内燃机的热力学和空气动力学 卷2PDF电子书下载

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ι 37

（ⅱ）泰勒（Taylor）微尺度λ 37

（ⅲ）克莫格罗夫（Kolmogorov）微尺度η 37

11.2.2.2　时间尺度 38

（ⅰ）时间积分尺度ιt 38

（ⅱ）时间微尺度λt 38

（ⅲ）克莫格罗夫时间微尺度η 38

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kchem 206

15.4.3.3　传质速率系数kmt 206

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？）？R 209

15.4.3.6　由于反应热而沿波动特征线的黎曼变量变化（dλ）？R 210

15.4.3.7　催化剂表面温度T？ 210

15.4.3.8　管壁摩擦系数ft 211

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1 242

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2 261

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