1--发动机建模机理
机械系统的动力学建模及分析方法
机械系统的动力学建模及分析方法引言机械工程是一门研究机械系统设计、制造和运行的学科，它的发展与制造业的兴起密不可分。
在机械工程中，动力学建模及分析是一项重要的研究内容，它涉及到机械系统的运动学和力学特性。
本文将介绍机械系统动力学建模的基本原理和常用的分析方法。
一、机械系统动力学建模的基本原理机械系统动力学建模的目的是描述机械系统在外部作用下的运动规律和力学特性。
为了实现这一目标，需要从以下几个方面进行建模：1. 运动学建模：运动学建模是指描述机械系统的运动规律和运动参数的过程。
它包括位置、速度、加速度等运动参数的描述，可以通过几何方法或者数学方法进行建模。
2. 力学建模：力学建模是指描述机械系统受力和力的作用下的运动规律和力学特性的过程。
它包括受力分析、力的平衡和动力学分析等内容，可以通过牛顿定律和其他力学原理进行建模。
3. 系统参数建模：系统参数建模是指描述机械系统的物理特性和结构参数的过程。
它包括质量、惯性矩、刚度等参数的确定，可以通过实验测量或者理论计算进行建模。
二、机械系统动力学建模的分析方法1. 动力学方程建立：动力学方程是描述机械系统运动规律的数学表达式。
根据牛顿定律和动力学原理，可以建立机械系统的动力学方程。
常见的动力学方程包括运动学方程和力学方程，可以通过微分方程或者矩阵方程进行描述。
2. 线性化分析：线性化分析是指将非线性的动力学方程转化为线性的近似方程的过程。
在某些情况下，非线性方程的求解非常困难，因此可以通过线性化分析来简化问题的求解。
线性化分析可以通过泰勒级数展开或者线性化逼近的方法进行。
3. 模态分析：模态分析是指研究机械系统的固有振动特性和模态参数的过程。
通过模态分析，可以确定机械系统的固有频率、振型和振幅等参数，为系统的设计和优化提供依据。
常见的模态分析方法包括模态测试和有限元分析等。
4. 运动仿真：运动仿真是指通过计算机模拟机械系统的运动过程和力学特性的过程。
通过运动仿真，可以预测机械系统的运动轨迹、速度和加速度等参数，为系统的设计和优化提供参考。
动力系统建模
第六十页，编辑于星期日：十六点 四十五分。
作为自控系统的柴油机
• 柴油机动态方程 • 调速器动态方程 • 柴油机系统稳定性 • 柴油机系统动态特性 • 柴油机系统的分析假设前提
第六十一页，编辑于星期日：十六点 四十五分。
柴油机的动态方程
• 根据达兰贝尔原理：
J
d
dt
M
Ml
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仿真结果：示功图1
第五十二页，编辑于星期日：十六点 四十五分。
仿真结果：示功图2
第五十三页，编辑于星期日：十六点 四十五分。
发动机-调速器模型
动力系统特性分析
第五十四页，编辑于星期日：十六点 四十五分。
调速器工作原理
第五十五页，编辑于星期日：十六点 四十五分。
调速过程
第五十六页，编辑于星期日：十六点 四十五分。
涡轮增压器动力学仿真
第四十二页，编辑于星期日：十六点 四十五分。
发动机本体模型
第四十三页，编辑于星期日：十六点 四十五分。
放热规律模型
第四十四页，编辑于星期日：十六点 四十五分。
传热规律模型
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发动机动力学模型
第四十六页，编辑于星期日：十六点 四十五分。
燃烧速度
• 有效活化中心产生的速度对原始物质分 子数的比值，称为这一时刻有效活化中 心的相对密度
• 结合前式得到
• 燃烧速度：
dN ef
N
dt N
dN dt
nN N
N 1 x N0
t
x 1 e 0nN dt
dx dt
n N
t
e0 nN dt
n N
发动机一维热力学仿真介绍
发动机一维热力学仿真介绍
发动机一维热力学仿真是一种用于模拟发动机热力学行为的计算方法。
这种仿真方法基于一维流体动力学理论和热力学原理，通过建立数学模型来描述发动机内部流体的流动、传热、传质等过程。
一维热力学仿真可以用于分析发动机在不同工况下的性能表现，例如在不同转速、不同负载、不同燃料条件下的燃油消耗、排放物生成、燃烧效率等。
通过这种方式，设计人员可以在早期阶段预测和优化发动机的性能，从而减少试验次数、降低开发成本和缩短开发周期。
在进行一维热力学仿真时，通常需要建立以下几个模型：
1. 流体动力学模型：用于描述发动机内部流体的流动过程，包括进气、压缩、燃烧、排气等阶段。
2. 热力学模型：用于描述发动机内部流体的热力学行为，包括温度、压力、比热容、焓等参数的变化。
3. 化学反应模型：用于描述燃料在发动机内的燃烧过程，包括燃烧反应速率、生成物组成等。
4. 控制系统模型：用于描述发动机的控制系统行为，包括点火时刻、喷油时刻等。
在建立这些模型之后，通过数值求解方法，可以计算出在不同工况下发动机的性能表现。
这些结果可以用于指导发动机的进一步设计和优化。
总之，发动机一维热力学仿真是一种有效的工程工具，可以帮助设计人员更好地理解发动机的工作原理和性能表现，从而优化设计，提高燃油经济性、排放性能和可靠性。
1.发动机的工作原理及总体构造
重点内容1、基本术语P22 （1）工作循环（2）上、下止点（3）活塞行程S （4）气缸工作容积Vs（5）内燃机排量Vl （6）燃烧室容积Vc （7）气缸总容积Va （8）压缩比ε（9）工况内燃机在某一时刻的运行状况表示方法：1 该时刻内燃机输出的有效工率2 该时刻曲轴转速（10）负荷率（负荷）某一转速有效功率该转速下的最大有效功率2、往复活塞式内燃机工作原理四个行程、一个循环重点行程：压缩行程❖压缩行程❖爆燃——是因气体压力和温度过高，在燃烧室内离点燃中心较远处的末端，可燃混合气自燃而形成的一种不正常燃烧。
严重时，气门烧毁，轴瓦破裂等。
❖表面点火——因燃烧室内炽热表面与炽热处（如排气门头，火花塞等）点燃混合气产生的另一种不正常燃烧也称为炽热点火或早燃，也有较沉闷的敲击声。
名称成因现象后果爆燃由于气体压力和温度过高，在燃烧室内离点燃中心较远处的末端可燃混合气自燃而造成的一种不正常燃烧。
火焰以极高的速率向外传播，形成压力波，以声速向前推进。
当压力波撞击燃烧室壁时就发出尖锐的敲缸声。
还会引起发动机过热，功率下降，燃油消耗量增加等一系列不良后果。
严重爆燃时甚至造成气门烧毁、轴瓦破裂，火花塞绝缘体击穿等。
表面点火由于燃烧室内炽热表面与炽热处(如排气门头，火花塞电极，积炭处)点燃混合气产生的另一种不正常燃烧。
伴有强烈的较沉闷敲击声。
产生的高压会使发动机机件负荷增加，寿命降低。
四冲程汽油机工作状态P24行程状态温度（K）压力（M P a）进气行程320——380 0.08——0.090 压缩行程600——750 0.8——1.500作功行程2200~2800(瞬时最高)1200~1500(作功终了)3~6.5M P a(瞬时最高) 0.35~0.5M P a(作功终了)排气行程900——1200 0.105——0.125 柴油机工作时各行程状态参数状态行程温度(K)压力进气行程320~350800~900k P a压缩行程800~10003~5M P a作功行程2200~2800(瞬时最高)1500~1700(作功终了)3~5M P a(瞬时最高)300~500k P a(作功终了)排气行程800~1000105~125k P a思考题：四冲程汽油机和柴油机的工作循环有什么相同之处和不同之处？相同点：1、每个工作循环曲轴转两转（720）每一行程曲轴转半转（180）进气行程是进气门开启，排气行程是排气门开启，其余两个行程进，排气门均关闭。
变循环发动机部件法建模及优化
变循环发动机部件法建模及优化由飞机/发动机设计原理可知，对于持续高马赫数飞行任务，需要高单位推力的涡喷循环，反之，如果任务强调低马赫数和长航程，就需要低耗油率的涡扇循环。
双涵道变循环发动机可以同时具备高速时的大推力与低速时的低油耗。
变循环发动机的内在性能优势，受到了各航空强国的重视，是目前航空发动机的重要研究方向。
1 变循环发动机的构造及基本原理1.1 基本构造双涵道变循环发动机的基本构造见图1、图2，其主要部件有：进气道、风扇、副外涵道、CDFS 涵道、核心驱动风扇级（CDFS ）、主外涵道、前混合器、高压压气机、主燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、后混合器、加力燃烧室、尾喷管。
双涵道模式下，选择活门和后混合风扇副外涵道前混合器主外涵道主燃烧室高压涡轮后混合器加力燃烧室尾喷管模式转换活门涡喷工作模式（图下半部分）图1 变循环发动机的基本构造图2 双涵道变循环发动机结构示意图 图中数字序号表示发动机各截面参数的下脚标各部件之间的联系如图3所示，变循环发动机为双转子发动机，风扇与低压涡轮相连，CDFS 、高压压气机与高压涡轮相连，如图3下方褐色的线所示。
蓝色的线表示有部件之间的气体流动连接（图3中高压压气机后不经主燃烧室的分流气流为冷却气流，在本题中忽略不计）。
图3 变循环发动机工作原理图1.2工作原理变循环发动机有两种工作模式，分别为涡喷模式和涡扇模式。
发动机在亚音速巡航的低功率工作状态，风扇后的模式转换活门因为副外涵与风扇后的压差打开，使更多空气进入副外涵，同时前混合器面积开大，打开后混合器，增大涵道比，降低油耗，此时为发动机的涡扇模式。
发动机在超音速巡航、加速、爬升状态时，前混合器面积关小，副外涵压力增大，选择活门关闭，迫使绝大部分气体进入核心机，产生高的推力，此时为发动机的涡喷模式。
2 变循环发动机部件建模法燃气涡轮发动机的特性可以用实验方法和计算方法获得。
但实验的方法需要研制复杂的设备、投入巨额的资金和消耗巨大的能源，因此实验的方法不可能经常采用。
01-1航空发动机原理绪论1.0
典型民用发动机参数
型号
WJ5 MK555 -15P CFM56 -3B GE90 Leapx
年代
C
Tt4 （K）
B
起飞 F 巡航 SFC （daN） （kg/daN.h）
1950s 1960s 1980s 1990s 2010s
7.2 15.4 23.9 39.3 40
1088 ~ 1539 1703 ~
A380－空中巨无霸
Rolls-Royce遄达900发动机
基本型的推力为311千牛，四台发动机以符合空客A380-800起飞 重量560吨的要求 发展型356千牛推力将用于A380最大起飞重量为615吨的型号
B787－空中梦幻飞机
GEnx发动机
单台推力 250-330kN
高效快捷、低污染、高舒适性
J-10
航空发动机类型发展及演变
民用大型运输机 涡扇发动机
特点： 大涵道比设计 大多采用分开排气 优点： 起飞推力大 巡航经济性好 适用： 干线客机 大型运输机
大型宽体客机
超大推力级发动机研制成功 — 双发宽体客机允许不着陆跨洋飞行
B777－300起飞总重351吨
A380－空中巨无霸
起飞总重560吨 机身长度72.9米 翼展宽度79.4米 整体高度24.2米 目前世界上唯一的全机舱 双层客舱、四通道的客机 航程约1.5万公里 最高时速可达1078.2公里 最大载客量为555人
航空发动机类型发展及演变
开放转子发动机(Open rotor)
介乎于涡扇发动机和涡桨发动机 8~10片后掠叶片组成的桨扇由涡 轮驱动 具有叶型薄、最大厚度位置后移 等特点，克服一般螺旋桨在飞行 马赫数达到 0.65 后效率就急剧下 降的缺点 其经济性优势更适用于巡航马赫 数为0.7~0.8的运输机
AMESIM培训资料发动机01_ENG2_part1
Training
多气道喷射(汽油机)
13
Flat engine with multi port injection (Porsche)
©IMAGINE SA 1998-2006 Updated: July 2006
Training
汽油机直喷
14
Audi FSI
火花塞
喷油嘴
©IMAGINE SA 1998-2006 Updated: July 2006
发动机子系统 涡轮压缩机 喷油器 阀门组 传感器 歧管 导管 冷却系统* 燃烧室
* 其它库支持
