CN108286484A - 实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法 - Google Patents

实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法，包含以下步骤：建立与大孔径喷油器(1)对应的小孔径喷油器(2)，所述大孔径喷油器(1)与小孔径喷油器(2)存在以下任一种或任多种关系：几何结构相似；喷孔个数相同；喷孔直径成比例缩放；燃油种类相同；环境介质相同；喷油压力成比例缩放；喷油持续期成比例缩放；喷油量成比例缩放。本发明提供的实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法，可实现通过已有的喷油器再现其他孔径喷油器相应试验工况的喷雾燃烧特性，建立试验数据库，有利于降低柴油机喷雾燃烧系统开发过程的成本。

Description

实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法
技术领域
本发明涉及柴油机及相似性研究领域，具体地，涉及一种实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法。
背景技术
柴油机燃烧系统的开发和优化过程对提高柴油机燃油经济性，降低有害排放有着重要意义。为了解决大型柴油机体积大、成本高，很难直接进行试验的问题，基于质量、动量、能量以及化学组分守恒方程推导得到的燃烧相似性理论发现大柴油机的燃烧性能，如温度、缸压、放热率、排放等可以通过在几何相似的小柴油机上进行试验映射回去。然而，喷雾特性决定了燃烧特性，国际上虽有文献尝试通过控制喷射压力、喷射持续期等参数来实现喷雾相似性，但缺少相应的理论论证过程，也没有进行喷雾设计方法的总结。国内关于不同喷油器之间实现喷雾燃烧相似性的专利更是一片空白。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法。
根据本发明提供的实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法，包含以下步骤：
建立与大孔径喷油器对应的小孔径喷油器，所述大孔径喷油器与小孔径喷油器存在以下任一种或任多种关系：
--几何结构相似；
--喷孔个数相同；
--喷孔直径成比例缩放；
--燃油种类相同；
--环境介质相同；
--喷油压力成比例缩放；
--喷油持续期成比例缩放；
--喷油量成比例缩放。
优选地，小孔径喷油器的喷雾过程贯穿距，采用基于以下方程获取的以喷孔直径为参考值的无量纲喷雾贯穿距：
式中：S为喷雾贯穿距；
上标*表示无量纲的物理量；
S*为无量纲喷雾贯穿距；
dn为喷孔直径；
Kv、Kp、Kbt为比例常数；
ΔP为喷射压力；
ρ为密度；
ρl为燃油密度；
t为从喷射开始后的时刻；
tb为喷雾破碎时刻；
ρa为环境气体密度；
大孔径喷油器的无量纲喷雾贯穿距与小孔径喷油器的无量纲喷雾贯穿距相等的条件为：
式中：ΔPS为大孔径喷油器喷射压力；
dn,S为大孔径喷油器喷孔直径；
tS为大孔径喷油器从喷射开始后的时刻；
ΔPL为小孔径喷油器喷射压力；
dn,L为小孔径喷油器喷孔直径；
tL为小孔径喷油器从喷射开始后的时刻。
优选地，大孔径喷油器与小孔径喷油器的喷油之间存在以下关系：嘴型式相同；针阀控制方法相同；喷油嘴压力室形状相同；喷孔的位置分布和数量相同；几何相似。
优选地，大孔径喷油器与小孔径喷油器的喷孔长度、喷嘴直径按相似比例r缩放；
通过改变喷孔长度的相似比例r或在喷孔处设置台阶孔，实现大孔径喷油器与小孔径喷油器的喷雾锥角相等。
优选地，燃油种类相同包含以下内容：
--燃油密度ρl相同；
--喷射时环境密度ρa相同。
优选地，通过以下方法实现喷射时环境密度ρa相同的条件：
--在定容燃烧弹内进行试验时：根据充气量控制弹内密度；
--在实际不同尺寸的柴油机工作环境下：在对应的曲轴转角下，大孔径喷油器试验用柴油机与小孔径喷油器试验用柴油机之间燃烧室体积成比例r3缩放，缸径、冲程、连杆长度、曲轴半径按照比例r缩放，无量纲形式的活塞速度保持相等，即满足以下公式：
式中：n为柴油机转速；
nS为大孔径喷油器对应柴油机转速；
u为燃油的平均喷射速度；
uS为大孔径喷油器对应的燃油的平均喷射速度；
nL为小孔径喷油器对应柴油机转速；
uL为小孔径喷油器对应的燃油的平均喷射速度；
r为相似比例。
优选地，大孔径喷油器与小孔径喷油器之间的喷射压力比例与喷射持续期比例满足以下公式：
式中：ΔPL为小孔径喷油器喷射压力；
ΔPS为大孔径喷油器喷射压力；
τ为喷射持续期；
τL为小孔径喷油器喷射持续期；
τS为大孔径喷油器喷射持续期。
优选地，大孔径喷油器与小孔径喷油器之间在柴油机中的喷油提前角相同，单次喷射的燃油质量mf成比例r3。
优选地，在小孔径喷油器上进行喷雾的试验，再现大孔径喷油器相应试验工况的喷雾燃烧特性，将喷雾燃烧特性映射回大孔径喷油器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法，可实现通过已有的喷油器再现其他孔径喷油器相应试验工况的喷雾燃烧特性，建立试验数据库，有利于降低柴油机喷雾燃烧系统开发过程的成本。
2、本发明对不同柴油机喷油器产品研发的集约化有指导意义。
3、本发明提供的实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法，可在现有柴油机台架或定容燃烧弹内进行，具有可行性强，经济性高的优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明所述的大孔径喷油器与小孔径喷油器的二维示意图；
图2为大、小孔径喷油器在燃烧室内的喷雾相似性示意图，图中，DL为大孔径喷油器对应燃烧室直径，DS为小孔径喷油器对应燃烧室直径；
图3为大、小孔径喷油器喷雾相似性实验结果示意图。
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明提供的实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法，包含以下步骤：建立与大孔径喷油器1对应的小孔径喷油器2，所述大孔径喷油器1与小孔径喷油器2存在以下任一种或任多种关系：几何结构相似；喷孔个数相同；喷孔直径成比例缩放；燃油种类相同；环境介质相同；喷油压力成比例缩放；喷油持续期成比例缩放；喷油量成比例缩放。
柴油机喷雾过程贯穿距模型是Hiroyasu等学者基于动量守恒和质量守恒得到的模型。小孔径喷油器2的喷雾过程贯穿距，采用基于以下方程获取的以喷孔直径为参考值的无量纲喷雾贯穿距：
式中：S为喷雾贯穿距；上标*表示无量纲的物理量；S*为无量纲喷雾贯穿距；dn为喷孔直径；Kv、Kp、Kbt为比例常数；ΔP为喷射压力；ρ为密度；ρl为燃油密度；t为从喷射开始后的时刻；tb为喷雾破碎时刻；ρa为环境气体密度。
大孔径喷油器1的无量纲喷雾贯穿距与小孔径喷油器2的无量纲喷雾贯穿距相等的条件为：
式中：ΔPS为大孔径喷油器1喷射压力；dn,S为大孔径喷油器1喷孔直径；tS为大孔径喷油器1从喷射开始后的时刻；ΔPL为小孔径喷油器2喷射压力；dn,L为小孔径喷油器2喷孔直径；tL为小孔径喷油器2从喷射开始后的时刻。
大孔径喷油器1与小孔径喷油器2的喷油之间存在以下关系：嘴型式相同；针阀控制方法相同；喷油嘴压力室形状相同；喷孔的位置分布和数量相同；几何相似。大孔径喷油器1与小孔径喷油器2的喷孔长度、喷嘴直径按相似比例r缩放；通过改变喷孔长度的相似比例r或在喷孔处设置台阶孔(step hole)，实现大孔径喷油器1与小孔径喷油器2的喷雾锥角相等。
所述燃油种类相同包含以下内容：燃油密度ρl相同；喷射时环境密度ρa相同。通过以下方法实现喷射时环境密度ρa相同的条件：在定容燃烧弹内进行试验时：根据充气量控制弹内密度；在实际不同尺寸的柴油机工作环境下：在对应的曲轴转角下，大孔径喷油器1试验用柴油机与小孔径喷油器2试验用柴油机之间燃烧室体积成比例r3缩放，缸径、冲程、连杆长度、曲轴半径按照比例r缩放，无量纲形式的活塞速度保持相等，即满足以下公式：
式中：n为柴油机转速；nS为大孔径喷油器1对应柴油机转速；u为燃油的平均喷射速度；uS为大孔径喷油器1对应的燃油的平均喷射速度；nL为小孔径喷油器2对应柴油机转速；uL为小孔径喷油器2对应的燃油的平均喷射速度；r为相似比例。
大孔径喷油器1与小孔径喷油器2之间的喷射压力比例与喷射持续期比例满足以下公式：
式中：ΔPL为小孔径喷油器2喷射压力；ΔPS为大孔径喷油器1喷射压力；τ为喷射持续期；τL为小孔径喷油器2喷射持续期；τs为大孔径喷油器1喷射持续期。
大孔径喷油器1与小孔径喷油器2之间在柴油机中的喷油提前角相同，单次喷射的燃油质量mf成比例r3。
本发明提供的实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法中，在小孔径喷油器2上进行喷雾的试验，再现大孔径喷油器1相应试验工况的喷雾燃烧特性，将喷雾燃烧特性映射回大孔径喷油器1。
实施方式：本发明提供的实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法具体可通过下表的三个特例方法来实现：
表中：ρa,L为大孔径喷油器对应燃烧室3的环境气体密度；
ρa,S为小孔径喷油器对应燃烧室4的环境气体密度。
其中，方法1中比例取值特殊在所述大孔径喷油器1与小孔径喷油器2喷油持续期相同；方法2中比例取值特殊在所述大孔径喷油器1与小孔径喷油器2火焰浮起长度相同；方法3中比例取值特殊在所述大孔径喷油器1与小孔径喷油器2喷射压力相同。
