張勇斌

（鄭州鐵路技師學(xué)院，河南 鄭州 450041）

EQ6100型內(nèi)燃機(jī)空氣消耗量的計算

張勇斌

（鄭州鐵路技師學(xué)院，河南 鄭州 450041）

本文以東風(fēng)EQ6100型汽車發(fā)動機(jī)為例系統(tǒng)論述了內(nèi)燃機(jī)空氣消耗量的計算思路，內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣密度的簡單計算和掃氣空氣量的計算思路。為汽車廢氣渦輪發(fā)電量大小的計算和汽車廢氣渦輪發(fā)電可行性的研究提供了前提。

內(nèi)燃機(jī)；空氣消耗量；計算

CLC NO.:U464.3Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014) 12-21-04

前言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使得能源消耗量急劇增加，能源的供需矛盾日益突出。汽車保有量越來越多，汽車的能源消耗在總能源消耗中所占的比例越來越高，汽車節(jié)能問題成為全球性關(guān)注的問題，也是當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展的主題。汽車節(jié)能的方法很多，如改良燃料，燃料電池，利用廢熱制冷，取暖或驅(qū)動空調(diào)，渦輪增壓，混合動力等等。汽車廢氣渦輪發(fā)電是利用汽車排放的廢氣推動渦輪機(jī)渦輪轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電的新的節(jié)能方法，青島大學(xué)的張鐵柱教授為此設(shè)計了一種新裝置獲專利一項(xiàng)，日本的吉田佑也曾做此方面試驗(yàn)，證明廢氣渦輪發(fā)電量足以提供汽車運(yùn)行所需電能，但國內(nèi)部分學(xué)者仍持懷疑態(tài)度。為了在理論上驗(yàn)證汽車廢氣渦輪發(fā)電的實(shí)用性和可行性，從理論上計算廢氣渦輪發(fā)電電量大小需首先得知內(nèi)燃機(jī)的空氣消耗量，進(jìn)氣密度和掃氣空氣量，然后才能求出廢氣進(jìn)入渦輪的質(zhì)量流量及渦輪機(jī)功率，進(jìn)而得到發(fā)電量的大小，本文正是基于此目的而展開的。

1、內(nèi)燃機(jī)空氣消耗量計算

對于一臺給定的內(nèi)燃機(jī)要計算出與其匹配的渦輪機(jī)的功率，必須知道空氣的流量m，即計算出內(nèi)燃機(jī)的空氣消耗量是設(shè)計渦輪機(jī)最重要的先決條件之一。以下是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)功率和過量空氣系數(shù)來計算空氣消耗量的近似方法。

由于燃油的體積與空氣體積相比可以忽略不記，則空氣流量m可以根據(jù)燃油流量mf和燃燒理論空氣量α和過量空氣系數(shù)λ來計算：

根據(jù)燃油消耗量fe= mf/pe則空氣消耗率可以定義如下：

計算空氣消耗率時，最好采用按照內(nèi)燃機(jī)的指示功率計算的指示燃油消耗率fi，因?yàn)樗扔行加拖穆蔲e的變

動范圍小。由于公式f= f·η所以有：

我們知道柴油機(jī)需要的理論空氣量為α=14-14.3kg空氣/kg柴油，汽油機(jī)為α=14.8kg空氣/kg柴油，全負(fù)荷時內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械效率隨內(nèi)燃機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速而變動，一般為0.75-0.85之間。

以上討論的λ實(shí)際上為總的過量空氣系數(shù)，也就是說它是從總的空氣流量m（包括掃氣量）得出的。我們平常經(jīng)常得到的是汽缸內(nèi)空氣量mtr得出燃燒過量空氣系數(shù)用λtr表示。但我們知道λ與λtr幾乎是相等的，或λ比λtr稍小一些。

表Ⅰ 燃燒過量空氣系數(shù)λtr與指示燃油消耗量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系

表Ⅰ 燃燒過量空氣系數(shù)λtr與指示燃油消耗量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系

對于非增壓四沖程汽油機(jī)，λ=1.1左右（額定轉(zhuǎn)速下）則可以算出：

又知道研究對象是東風(fēng)EQ6100發(fā)動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速下功率為99 kw /3000r/min,則可以得出額定轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)每分下消耗的空氣流量為（以一缸為例）：

注：此數(shù)據(jù)忽略了燃油的介入和流量問題。

2、進(jìn)氣密度的簡易計算

公式（1）表明了內(nèi)燃機(jī)空氣消耗率與功率之間的關(guān)系，并不能表明內(nèi)燃機(jī)功率和內(nèi)燃機(jī)大小之間的關(guān)系。我們從汽車發(fā)動機(jī)原理可知功率，汽缸工作容積和平均指示壓力之間有如下關(guān)系：

（i-汽缸數(shù)， vs-工作容積，ηm-機(jī)械效率 ，n- 轉(zhuǎn)速，τ-行程數(shù)）

汽缸中的指示功（功=力*距離=壓力*容積）等于平均壓力與工作行程容積的乘積，即：

（mtr充入汽缸的新鮮空氣量，ρI進(jìn)氣密度）

由于輸入汽缸的熱量qo是燃油消耗量mf與燃油低熱值qc的乘積，即qo=mf·qc如果用空氣量mtr燃燒過量空氣系數(shù)λtr和燃燒理論空氣量ast一起來代替燃油消耗量mf，則得：

將式（4）代入上式得:

再將上式代入公式（3）所得再與（2）式相等則得：

上式中未引用內(nèi)燃機(jī)汽缸直徑和活塞行程等結(jié)構(gòu)尺寸。從式中可知平均指示壓力與六個參數(shù)有關(guān)，其中低熱值qc和燃燒理論充氣量取決于所用燃油，燃燒過量空氣系數(shù)λtr取決于內(nèi)燃機(jī)型式，ρI取決于內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣冷卻或壓力情況。充

