一种发动机效率计算方法及装置

1.本技术涉及发动机领域，特别涉及一种发动机效率计算方法及装置。


背景技术：

2.柴油发动机在降低燃料消耗、提高动力性能等方面具有优势。为了更好地发挥柴油机优势、改善柴油机性能、减少柴油的消耗并降低柴油机工作时污染物的排放，可用甲醇替代一部分柴油，实现甲醇和柴油的掺混燃烧。甲醇来源广泛、含氧量高、抗爆性好、储存和运输方便以及清洁环保，是一种最有前景的柴油机替代燃料。
3.由于甲醇的物化性质和柴油相差很大，掺烧甲醇将影响柴油机的燃烧持续期、燃烧等容度等，从而影响柴油机的燃烧放热特性和能量转换特性。因此通常采用燃烧分析软件分析甲醇等燃料的掺混比对燃烧放热及放热率的影响，以提高发动机的效率。现有燃烧分析软件仅能针对燃烧放热、放热率分析；分别计算温度、压力、燃烧率等参数。无法准确直观反映混合燃料对发动机效率的影响，进而难以确认合适的掺混比例，保障发动机效率。
4.因此，如何保障应用掺混燃料时的发动机效率成为本领域技术人员需要解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供一种发动机效率计算方法，该分析方法能够准确直观反馈不同比例掺混燃料对发动机效率的影响，可用于指导发动机燃油掺混甲醇等燃料的比例，保证发动机的效率。本技术的另一目的是提供一种发动机效率计算装置。
6.为实现上述目的，本技术提供一种发动机效率计算方法，包括：
7.构建发动机的燃烧传热模型，获取发动机的运行参数；
8.根据所述运行参数计算混合燃料在初始状态和压缩瞬时的工质熵的变化，根据所述工质熵的变化计算排气可用能的变化率；
9.由所述排气可用能的变化率计算传热可用能的变化率；
10.根据所述混合燃料的燃烧放热率、所述排气可用能的变化率、所述传热可用能的变化率计算做功可用能的变化率及发动机效率。
11.可选地，所述运行参数包括所述混合燃料的进气温度t0、初始熵s0以及初始压力p0，压缩瞬时的瞬时温度t、瞬时熵s和瞬时压力p；
12.所述计算混合燃料在初始状态和压缩瞬时的工质熵的变化的步骤为：根据计算所述工质熵的变化；
13.δs为工质熵的变化；
14.c
p
为所述混合燃料的定压比热容；
15.r为热力学常数。
16.可选地，所述计算排气可用能的变化率的步骤为：
17.根据计算所述排气可用能的变化率；
18.ae为排气可用能；
19.为发动机的曲轴转角；
20.h为所述混合燃料在压缩瞬时的瞬时焓；
21.h0为所述混合燃料的初始焓；
22.h0为初始比焓或进气比焓；
23.t0为所述混合燃料的进气温度；
24.s为所述混合燃料压缩瞬时的瞬时熵；
25.s0为所述混合燃料的初始熵；
26.s0为初始比熵或进气比熵；
27.me为排气质量；
28.he为排气比焓；
29.se为排气比熵。
30.可选地，所述由所述排气可用能的变化率计算传热可用能的变化率的步骤为：
31.根据计算所述传热可用能的变化率；
32.qw为传热可用能；
33.为发动机的曲轴转角；
34.ae为排气可用能；
35.t为所述混合燃料压缩瞬时的瞬时温度；
36.t0为所述混合燃料的进气温度。
37.可选地，还包括根据所述传热可用能的变化率计算缸壁传热系数α，计算过程如下：
[0038][0039]
式中：
[0040]qw
为传热可用能；
[0041]
为发动机的曲轴转角；
[0042]
n为发动机转速；
[0043]
α为缸壁传热系数；
[0044]fi
为燃烧室壁面面积；
[0045]
t为所述混合燃料压缩瞬时的瞬时温度；
[0046]
t
wi
为平均壁温；
[0047]
i取1、2、3分别表示活塞顶、气缸盖和气缸套表面。
[0048]
本技术还提供一种发动机效率计算方法，包括：
[0049]
参数获取模块，用于构建发动机的燃烧传热模型，获取发动机的运行参数；
[0050]
排气可用能计算模块，连接所述参数获取模块，以根据所述运行参数计算混合燃料在初始状态和压缩瞬时的工质熵的变化，并根据所述工质熵的变化计算排气可用能的变化率；
[0051]
传热可用能计算模块，连接所述排气可能用计算模块，且用于根据所述排气可用能的变化率计算传热可用能的变化率；
[0052]
