摘 要

本文以直喷式内燃机为对象，在能量守恒方程和理想气体状态方程基础上建立了能够由给定放热规律曲线计算出相应缸压曲线以及热效率的单区函数模型，并基于MATLAB平台将此函数模型编写与封装。借助MATLAB遗传算法工具箱进行非线性规划，通过添加线性与非线性限制条件，可以针对确定机型与工况，将热效率当作函数模型的输出，搜寻到最高热效率所对应的放热规律曲线。在此基础上通过改变压缩比和最高温度的限制，探究内燃机最高热效率随压缩比的变化以及对应的放热规律曲线变化趋势。结果表明压缩比的提高可以在一定程度上提高内燃机的热效率，但易触及最高爆发压力与最高温度的限制。本函数模型对合理组织燃烧过程与探究结构参数与限制条件变化对内燃机最高热效率的影响提供了研究思路。

关键词：数值模拟；单区模型；非线性规划；热效率

Abstract

Based on the energy conservation equation and ideal gas state equation, a single zone function model is established in this paper, which can calculate the corresponding cylinder pressure curve and thermal efficiency from the given heat release law curve, and the function model is compiled and sealed based on MATLAB platform. With the help of MATLAB genetic algorithm toolbox for non-linear programming, by adding linear and non-linear constraints, the heat efficiency can be regarded as the output of the function model to determine the type and working condition, and the heat release law curve corresponding to the highest heat efficiency can be found. On this basis, by changing the compression ratio and the maximum temperature limit, the change of the maximum thermal efficiency of the internal combustion engine with the compression ratio and the corresponding change trend of the heat release curve are explored. The results show that the increase of compression ratio can improve the thermal efficiency of internal combustion engine to a certain extent, but it is easy to touch the limit of maximum burst pressure and maximum temperature. This function model provides research ideas for organizing combustion process reasonably and exploring the influence of structural parameters and limiting conditions on the maximum thermal efficiency of internal combustion engine.

Key Words：numerical simulation; single zone model; nonlinear programming; thermal efficiency

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的和意义 1

1.3 国内研究现状 2

1.4 国外研究现状 2

第2章 基础模型 3

2.1 基于单区模型的研究 3

2.2 基础模型建立 3

2.2.1 缸内热力学分析 3

2.2.2 喷油与放热模型 4

2.2.3 工质热力学性质模型 8

2.2.4 传热模型 9

2.2.5 韦伯放热规律 12

2.3 非着火循环 14

第3章 由放热规律求解缸压及热效率 16

第4章 基于遗传算法寻优 19

4.1优化问题的设置 19

4.2遗传算法简介 19

4.3MATLAB遗传算法工具箱 19

4.4遗传算法工具箱设置 19

4.4.1适应度函数 19

4.4.2约束函数 21

4.4.3遗传参数设置 21

4.5最优放热规律 21

第5章 改变约束条件对效率的影响 25

第6章 结论与展望 33

6.1结论 33

6.2展望 33

参考文献 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1 研究背景

世界上约有60%的化石燃料能源被各类内燃机所使用^[1]。然而当前，人们逐渐意识到节能减排的重要性以及以石油为代表的化石燃料储量正在不断减少，所以研发高热效率、低燃油消耗和低排放的内燃机尤为重要。要使内燃机兼顾经济性和动力性，同时要能被消费者接受，仅依靠设计人员的经验方法已经难以满足这些要求^[2]。

与经验设计计算相对应的，利用数学模型的方法对内燃机工作过程进行预测，在计算机高速发展的今天是完全可以实现的，且更具优势。其中，燃烧过程对发动机效率有很大影响，在寻找高效发动机的过程中，研究燃烧放热过程很有意义，其中主要针对放热规律的研究^[3]。自1970年左右起，“计算燃烧学”逐步成为一门新的学科。其子学科“内燃机计算燃烧学”对燃烧过程进行建模、寻优，能够对内燃机的实际设计提供有效的指导，同时可以在调整参数、研究瞬态特性等方面提供参考^[4,5][4][5]。近年来，内燃机缸内燃烧过程的主动控制能力随内燃机电控技术的发展而趋于成熟，一些新型的燃烧模式如HCCI、RCCI、PCCI等依赖于电控技术逐渐得以实现，并催生出了许多新概念内燃机产品。同时，内燃机在不同工况下，缸内温度压力波动较大，相应的最优放热率曲线也有必要区别设计，尽量实现在工作的任意时刻都以高热效率运行。

1.2 研究目的和意义

内燃机的真实燃烧过程瞬性强，工质温度压力变化剧烈，缸内大尺度滚流和小尺度湍流同时存在，加之缸内直喷技术已经逐渐在汽油机上也成熟使用，在喷入燃料过程中存在燃油液滴、燃油蒸汽和空气的多相复杂流动。要完全建立描述真实燃烧放热模型并与复杂的燃烧室形态、瞬变的边界条件相耦合是困难而又复杂的。因此建立和发展了许多适用于内燃机的独特的模型，能够满足最受关注方面的模拟计算，并能根据基于某一项结果对过程进行优化。

本研究将将有助于以下工作的进行: