氣缸內(nèi)氣體溫度履歷的一種計算方法
【專利摘要】在發(fā)動機燃燒室沿軸線的方向上，加熱過程中，溫度場分布呈現(xiàn)由兩側(cè)向內(nèi)部逐漸升高的趨勢，保溫行程過程中，靠近兩側(cè)的溫度下降較快，通過缸內(nèi)燃燒溫度場，并結(jié)合示功圖曲線，對發(fā)動機缸內(nèi)燃燒氣體溫度履歷進行計算和研究，能夠更清晰地測試和分析內(nèi)燃機缸內(nèi)著火、燃燒及火焰?zhèn)鞑ミ^程的有效方法，同時發(fā)現(xiàn)，燃油在高溫缺氧情況下發(fā)生裂解可能形成較大碳粒，這些碳粒溫度非常高，一旦附著在氣缸壁、活塞頂和汽缸蓋上，會影響相應(yīng)零部件的使用壽命和發(fā)動機性能，應(yīng)盡量避免。
【專利說明】氣缸內(nèi)氣體溫度履歷的一種計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及氣缸內(nèi)氣體溫度履歷的一種計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]稀燃、分層燃燒、缸內(nèi)直噴以及可控自燃燃燒技術(shù)是目前汽油機發(fā)展的幾個主要方向。其中分層燃燒是一個重要的發(fā)展方向，因為無論是稀燃還是缸內(nèi)直噴，其根本目的都是要形成合理的分層結(jié)構(gòu)，已達到優(yōu)化燃燒的目的。已有的研究表明，分層燃燒有提高功率輸出和燃油經(jīng)濟型的巨大潛力，這種優(yōu)勢的主要原因是由于在低負荷時，分層燃燒的泵氣損失比較小。
[0003]燃燒是發(fā)動機運行中的最重要的環(huán)節(jié)，發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展依賴于燃燒機理研究的進步，要組織穩(wěn)定和高效的燃燒，需要對燃料的噴射、霧化、混合及燃燒等物理和化學過程有深入和正確的理解。應(yīng)用燃燒診斷技術(shù)，發(fā)現(xiàn)和掌握規(guī)律，是燃燒過程研究的主要任務(wù)，也是深化燃燒機理研究的主要方法。燃燒診斷技術(shù)的落后造成各種發(fā)動機燃燒流場的物理圖像至今不清楚，成為發(fā)動機燃燒機理研究進一步深入的羈絆。而燃燒機理研究的不足，直接影響到新發(fā)動機的開發(fā)和研制。
[0004]發(fā)動機燃燒數(shù)值模擬一般可以分為單區(qū)模型模擬、多區(qū)模型模擬和多維模型模擬。單區(qū)模型模擬最簡單，但顯然不適合本文所研究的情況。多維模型模擬是將計算流體動力學(CFD)與詳細化學反應(yīng)動力學耦合起來模擬發(fā)動機工作過程，計算精度高，但因為涉及大量網(wǎng)格單元內(nèi)復雜的化學反應(yīng)動力學計算，這種方法的計算成本最高，目前也只有少數(shù)研究者嘗試。多區(qū)模型模擬則根據(jù)不同溫度范圍將整個燃燒室劃分成若干區(qū)域分別計算，是一種能兼顧模型預(yù)測能力和計算成本的較好選擇，所以目前國際上多區(qū)模型模擬在整個燃燒模擬中占有較大的比例，而且也非常適合本專利所研究的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本專利采用一個考慮質(zhì)量交換和缸壁傳熱的模型對溫度分層均質(zhì)壓燃發(fā)動機的燃燒過程進行全面的研究，并通過改變壁面溫度來改變缸內(nèi)溫度分層對燃燒和排放的影響。得到在發(fā)動機各種工況下對氣缸內(nèi)氣體溫度的實時跟蹤監(jiān)測方法。
【具體實施方式】
[0006]下面對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細說明，但是本發(fā)明的保護范圍不局限于所述實施例。
[0007]實施例:
首先在發(fā)動機燃燒過程中，已燃區(qū)與未燃區(qū)的氣體之間幾乎不發(fā)生彼此混合，因此可假定內(nèi)核心區(qū)質(zhì)量恒定，各內(nèi)核區(qū)間的相互作用僅通過膨脹作功來實現(xiàn)。
[0008]在壓縮和燃燒過程中，位于氣缸內(nèi)部的工質(zhì)被壓縮擠入溫度較低的邊界層區(qū)和縫隙區(qū)；在膨脹作功過程中，位于邊界層區(qū)和縫隙區(qū)的工質(zhì)又流入氣缸的內(nèi)部區(qū)間。為模擬這一過程，模型中假定縫隙區(qū)和邊界層區(qū)以及邊界層區(qū)和外核心區(qū)之間可以進行質(zhì)量交換，但是縫隙區(qū)不能直接跨越邊界層區(qū)與外核心區(qū)直接進行質(zhì)量交換。同時假定一個區(qū)間流出的氣體立即與所流入?yún)^(qū)間的已有氣體完全均勻混合。
[0009]在計算過程中，對各區(qū)采用分離式求解方法，即每一個時間步長內(nèi)的計算分為兩部分。首先假設(shè)各個區(qū)間沒有質(zhì)量交換，通過熱力學和化學動力學計算燃燒過程，得到缸內(nèi)的平均壓力和各區(qū)間的溫度、組分；然后在此時間步長末，調(diào)用質(zhì)量交換程序進行邊界層區(qū)和縫隙區(qū)以及邊界層區(qū)和外核心區(qū)的質(zhì)量和能量的交換，交換完畢后返回第一部分進行下一時間步長的計算。這種方法與同時計算各區(qū)的化學反應(yīng)及區(qū)間相互作用的耦合式求解方法相比。可以節(jié)省大量的計算時間，在時間步長較小時，二者的計算精度基本相同。
[0010]對于內(nèi)核心區(qū)和外核心區(qū)，假定傳熱量為零；對于邊界層區(qū)，傳熱量通過修改的Woschni傳熱模型計算得到；對于縫隙區(qū)，假定溫度與氣缸壁的溫度保持一致，由于在計算中同時假定氣缸壁的溫度始終不變，因此該區(qū)的熱量交換項需要調(diào)整到適當?shù)闹怠?br> [0011 ] Woschni傳熱模型最初是由傳統(tǒng)的柴油機和汽油機實驗數(shù)據(jù)推導而來的，F(xiàn)iveland和 Chang
將該模型應(yīng)用于HCCI發(fā)動機計算時發(fā)現(xiàn)，在壓縮過程中計算得到的傳熱量過小，而在燃燒階段計算得到的傳熱量過大。為此，Chang根據(jù)測量數(shù)據(jù)提出了一個適用于HCCI發(fā)動機的改進的Woschni傳熱模型。
[0012]多區(qū)模型計算過程中，內(nèi)核心區(qū)由于沒有質(zhì)量交換，其體積通過計算得到?？p隙區(qū)的體積始終保持不變。邊界層區(qū)為氣缸壁、活塞頂和氣缸頂部的區(qū)間，其體積通過指定邊界層的厚度和時刻的缸壁面積計算得到。而外核心區(qū)的體積通過在時刻氣缸總體積減去縫隙區(qū)、邊界層區(qū)和內(nèi)核心區(qū)的體積計算得到。然而，由于在上述計算過程中未考慮外核心區(qū)、邊界層區(qū)和縫隙區(qū)之間的質(zhì)量交換，因此這個區(qū)所計算出來的體積并不正確，需要按照所假定的體積重新調(diào)整。調(diào)整后的區(qū)之間必然存在著壓差，此壓差會驅(qū)動區(qū)與區(qū)之間的質(zhì)量流動，以使各區(qū)間達到缸內(nèi)的平均壓力。區(qū)間質(zhì)量交換計算時，首先根據(jù)氣體狀態(tài)方程計算縫隙區(qū)、邊界層區(qū)和外核心區(qū)在體積調(diào)整后的壓力。各區(qū)間計算出的壓力新值與所計算出的缸內(nèi)平均壓力進行比較。當該區(qū)的壓力大于缸內(nèi)的平均壓力時，氣體將流出該區(qū)，否則氣體將流入該區(qū)。伴隨著質(zhì)量交換，各區(qū)之間也存在熱量和功的交換。
[0013]單區(qū)模型計算的缸內(nèi)壓辦比實測示功圖高很多，這主要是因為其沒有考慮傳熱、溫度分層和流動的影響，而基于模型計算的最大爆發(fā)壓力低，與實測示功圖基本吻合，該結(jié)果同時也說明溫度分層可以減緩燃燒放熱速率，從而控制缸內(nèi)壓力升高率。表2列出了主要排放物含量對比?？梢钥吹?，CO計算值比實驗值略低一些，主要原因是多區(qū)模型沒有考慮混合和缸內(nèi)濃度
不均勻度的影響。CO:計算值也比實驗值略低，這主要是因為CO:計算值是指排氣門打開時刻缸內(nèi)各區(qū)CO:的平均濃度，而實測的CO:排放值是在排氣管中測量得到的，由于排氣中的少量燃油在排氣管中發(fā)生化學反應(yīng)，使得實測的CO:排放值往往比計算值高一些。對于HC排放，計算值則比實驗值高一些，由于HC預(yù)測十分困難，該模型在量級上已基本接近。
【權(quán)利要求】
1.在發(fā)動機燃燒室溫度變化過程中，同一截面的垂直方向上，溫度由上至下逐漸降低，而水平方向上溫度大致呈對稱分布， 在幾何中心的溫度不能代表溫度場溫度，與場內(nèi)各點溫度以及平均溫度存在較大差異，在燃燒裝置中，溫度測試點不應(yīng)該布置在幾何中心點，而應(yīng)該找到一個更合理的測溫點；如果取中心點溫度，則在數(shù)據(jù)處理時應(yīng)按照溫度場分布規(guī)律對中心溫度作修正，以確保燃燒過程中研究溫度邊界條件的準確性， 增加壁面溫度時，由于缸內(nèi)熱損失相應(yīng)減少，使得溫度分層發(fā)動機的燃燒效率、指示熱效率、指示燃油轉(zhuǎn)換率和平均指示壓力略有提高，同時提高了缸內(nèi)平均溫度，使得缸內(nèi)的燃油燃燒更加充分，CO和HC排放量隨之降低，而NO排放量增加，其中，增加壁面溫度對降低HC排放的效果最為顯著， 在溫度分層均質(zhì)壓燃發(fā)動機中，外核心區(qū)、壁面邊界層和縫隙是CO和HC的主要來源，其中，在外核心區(qū)產(chǎn)生CO和HC是由于壁面邊界層和縫隙內(nèi)的未燃混合氣在膨脹過程中流入該區(qū)被部分氧化或沒有被繼續(xù)氧化，NOx主要來源于高溫的內(nèi)核心區(qū)，其中大部分為NO。
【文檔編號】F02B77/08GK103807018SQ201210443189
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月8日
【發(fā)明者】邵永松 申請人:鎮(zhèn)江潤欣科技信息有限公司