验证了模型的正确性。仿真结果能对发动机的实验起到知道作用，能够节省大量燃料和时间。

[1] 包生重. 四缸汽油发动机电控系统设计及其仿真系统研究[D].中南大学,2007.

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Calculated based on the zero-dimensional model simulation engine on VC ++

Wu Xianhuan, Deng Xiren, Deng Hang
( Automobile Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

In order to facilitate research engine operating condition, the article in the zero-dimensional model assumptions solved according to the various stages of the process of the engine characteristics. Use vc ++ software to calculate the main parameters fixed to the cylinder step refers to simulate the working process of the engine. Use this method when used short simulation calculation results with the error is small compared to the actual situation, it can more accurately reflect changes in the actual process of the main parameters of the cylinder.

engine; Zero-dimensional model; vc++; parameter

U467.3

A

1671-7988(2016)07-112-03

吴先焕，就读于长安大学汽车学院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.035