以0.14mm与0.1mm孔径的两个单孔德尔福喷油器为例，选取0.14mm大孔径喷油器1的喷射压力为150MPa，环境密度为18kg/m3，喷射脉宽为1500μs，模拟转速为1000rpm，按上述三种方法的比例分别设置0.1mm小孔径喷油器2的相应工况，并在定容燃烧弹内进行试验，得到的原始喷雾贯穿距和无量纲形式的贯穿距如图3所示。根据实验结果可得到喷雾的相似性，进一步可实现燃烧相似性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法，其特征在于，包含以下步骤：
建立与大孔径喷油器(1)对应的小孔径喷油器(2)，所述大孔径喷油器(1)与小孔径喷油器(2)存在以下任一种或任多种关系：
--几何结构相似；
--喷孔个数相同；
--喷孔直径成比例缩放；
--燃油种类相同；
--环境介质相同；
--喷油压力成比例缩放；
--喷油持续期成比例缩放；
--喷油量成比例缩放。
2.根据权利要求1所述的实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法，其特征在于，小孔径喷油器(2)的喷雾过程贯穿距，采用基于以下方程获取的以喷孔直径为参考值的无量纲喷雾贯穿距：
式中：S为喷雾贯穿距；
上标*表示无量纲的物理量；
S*为无量纲喷雾贯穿距；
dn为喷孔直径；
Kv、Kp、Kbt为比例常数；
ΔP为喷射压力；
ρ为密度；
ρl为燃油密度；
t为从喷射开始后的时刻；
tb为喷雾破碎时刻；
ρa为环境气体密度；
大孔径喷油器(1)的无量纲喷雾贯穿距与小孔径喷油器(2)的无量纲喷雾贯穿距相等的条件为：
式中：ΔPS为大孔径喷油器(1)喷射压力；
dn,S为大孔径喷油器(1)喷孔直径；
tS为大孔径喷油器(1)从喷射开始后的时刻；
ΔPL为小孔径喷油器(2)喷射压力；
dn,L为小孔径喷油器(2)喷孔直径；
tL为小孔径喷油器(2)从喷射开始后的时刻。
3.根据权利要求1所述的实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法，其特征在于，大孔径喷油器(1)与小孔径喷油器(2)的喷油之间存在以下关系：嘴型式相同；针阀控制方法相同；喷油嘴压力室形状相同；喷孔的位置分布和数量相同；几何相似。
4.根据权利要求1所述的实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法，其特征在于，大孔径喷油器(1)与小孔径喷油器(2)的喷孔长度、喷嘴直径按相似比例r缩放；
通过改变喷孔长度的相似比例r或在喷孔处设置台阶孔，实现大孔径喷油器(1)与小孔径喷油器(2)的喷雾锥角相等。
5.根据权利要求1所述的实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法，其特征在于，燃油种类相同包含以下内容：
--燃油密度ρl相同；
--喷射时环境密度ρa相同。
6.根据权利要求5所述的实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法，其特征在于，通过以下方法实现喷射时环境密度ρa相同的条件：
--在定容燃烧弹内进行试验时：根据充气量控制弹内密度；
--在实际不同尺寸的柴油机工作环境下：在对应的曲轴转角下，大孔径喷油器(1)试验用柴油机与小孔径喷油器(2)试验用柴油机之间燃烧室体积成比例r3缩放，缸径、冲程、连杆长度、曲轴半径按照比例r缩放，无量纲形式的活塞速度保持相等，即满足以下公式：
式中：n为柴油机转速；
nS为大孔径喷油器(1)对应柴油机转速；
u为燃油的平均喷射速度；
uS为大孔径喷油器(1)对应的燃油的平均喷射速度；
nL为小孔径喷油器(2)对应柴油机转速；
uL为小孔径喷油器(2)对应的燃油的平均喷射速度；
r为相似比例。
7.根据权利要求1所述的实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法，其特征在于，大孔径喷油器(1)与小孔径喷油器(2)之间的喷射压力比例与喷射持续期比例满足以下公式：
式中：ΔPL为小孔径喷油器(2)喷射压力；
ΔPS为大孔径喷油器(1)喷射压力；
τ为喷射持续期；
τL为小孔径喷油器(2)喷射持续期；
τS为大孔径喷油器(1)喷射持续期。
8.根据权利要求1所述的实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法，其特征在于，大孔径喷油器(1)与小孔径喷油器(2)之间在柴油机中的喷油提前角相同，单次喷射的燃油质量mf成比例r3。
9.根据权利要求1所述的实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法，其特征在于，在小孔径喷油器(2)上进行喷雾的试验，再现大孔径喷油器(1)相应试验工况的喷雾燃烧特性，将喷雾燃烧特性映射回大孔径喷油器(1)。
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