发动机效率计算模块，连接所述参数获取模块、所述排气可用能计算模块、所述传热可用能计算模块，以根据所述运行参数计算所述混合燃料的燃烧放热率，并根据所述混合燃料的燃烧放热率、所述排气可用能的变化率、所述传热可用能的变化率计算做功可用能的变化率及发动机效率。
[0053]
相对于上述背景技术，本技术通过构建发动机燃烧传热模型，利用能量转换特性中的做功可用能作为衡量能量品质的指标，对发动机机的做功可用能进行分析。通过计算柴油机燃烧柴油醇类掺混燃料过程中的能量转化过程中的燃料可用能、传热可用能以及排气可用能等不可逆损失等。深入研究掺烧甲醇后发动机能量转换与损失的本质问题，从而确认合适的掺混比例，保障发动机效率。
附图说明
[0054]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0055]
图1为本技术实施例所提供的发动机效率计算方法的流程图；
[0056]
图2为本技术实施例所提供的发动机效率计算装置的示意图；
[0057]
图3为本技术实施例所提供的甲醇掺混比例对发动机可用能及不可逆损失的影响规律示意图。
具体实施方式
[0058]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0059]
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。
[0060]
本技术实施例提供一种发动机效率计算方法，如图1所示，包括：
[0061]
步骤s10：构建发动机的燃烧传热模型，获取发动机的运行参数；
[0062]
步骤s20：根据运行参数计算混合燃料在初始状态和压缩瞬时的工质熵的变化，根据工质熵的变化计算排气可用能的变化率；
[0063]
步骤s30：由排气可用能的变化率计算传热可用能的变化率；
[0064]
步骤s40：根据所述混合燃料的燃烧放热率、所述排气可用能的变化率、所述传热可用能的变化率计算做功可用能的变化率及发动机效率。
[0065]
其中，步骤s10构建发动机的燃烧传热模型，获取发动机的运行参数过程，可以利用现有燃烧分析软件如gt-power构建燃烧传热模型并输出掺混燃料的温度、压力、焓熵等运行参数，以便后续基于输出的运行参数计算排气可能用的变化率，以及基于排气可用能的变化率、燃烧传热模型的运行参数和结构参数计算传热可用能的变化率。
[0066]
步骤s20计算排气可用能的变化率的过程主要包括计算混合燃料进气初始状态至压缩瞬时工质熵的变化，计算过程如下：
[0067]
由步骤s10获取的运行参数至少包括混合燃料的进气温度t0、初始熵s0以及初始压力p0，以及压缩瞬时的瞬时温度t、瞬时熵s和瞬时压力p，用δs表示工质熵的变化。
[0068]
则
[0069]
之后利用计算排气可用能的变化率
[0070]
在上式中，p0为混合燃料进气的初始温度，t表示压缩瞬时的瞬时温度、s为压缩瞬时的瞬时熵、p为压缩瞬时的瞬时压力，δs为工质熵的变化；c
p
为所述混合燃料的定压比热容；r为热力学常数；ae为排气可用能；为发动机的曲轴转角；h为所述混合燃料在压缩瞬时的瞬时焓；h0为所述混合燃料的初始焓；h0为初始比焓或进气比焓；t0为所述混合燃料的进气温度；s为所述混合燃料压缩瞬时的瞬时熵；s0为所述混合燃料的初始熵；s0为初始比熵或进气比熵；me为排气质量；he为排气比焓；se为排气比熵。各所需运行参数均可由现有燃烧分析软件在运行过程中输出/实时显示。
[0071]
在计算得到排气可用能的变化率后即可进行步骤s30，根据排气可用能的变化率与传热可用能的变化率之间的关系计算得到传热可用能的变化率。
[0072]
已知
[0073]
则
[0074]
上式中，qw为传热可用能；为发动机的曲轴转角；ae为排气可用能；t为所述混合燃料压缩瞬时的瞬时温度；t0为所述混合燃料的进气温度；表示传热可用能的变化率，为待求参数；由步骤s20已经求得。
[0075]
步骤s40，在已经求得计算排气可用能的变化率、传热可用能的变化率，根据热力学第一定律只需获取燃烧放热率即可利用混合燃料的燃烧放热率减去排气可用能的变化率、传热可用能的变化率得到做功可用能的变化率，利用做功可用能的变化率比燃烧放热率即可得到发动机的效率。燃烧放热率是指1kmol混合气在单位时间或单位曲轴转角的燃烧放热量，本技术中具体指1kmol气态的掺混燃料单位曲轴转角的燃烧放热量。燃烧放热率可直接从燃烧分析软件读取。通过调整甲醇的掺混比例，进行燃烧放热和做功分析，确认能