氣效率εvI取決于內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速和汽缸的溫度。

表Ⅱ pi或pe與ρI之間的關(guān)系表

注：實(shí)際的充氣效率是隨進(jìn)氣道和汽缸溫度上升而減少的量，與進(jìn)氣管形狀，活塞平均速度，壓縮比，壁面溫度有關(guān)的量通常在0.7-0.9之間，機(jī)械效率同樣也是取適中值0.8。

3、掃氣空氣量的簡易計算

內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管供應(yīng)的空氣量m實(shí)際分為兩部分，一部分為內(nèi)燃機(jī)汽缸吸入的新鮮空氣量ma，另一部分為掃氣空氣量mso。后者又分為殘留在汽缸中的部分msotr，和清掃出去的部分msoo。即有以下公式表示：

在前兩節(jié)已經(jīng)計算出了m的近似值，現(xiàn)在我們實(shí)則是用另一種方式來解出的值，即算出ma和掃氣空氣量mso的值。一方面是核實(shí)，另一方面對汽缸實(shí)際循環(huán)狀況和排氣特征的引入。

四沖程內(nèi)燃機(jī)吸入的新鮮空氣量ma可用以下公式近似確定：

其中ρI我們上一節(jié)已得出結(jié)果ρI=1.137kg/m3，TI為進(jìn)氣初態(tài)溫度我們以室溫20°C為基準(zhǔn)則TI=293k，TIc指進(jìn)氣終了的溫度可以用經(jīng)驗(yàn)公式比較準(zhǔn)確的得出：

代入上式得：ma=2.734 kg/min

如圖1示四沖程內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣閥流通面積AE—和排氣閥流通面積AI—隨時間或曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。時間與曲軸轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系可用下式表示：

在進(jìn)排氣閥同時開啟階段（氣閥疊開）汽缸才能掃氣，為簡化計算起見，用一個等效流通面積Aeq來代替進(jìn)氣閥流通面積AI和排氣閥流通面積AE。確定等效流通面積時，應(yīng)使它的流動阻力與串聯(lián)的進(jìn)排氣閥流通面積相等。（如圖2）；

為了簡化計算需做如下假設(shè)：

① 流體不可壓縮

② 流體通過進(jìn)氣閥時流通面積外產(chǎn)生的動能全部消失

③ 各流通面積的流量系數(shù)全部相同

計算過程如下：

則有：

Aeq瞬時值必須根據(jù)AI和AE隨時間的變化關(guān)系求出，然后將Aeq曲線對時間積分，就得出等效流通面積—時間值的積分；對曲軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行積分，就得出等效流通面積—角度值的積分。即：

在每一工作循環(huán)中，等效流通面積只在部分時間內(nèi)開啟一次，將上述積分值除以一個工作循環(huán)的持續(xù)時間（或曲軸轉(zhuǎn)角）就得到了整個工作循環(huán)的平均等效流通面積，即：

有了掃氣平均等效流通面積，則掃氣空氣量：

其中∶φI3為流量參數(shù)，表達(dá)式為：

式中可按AE=AI，根據(jù)資料EQ6100型發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門座直徑為mm，排氣門直徑為氣門重疊角為40.50，進(jìn)氣門持續(xù)角2560，排氣門持續(xù)角2390。我們?nèi)∵m中值：則有：

我們設(shè)進(jìn)氣狀態(tài)的壓力為ps溫度為Ts，排氣狀態(tài)的溫度為TT壓力為pT。則根據(jù)空氣動力學(xué)可知如下：

（其中k為等熵指數(shù)，μ為空氣流動速度，A為面積，n為轉(zhuǎn)速。）

可知要計算速度需對汽缸的狀態(tài)和進(jìn)排氣的溫度和壓力做一番了解，并且計算流量參數(shù)φI3也需要這些參數(shù)，看來對循環(huán)狀態(tài)的了解是一個前提了。

單對進(jìn)氣門這一塊來講，我國普遍采用Ricardo方法，使得進(jìn)氣門的理論進(jìn)氣速度為：

Δp 為進(jìn)氣道壓力降，一般取2.5kpa，ρ為進(jìn)氣門處的氣體密度，這種方法也可以用來試試，但是Δp也還是要知道汽缸循環(huán)和進(jìn)排氣狀態(tài)才知道的。

4、結(jié)語

通過對內(nèi)燃機(jī)空氣消耗量，進(jìn)氣密度和掃氣空氣量的簡易計算，得到了EQ6100型發(fā)動機(jī)的空氣消耗量，進(jìn)氣密度等數(shù)據(jù)，掃氣空氣量的結(jié)果需要了解內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)狀況，氣缸內(nèi)壓力和溫度，排氣管內(nèi)和管口壓力等隨時間或曲軸轉(zhuǎn)角變化關(guān)系，這樣就可以初步計算到渦輪機(jī)的質(zhì)量流量和功率了。這個需要進(jìn)一步的研究。

[1] 朱智富.汽車廢熱利用的有效途徑［J］.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報，2005，（2）：51-53.

[2] 陳家瑞.汽車構(gòu)造（上）［M］.北京∶人民交通出版社，2004.

[3] 黃慶宏.汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)原理與應(yīng)用［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2005.

[4] 顧宏中.MIXPC渦輪增壓系統(tǒng)研究與優(yōu)化設(shè)計［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2006.

[5] 蔣德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

[6] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[7] 張鐵柱,張洪信.汽車安全,節(jié)能與環(huán)保［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004.

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

張勇斌，就職于鄭州鐵路技師學(xué)院。