内燃机系统动力学仿真
内燃机的原理
内燃机的原理内燃机是一种利用燃料在燃烧时产生的高温高压气体推动活塞做功的热机。
它是现代工业和交通运输中最常用的动力装置之一，广泛应用于汽车、飞机、船舶等各个领域。
内燃机的原理是基于热力学和动力学的相关理论，下面将对内燃机的原理进行详细介绍。
内燃机的原理主要包括燃烧室、活塞、曲轴、气缸、进气门、排气门等关键部件。
当内燃机工作时，首先是通过进气门将混合气（空气和燃料的混合物）进入气缸，然后活塞向上运动压缩混合气，接着点火系统点燃混合气，燃烧产生高温高压气体，气体推动活塞向下运动，最终通过曲轴传递动力。
内燃机的原理可以分为四个基本过程，进气、压缩、燃烧和排气。
在进气过程中，活塞向下运动，气缸内的进气门打开，混合气被吸入气缸；在压缩过程中，活塞向上运动，进气门关闭，混合气被压缩至高压状态；在燃烧过程中，点火系统点燃混合气，燃烧产生高温高压气体推动活塞做功；在排气过程中，活塞再次向上运动，排气门打开，燃烧产生的废气被排出气缸。
内燃机的原理涉及到热力学和动力学的知识。
热力学是研究热能转化和热现象的科学，而内燃机正是利用燃料燃烧产生的热能转化为机械能。
动力学则是研究物体运动的科学，内燃机的活塞和曲轴的运动就是动力学的研究对象。
内燃机的原理也与燃烧化学有关。
燃料在燃烧时会释放出能量，这是内燃机能够工作的基础。
燃料的选择、燃烧的稳定性、燃烧产物的排放等都是内燃机设计和优化的重要方面。
总的来说，内燃机的原理是通过燃料燃烧产生的高温高压气体推动活塞做功，从而驱动机械设备工作。
它涉及到热力学、动力学和燃烧化学等多个学科的知识，是一种复杂而又高效的动力装置。
随着科学技术的不断发展，内燃机的原理也在不断完善和优化，为人类社会的发展做出了重要贡献。
第十二章内燃机工作过程计算
第十二章 内燃机工作过程计算
第一节 内燃机计算模型 第二节 柴油机实际工作过程的循环数值计算
一. 基本微分方程 二. 气缸内实际工作过程的计算 三. 进、排气系统内过程的计算
第三节 汽油机实际工作过程的循环数值计算 内燃机工作过程三维仿真
目的与要求：
1.熟悉内燃机简单的工作过程计算法及有关因素的考虑方法 2.熟悉内燃机缸内燃烧及进排气总管内流动计算的方法 3.熟悉汽油机采用双区模型的原因及处理方法
K
0.0698 p 气体压力，bar
T 气体温度，K
工质物性参数=f(T，λ )
② 瞬态定容平均比热容Cvm
0.0485 6 cm 0.14455 3 0.0975 0.75 T 273 10 3.36 2 7.768 0.8 T 273 10 4 46 .4 2 489 .6 0.93 T 273 10 , k J /(k g K )
第一节 内燃机计算模型
本章主要以柴油机的单区模型、汽油机的双区模型为基 础简单介绍其工作过程计算。
简单工作过程计算的意义： （1）是基础，任何内燃机工作过程、性能计算其基 础问题是一样的。各阶段的处理特点也相同。初始 参数、边界条件的选取也一样。 （2）简单工作过程计算对预测内燃机总体性能参数 （如：功率、转矩、油耗率等）精度很高，是新机 型设计初期必需的研究工作。 （3）可以对发动机的调整特性进行较高精度的研究。
★
基本方程分析
dT/d=1/(m∂u/∂T)*( dQB/d+ dQW/d-pdV/d+ hsdms/d+ +hdme/d-udm/d-m∂u/∂λ *dλ /d)
燃烧学--高等内燃机
教材: 内燃机燃烧科学与技术，自编教材，2004年4月。
教材中的第1、3、4、5、6、7、11、12、15章参考文献：(1) 蒋德明著。
内燃机燃烧与排放学。
西安交通大学出版社，2001.7(2) 傅维镳等。
燃烧学。