6
润滑系统* 主轴
©IMAGINE SA 1998-2006 Updated: July 2006
Training
IFP-Engine: 概述
IFP-Engine用于模拟内燃机燃烧室内热力过程以及周边辅助 系统性能（进排气、供油） IFP-Engine 分析发动机性能 发动机模型包含气路(进排气), 燃烧室与主轴
©IMAGINE SA 1998-2006 Updated: July 2006
Training
发动机模型
IFP-Engine 可以模拟:
空气回路
16
燃烧室
物理现象：
气体动力学(inlet and exhaust sides)
燃烧室热力学(0D, pseudo 1D models)
20
IFP-Engine 发动机模型可以直接与AMESim传动系与 整车模型耦合。
©IMAGINE SA 1998-2006 Updated: July 2006
Training
喷油系统
IFP-Engine 标准喷油器模型:
发动机原理动画
发动机原理动画发动机是汽车的心脏，是汽车动力的源泉。
它的工作原理虽然复杂，但通过动画的形式，我们可以更直观地了解发动机是如何工作的。
首先，让我们来看一下发动机的结构。
发动机通常由气缸、活塞、曲轴、点火系统、燃油系统等部件组成。
气缸是发动机的工作室，活塞在气缸内上下运动，曲轴通过连杆与活塞相连，将活塞的线性运动转化为旋转运动。
点火系统负责在活塞达到顶点时点燃混合气，燃油系统则提供燃油和空气的混合物。
这些部件协同工作，完成了发动机的工作过程。
接下来，让我们来看一下发动机的工作过程。
发动机工作的基本原理是通过燃烧燃料来产生热能，然后将热能转化为机械能，驱动汽车前进。
在一个完整的工作循环中，活塞先是向下运动，从气缸内吸入混合气，然后活塞向上运动，将混合气压缩，最后点火系统点燃混合气，产生爆炸，推动活塞向下运动，完成一个工作循环。
现在，让我们通过动画来展示发动机的工作过程。
首先，我们可以看到活塞向下运动，吸入混合气，然后活塞向上运动，将混合气压缩。
接着，点火系统点燃混合气，产生爆炸，推动活塞向下运动。
这个过程就是发动机的工作原理，通过循环往复的工作，驱动曲轴旋转，最终驱动汽车前进。
通过动画，我们可以清晰地看到发动机内部部件的运动轨迹，更直观地了解发动机的工作原理。
同时，动画还可以配合文字说明，帮助观众更好地理解发动机的工作过程。
总的来说，发动机的工作原理是通过燃烧燃料产生热能，然后将热能转化为机械能，驱动汽车前进。
发动机内部部件的协同工作完成了这一过程，而动画则可以更直观地展示这一过程。
通过动画，我们可以更好地理解发动机的工作原理，为我们的学习和工作提供了很大的帮助。
希望通过这个动画，大家能够更深入地了解发动机的工作原理，为汽车的维护和修理提供更多的帮助。
同时，也希望通过这个动画，能够激发更多的人对汽车发动机的兴趣，为汽车行业的发展贡献自己的力量。
发动机作为汽车的核心部件，它的工作原理对我们的生活有着重要的影响，希望大家能够更加重视和关注。
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1--发动机建模机理
涡轮风扇发动机的数学模型
一、航空发动机数学模型概述
根据不同的目的和任务研究航空发动机时，需要推导不同形式的数学模
从研究发动机的特性出发，数学模型分为：稳态、“小偏离”动态和“大偏离”动态三类。
稳态模型用于发动机通道面积和部件特性已知，调节规律已定的条件下，计算发动机的高度—速度特性和计算给定飞行条件下发动机的节流特性，获得推力、燃油消耗率、转速及通道特性截面的压力、温度、速度等稳态特性数据。
“小偏离”线性动态模型是用于研究发动机在给定状态附近的动态特性，它是发动机控制系统分析和设计所必需的。
建立“小偏离”线性模型是假设发动机的输入量在小范围内变化时，发动机的动态特性用近似线性关系来描述。
“大偏离”非线性动态模型是用于研究发动机过渡态（加速、减速等）特性的，它是发动机过渡态控制设计所必需的。
在这过程中，由于发动机特性及其参数在大范围内变化，不可能再用线性关系描述。
二、涡扇发动机稳态数学模型建模方法
发动机的工作过程是一个非常复杂的非线性过程，要建立这一过程的非线性数学模型较困难，目前最常用的建模方法是部件法。
部件法建模是指根据发动机各部件较为精确的特性，按发动机的部件顺序，逐一建立发动机的气流过程、热力过程的方程，从而得到发动机的稳态模型。
该方法是以各部件的特性为依依据的，按动态匹配关系将各部件连接成一个完整的系统。
这里的匹配关系则是由各部件间容积环节的热力和动力的物理联系以及转子的动力学特性来确定的。
采用部件法的优点是不对计算公式做线性化处理，从而避免了静态性能的失真。
该法能够更好地了解发动机各部件的稳态特性和动态特性，以及各部件间的相互关系及它们对整台发动机性能的影响。
三、建模基本假设及共同工作方程
为建立准确的稳态模型，要使发动机各截面参数符合发动机的共同工作条件，即满足共同工作方程，这是部件法建模的基本原则。
3.1 发动机共同工作的条件
为了建立准确的稳态数学模型，必须使发动机各截面参数符合发动机共同工作条件，即满足共同工作方程。
共同工作条件如下：1）流量平衡：
对发动机每个部件来说，流入的流量必须等于流出的流量，即：out in m m =
2) 功率平衡：
涡轮输出的功率必须等于被压气机吸收的功率加上抽取的功率，即：
N N N C T ?=?
3) 能量平衡：
对于每个部件流入容积的能量必须等于流出容积的能量，即：
out in h m h m ×=×
in h …… 流入部件1Kg 气体的热焓。
out h …… 流出部件1Kg 气体的热焓。
3.2 平衡方程的建立
气体在发动机内的流动遵循气体动力学基本方程，能量方程和动量方程。
在
计算发动机模型的程序中，发动机的每一个稳态平衡点必须符合共同工作方程即
各个部件的状态处于共同工作线上，每一个稳态平衡点都与六个独立变量的一组
值一一对应。
在程序中，用六个误差来描述发动机是否达到了平衡状态。
1）六个独立变量为
ZF ………………… 风扇压比之比
ZC ………………… 高压压气机压比之比
PCNF ……………… 低压转子百分比转速
PCNC ……………… 高压转子百分比转速
TFFLP ………………低压涡轮进口流量函数
TFFHP ………………高压涡轮进口流量函数
2）六个平衡方程为
1. ERR （1）＝（TFHCAL －TFFHP ）/ TFHCAL
TFHCAL ………由流量连续计算出的高压涡轮流量函数
TFFHP ………由涡轮特性计算出的高压涡轮流量函数
2. ERR （2）＝（DHTCC －DHTCHP ）/ DHTCC
DHTCC ………… 带动高压转子所用的功
DHTCHP ……… 高压涡轮发出的功
3. ERR （3）＝（TFLCAL －TFFLP ）/ TFLCAL
TFLCAL ………… 由流量连续计算出的低压涡轮流量函数TFFLP ………… 由涡轮特性计算出的低压涡轮流量函数
4. ERR（4）＝（DHTCF－DHTCLP）/ DHTCF
DHTCF…………带动低压转子所用的功
DHTCLP ………低压涡轮发出的功
5. ERR（5）＝（PS25－PS55）/ PS25
PS25 …………外涵出口静压
PS55 …………低压涡轮出口(内涵)静压
6. ERR（6）＝（P7R－P7）/ P7R
P7R …………由喷管工作状态计算的喷管进口总压
P7 …………由气动热力过程计算的喷管进口总压
其中，ERR(1)，ERR(2), ERR(3), ERR(4), ERR(5), ERR(6)为六个误差函数。
在程序计算过程中，通过迭代来使发动机达到平衡状态。
程序在计算任何状态之前首先计算设计点即地面状态，当计算非设计点时每次迭代将对独立变量进行小的调整，使六个误差函数向着变小的方向变化直到六个误差函数的均方根小于某一个给定误差容限TOLALL时，则认为发动机达到了平衡状态。
如果迭代次数达到给定最大次数还不
能满足上述条件就认为此点发动机模型不收敛。