够保障发动机高效运行的最合适的掺混比例，对于发动机的余热利用、节能潜力的挖掘等具有很高的指导性。
[0076]
由图3可见，图3表示了不同甲醇掺烧比对可用能转移及不可逆损失的影响。随着掺烧比例增大，做功可用能和燃烧引起的不可逆损失都降低，而传热可用能几乎不变。做功可用能降低是因为掺烧甲醇降低了气缸内的压力，而由燃烧引起的不可逆损失降低是因为甲醇含氧量比较丰富，可以使燃料在氧气充足的条件下燃烧，从而降低燃烧损失。由此可见可用能转移分析对在实际运行工况中提高发动机热效率和经济性有很好的指导作用。
[0077]
在一实施例中，发动机效率计算方法还包括根据传热可用能的变化率及发动机的结构参数获取发动机的活塞顶、气缸盖和气缸套表面等处的缸壁传热系数，以便根据缸壁传热系数判断发动机状态并对传热可用能回收利用具有指导作用。发动机的结构参数可在构建发动机的燃烧传热模型时确认。
[0078]
缸壁传热系数的计算公式如下：
[0079][0080]
则
[0081]
上式中，n为发动机转速，表示传热可用能的变化率，步骤s30已经求得；qw为传热可用能；为发动机的曲轴转角；α为缸壁传热系数；fi为燃烧室壁面面积；t为所述混合燃料压缩瞬时的瞬时温度；t
wi
为平均壁温。fi等结构参数根据发动机燃烧换热模型确认。i取1、2、3分别表示活塞顶、气缸盖和气缸套表面。
[0082]
在一实施例中，还包括利用cfd建立汽车内燃机排气系统简单三维模型的方法，以发动机中最常用部分的尾气实验数据为输入进行计算，以更好地理解尾气流动和尾气传热，以便利用能量回收装置回收排气可用能，提高系统能量利用率。排气系统向环境传递的总热量为对流传热和辐射传热之和可参考估算。t
wall
表示管壁温度，t
∞
表示环境温度，h
∞
表示排气管与环境的对流换热系数，d表示排气管管壁直径，l表示排气管长度，ε表示发射率，σ表示斯蒂芬玻尔兹曼常数。
[0083]
本技术还提供一种发动机效率计算装置，用来基于不同掺混比例的混合燃料计算发动机的效率。如图2所示，发动机效率计算装置包括参数获取模块、排气可用能计算模块、传热可用能计算模块以及发动机效率计算模块。参数获取模块与排气可用能计算模块及发动机效率计算模块连接，用来构件发动机的燃烧传热模型，获取发动机的运行参数和结构参数。排气可用能计算模块用来根据参数获取模块获取的运行参数，通过混合燃料在初始状态和压缩瞬时的工质熵的变化计算排气可用能的变化率。通过将上述排气可用能的变化率的计算过程编程并存储在排气可用能计算模块中，由排气可用能计算模块计算输出排气可用能的变化率。传热可用能计算模块连接排气可用能计算模块，用来根据排气可用能计算模块输出的排气可用能的变化率计算传热可用能的变化率。将排气可用能的变化率计算传热可用能的变化率的计算过程编程并存储在传热可用能计算模块中，由传热可用能计算模块计算输出传热可用能的变化率。发动机效率计算模块分别连接参数获取模块、排气可
用能计算模块和传热可用能计算模块，用来根据混合燃料的燃烧放热率、排气可用能的变化率及传热可用能的变化率计算做功可用能的变化率，同时根据做功可用能的变化率与燃烧发热率的比值计算发动机的效率。
[0084]
本技术是在现有的燃烧计算软件gt-power等的基础上，建立柴油机掺烧甲醇的工作模型，然后分析发动机可用能模型，计算可用能。通过gt-power软件模拟输出温度、压力、燃烧率等运行参数，再将燃烧计算软件输出值作为发动机效率计算装置的输入值，从而计算发动机的可用能、可用能转移和可用能损失的变化，通过cfd模拟得到排气系统可用能量，达到研究甲醇掺混比例、转速、喷油正时、压缩比对发动机燃烧放热规律和能量转换规律的影响的目的，从而为甲醇混合燃料应用于发动机、提高发动机效率提供理论依据。
[0085]
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
[0086]
以上对本技术所提供的发动机效率计算方法及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。