高等教育出版社，1989.4(3) 张平编著。
燃烧诊断学。
兵器工业出版社，1988.12(4) 徐旭常等编。
燃烧理论与燃烧设备。
清华大学热能工程系，1988.10(5) 何学良等编著。
内燃机燃烧学。
机械工业出版社，1990.5。
TK407.9/2(6) 龚允怡编。
内燃机燃烧基础。
机械工业出版社，1989。
TK401/16(7) 陈家骅等编。
内燃机燃烧。
哈尔滨船舶工程学院出版社，1986。
TK413.2/2(8) 陈义良等编译。
燃烧原理。
航空工业出版社，1992。
TK16/17(9) 常弘哲等编。
燃料与燃烧。
上海交通大学出版社，1993。
(10) 魏道远主编。
内燃机燃烧与排放控制。
中国铁道出版社，1992。
TK401/19(11) 魏象仪编。
内燃机燃烧学。
大连理工大学出版社，1992。
TK401/20(12) 解茂昭著。
内燃机计算燃烧学，大连理工大学出版社，1995.12(13) 岑可法著。
高等燃烧学，浙江大学出版社，2002.12北京理工大学图书馆馆藏参考文献：(1) 许晋源等。
燃烧学。
机械工业出版社，1990.5。
TK16/4=2(2) (美)威廉斯著。
燃烧理论－化学反应流动系统的基础理论。
科学出版社，1990.6。
0643.2/2=2(3) 何学良等编著。
内燃机燃烧学。
机械工业出版社，1990.5。
TK407.9/2(4) 张斌全编著。
燃烧基础理论。
北京航空航天大学出版社，1990.8。
0643.2/16(5) 周力行著。
湍流两相流动与燃烧的数值模拟。
清华大学出版社，1991。
TK121/5(6) 芩可法等编。
燃烧流体力学。
水利电力出版社，1991。
TK16/14(7) (美)肯尼斯著。
飞行器动力系统的动态建模与仿真
飞行器动力系统的动态建模与仿真在现代航空航天领域，飞行器动力系统的性能和可靠性至关重要。
为了更好地设计、优化和预测飞行器动力系统的工作特性，动态建模与仿真是一种不可或缺的工具。
飞行器动力系统是一个复杂的多学科交叉领域，涵盖了热力学、流体力学、燃烧学、机械工程等多个学科的知识。
其主要组成部分包括发动机、燃料供应系统、进气系统、排气系统等。
发动机作为核心部件，又可以分为多种类型，如喷气式发动机、涡轮螺旋桨发动机、火箭发动机等，每种类型都有其独特的工作原理和性能特点。
动态建模是对飞行器动力系统的物理过程和行为进行数学描述的过程。
通过建立精确的数学模型，可以捕捉到系统中各种参数之间的关系，以及它们随时间的变化规律。
例如，对于喷气式发动机，建模需要考虑空气的吸入、压缩、燃烧、膨胀和排出等过程。
在建模过程中，需要运用各种数学方法和理论，如微分方程、偏微分方程、数值分析等。
在建立模型时，首先要对系统进行合理的简化和假设。
这是因为实际的飞行器动力系统非常复杂，如果不进行简化，建模将变得极其困难甚至无法实现。
然而，简化也需要谨慎进行，以确保模型能够准确反映系统的主要特性和关键行为。
例如，在建模燃烧过程时，可以假设燃烧是均匀的、完全的，但同时需要考虑实际中可能存在的燃烧不完全、火焰传播速度等因素的影响。
模型的参数确定是建模过程中的一个关键环节。
这些参数通常包括物理常数、几何尺寸、材料特性等。
获取参数的方法有多种，如实验测量、理论计算、参考已有文献和数据等。
实验测量可以提供最直接和准确的参数值，但往往受到实验条件和设备的限制。
理论计算则基于物理定律和数学公式，可以在一定程度上预测参数值，但计算过程可能较为复杂。
参考已有文献和数据可以节省时间和成本，但需要对数据的可靠性和适用性进行评估。
建立好模型后，接下来就是进行仿真。
仿真就是利用计算机软件对建立的模型进行数值求解，以得到系统在不同工况下的性能参数和输出结果。
仿真软件通常包括专业的航空航天仿真工具，如MATLAB/Simulink、ANSYS Fluent 等。
机械系统动力学-PPT课件
2
，可求解等效转动惯量：
n v i 2 si2 J J （ ) m ( ) e si i i i 1 1
HIGH EDUCATION PRESS
第十四章 机械系统动力学
1.作定轴转动的等效构件的等效参量的计算
等效力矩的计算：
等效构件的瞬时功率：P M e
系统中各类构件的瞬时功率： P P F v cos i 'M i i i'' i si i
0 Md tan 0 n tan Mn
M M n 0 n M d 0 n 0 n ab
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第十四章 机械系统动力学
二、机械的运转过程
1.启动阶段 2. 机械的稳定运转阶段
3. 机械的停车阶段
第十四章 机械系统动力学
P P ' P ' ' M F v cos i i i i i i si i
第十四章 机械系统动力学
HIGH EDUCATION PRESS
1.作定轴转动的等效构件的等效参量的计算
整个机械系统的瞬时功率为：
P M F v cos i i i si i
i 1 i 1 n n
HIGH EDUCATION PRESS
3.机械的停车阶段
停车阶段是指机械由稳定运转的工作转数下降到零转
数的过程。
第十四章 机械系统动力学
HIGH EDUCATION PRESS
第二节 机械系统的等效动力学模型
一、等效动力学模型的建立 二、等效构件 三、等效参量的计算 四、实例与分析
第十四章 机械系统动力学
作往复移动的等 效构件的微分方 程
动力学在机械设计中的应用
动力学在机械设计中的应用引言：动力学是研究物体在受到外力作用下的运动规律和力学性能变化的学科，是机械设计中不可忽视的重要组成部分。
在机械设计中，动力学的应用能够帮助工程师深入了解和分析机械系统的运动行为，从而更有效地实现设计目标。
本文将介绍动力学在机械设计中的重要应用领域，包括性能优化、系统可靠性分析和振动控制等。
一、性能优化动力学分析可以帮助工程师对机械系统的性能进行优化。
通过建立数学模型和仿真分析，工程师可以了解系统在不同工况下的力学特性和运动行为。
例如，在内燃机设计中，动力学分析能够帮助工程师优化气门传动系统，提高气门开关的效率和可靠性，从而实现更高功率和更低燃油消耗。
类似地，在机械传动系统中，动力学分析可以揭示系统中各个部件之间的相互作用，从而帮助工程师进行结构和参数的优化，提高传动效率和系统可靠性。
二、系统可靠性分析动力学分析还可以用于机械系统的可靠性分析。
在机械设计过程中，工程师需要评估系统在不同工况下的可靠性，以提前发现潜在的故障和问题，并采取相应的措施进行改进。
通过动力学分析，工程师可以对系统的运动过程进行详细的模拟和分析，进而预测系统在长期使用中可能发生的问题。
例如，在航空航天领域，动力学分析可以帮助工程师评估发动机的振动和冲击对关键部件的损伤情况，从而优化设计，提高系统的可靠性和安全性。
三、振动控制动力学分析对于振动控制也起到重要作用。
在机械系统中，振动不仅会影响系统的性能和可靠性，还会引发噪声和疲劳损伤等问题。
通过动力学分析，工程师可以确定系统中不稳定和共振现象的原因，并采取相应的控制措施，避免或减小振动问题。
例如，在建筑工程中，动力学分析可以帮助工程师评估建筑结构的振动响应，从而选择合适的材料和结构设计，以减少地震等外力的影响，提高建筑的抗震性能。
结论：动力学作为机械设计的一项重要工具，对于深入了解和分析机械系统的运动行为具有重要意义。
通过动力学分析，工程师可以优化机械系统的性能，提高系统的可靠性和安全性，并有效地控制和减小振动问题。
GT SUITE各模块简介
GT-VTRAIN
GT-VTRAIN 主要应用于配气机构的机械运动和摩擦分析，是一种先进的设 计工具。它的计算精度和可靠性已经被大量的实际应用所证实。 主要应用：
配气机构（多体）动力学计算。 配气机构的运动学计算。 凸轮设计。 准动力学（刚性）分析，正规化 力和分离速度。 接触力和冲击力，气门落座速度 和反弹。 凸轮随动件的摩擦、赫兹应力、 变形、油膜厚度。 凸轮轴的扭转/弯曲的动态特 性。 凸轮轴轴承轨迹、摩擦扭矩。 配气机构的摩擦力和功率损失。 GT-VTRAIN 建模范围广泛，从标准 的配气结构布置到所有现代形式，包括 推杆、顶置凸轮、摆臂式和摇臂式顶置 凸轮、直接操纵式等。GT-VTRAIN 提供 了完整的动力学/液力学基本部件，同时 也提供了许多预变程的复合部件，比如 用于标准配气机构的部件（摇臂、提升 阀、液力间隙调节器等）。使用复合部件 可以减少建模的时间，而基本部件的使用可以拓展 GT-VTRAIN 的应用范围。因 此，GT-VTRAIN 是一种配气机构多体动力学计算的软件。
在同类软件中，GT-POWER 是最全面、最灵活的一种仿真软件，市场占有率 最高，适用于许多研究开发项目。与第三方软件的耦合使用进一步加强了它的功 能，如 STAR-CD、SIMULINK、modeFRONTIER、MS/EXCEL 和 Bistro 等。
GT-POWER 可以用于发动机稳态和瞬态的仿真计算，也可以用于发动机/动 力系统的控制系统分析。它适用于几乎所有形式的内燃机，同时用它的部件可以 搭建出用户设计的各种新型发动机。
GT-DRIVE 的运行方式包括静态、动力学（根据驾驶员动作求解）、运动学 （从已知的车辆运动情况求解）和专家模式。 静态模式：
发动机+变速箱+车辆的选型和匹配。 各档位的特性：
内燃机车理论培训教案(机车空气系统)PPT课件
二、风源装置
2.1空气压缩机 在机车辅助室内
装有两台往复式空气 压缩机，压缩机由机 体、曲轴、高低压气 缸、高低压活塞连杆 组、气阀、中间冷却 器、风扇、滤尘器、 进出风管、联轴器等 组成，由直流电机直 接驱动。
NPT5
1－机体；2－油泵；3,15－低压连杆；4,7－低压活塞
；5,8－低压气缸；6－空气滤清器；9－高压活塞；10－
10
二、风源装置
2.5.4 可能发生的故障及处理办法 （1）控制失灵、两塔不转换 处理：检查电控器的指示灯是否转换，检查线路是否良好，检查电空阀 有无卡滞现象。如确认是电控器的故障，可进行整体更换。 （2）泵风过程中干燥塔排气阀漏风 处理：检查排气阀有无堵塞，排气阀的螺母有无松动现象，橡胶垫有无 破裂现象。并对这些故障进行处理。 （3）泵风过程中，再生塔排气量过大，总风缸压力上升过慢。 处理：检查进气阀阀垫有无破裂现象；检查出气止回阀阀垫有无破裂现 象。并针对这些故障进行处理。 2.5.5 使用效果
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三、轮对轴箱装置
3.2轴箱
轴箱是构架与轮对之间的连接关节，它起到的重要的传递垂向力、牵 引力、制动力或其他力的作用。轴箱采用无导框弹性拉杆定位。它的组成 主要由轴箱体、后盖、前盖、防尘圈、端垫、隔环、中隔圈、压盖等。 机车在运用中，轴箱的外表温度应不高于外温×0.6+50℃。轴温不正常 时，应检查轴承和油脂状态，辨明故障原因后及时处理。要避免水、砂及 其他赃物混入轴箱，以保持轴承正常的使用寿命。
机车空气系统
一、概述
1.概述
DF7C内燃机车的空气管路系统包括风源装置、制动装置、辅助用风 和控制控制用风。由它们来完成机车制动、缓解、撒砂、鸣笛、自动控制和 一些辅助功能。主要技术参数：
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内燃机系统动力学仿真
信息来源：轻型汽车技术
一、引言
汽车内燃机作为整车研发中技术含量最高、最核心的技术，开发目标的要求和难度越来越高。
为满足现代汽车内燃机工业的发展需要，必须对传统的以经验加试验的设计方法进行改进。
近年来，虚拟样机技术在内燃机领域获得了越来越广泛的应用。
ADAMS（Automatic Dynamic Analysisof Mechanical System）是美国MDI公司（2002年被MSC收购）研制的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机专业软件。
现在世界上主要汽车制造商都在应用ADAMS数字化虚拟样机软件，它可仿真任何运动系统。
ADAMS虚拟样机技术的基本应用过程如图1所示。
本文初步实现其中的前期处理部分，通过建立内燃机的虚拟样机模型，利用ADAMS软件对其进行了动力学仿真分析，仿真结果与客观实际相符。
本文应用虚拟样机技术对内燃机模型进行动力学仿真，为汽车内燃机的设计提供了新思路。
二、内燃机虚拟样机建模
（一）将三维模型导入ADAMS仿真环境
本文采用美国PTC公司的Pro/E作为建模软件，建立的内燃机主体三维模型如图2所示。
然后利用ADAMS/Exchange模块将在Pro/E中装配好的内燃机模型导入ADAMS/View环境下（先将文件转换为.igs格式），在这个过程中内燃机各个零件之间的装配关系是保持不变的，建立的虚拟样机如图3所示。
（二）2.2材料设置及运动副的施加
将三维模型导入ADAMS后，需对模型赋予材料属性，力学属性，再根据实际的运动学关系对发动机模型主要部件之间施加约束，定义构件运动的初始条件，将其定义为机械系统仿真模型，进行系统动力学仿真。
本文创建活塞零件材料为铝合金，其密度和弹性模量设置如图4所示，同理给连杆、曲轴、气阀和凸轮轴设置材料属性。
使用ADAMS/View中的约束库在零件之间创建约束副（Constraint），以确定零件之间的连接情况以及零件之间是如何相对运动的。
1.将气缸盖与气缸体定义为固定体，与大地（ground）相联；
2.凸轮轴与气缸盖之间的旋转副（RevoluteJoint）；
3.凸轮轴与气阀之间定义为固体与固体接触（Contact-SolidtoSolid）；
4.四个气阀与气缸盖之间的移动副（TranslationalJoint）；
5.活塞与气缸体之间的移动副；
6.活塞销与连杆小头之间的旋转副；
7.连杆大头与曲柄之间的旋转副；
8.曲轴与气缸体之间的旋转副。
（三）载荷的施加
载荷的施加包括定义气缸对活塞的压力、气阀杆顶端和气缸盖之间的弹簧力、凸轮和气阀之间加入面-面接触力、重力加速度。
其中，根据气缸内流体动力学数值仿真结果，利用一个工作循环内的缸内压强数据，可以得到气缸内压强曲线（DataSpline）SPLINE_fpiston，如图5所示。
图中自变量X表示时间（单位为毫秒），因变量Y表示气缸内气体压强（单位为105帕）。
活塞所受的总的气体平均压力为活塞上、下两侧空间内的气体压强差与活塞截面积的乘积。
在ADAMS中燃气压力采用Spline函数进行曲线定义，采用AKISPL函数式进行表达。
三、测试和验证模型
创建完模型后，可以对模型进行运动仿真，通过测试整个模型或模型的一部分以验证其运动的正确性。
在对模型进行仿真的过程中，ADAMS/View自动计算模型的运动特性和力学特性，如距离、速度、加速度、力、力矩等信息。
（一）创建驱动（Motion）
创建旋转驱动MOTION_crank，将它应用于曲轴与气缸体之间的旋转副
JOINT_revcrank。
设置发动机以恒定转速运行，转速为3000rpm；设置仿真步长为0.1ms，仿真时间为40ms，即发动机的一个工作循环，仿真类型为动力学仿真（Dynamic）。
（二）创建测量（Measure）
1.曲轴转角和连杆摆角
利用函数创建曲轴转角（rotate_angle）的测量参数，输入参数表达式0.1PItime；利用角度测量方法（BuildMeasureAngle）创建连杆摆角（tilt_angle）的测量。
2.活塞所受合力及发动机的指示转矩
当不考虑与气缸壁的摩擦力时，活塞所受合力为作用于活塞上的气体压力和惯性力，由于作用方向都是沿气缸中心线，故作用于活塞上的合力是气体压力与往复惯性力的代数和，所以合力的参数表达式
为：.engine.piston_gas_force+.engine.piston_inertia_force合力将在曲柄连杆机构中产生一系列的力和力矩。
如图6所示，可以将合力F进行分解以分析力的传递效果。
发动机指示转矩（indicate_torque）的参数表达式为：ABS
（.engine.piston_total_force30（sin
（（.engine.rotate_angle+.engine.tilt_angle）PI/180）/（cos
（.engine.tilt_anglePI/180））））。
四、仿真结果及分析
创建完成虚拟样机系统模型后，可用ADAMS/View中的Simulation/Controls对发动机主运动系统进行动力学仿真。
仿真时ADAMS/View调用ADAMS/Solver进行求解。
在仿真开始前，ADAMS/Solver根据模型的自由度判断是进行运动学仿真还是动力学仿真。
如果整个模型的自由度为0，则进行运动学仿真;如果整个模型的自由度为1或者大于1，则进行动力学仿真。
ADAMS提供了ADAMS/PostProcessor以提高ADAMS仿真结果的处理能力。
仿真结束后可以得到模型的所有测量参数及ADAMS预设的动力学参数的变化曲线。
如图7至图11所示，在曲轴以3000rpm保持匀速时，活塞和连杆的动力学特性曲线完全符合平衡状态下的物理规律。
活塞速度峰值约为9.8m/s，加速度出现两个峰值，分别约为3700m/s2和2250m/s2；活塞所受合力的变化范围大致是-170000N～4000N；连杆的摆角峰值为±15°，呈正弦曲线变化；当气缸工作在燃烧阶段出现尖峰压力时，内燃机的输出指示转矩也达到最大，最大值约为180Nm，并在其他时刻有小幅波动。
可以非常直观地看出，活塞的加速度曲线及其往复惯性力曲线、连杆摆角曲线及其动力学特性曲线都是呈周期性变化的。
仿真分析结果可以作为发动机进一步性能优化设计的依据。
五、结束语
本文运用3D软件Pro/E建立内燃机三维模型，通过ADAMS/Exchange模块导入ADAMS，实现了Pro/E与ADAMS的无缝连接，并对内燃机虚拟样机进行了动力学仿真分析。
在无实际的物理样机的条件下，ADAMS虚拟样机仿真可提供大量的运动学和力学参数结果，这些结果可用于分析机械系统运动特性，也可用于下次分析的输入。
然而实际中的内燃机非常复杂，运动时涉及到很多参数，本文只是在比较低的层面上对内燃机进行动力学仿真，以比较直观地展现内燃机的一些运动规律，得到了所有动力学参数在内燃机工作时的变化过程。
在内燃机的研究开发中，ADAMS虚拟样机技术可提高设计质量，缩短开发周期，并降低开发成本。