CN111274708B - 一种船用柴油机多次喷射喷雾贯穿距预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种船用柴油机多次喷射喷雾贯穿距预测方法，本发明基于动量定理，通过计算多次喷射喷油率，将喷孔处燃油喷射速度作为边界条件，进行一维离散控制体内喷雾参数的迭代求解。根据喷雾控制体卷吸率的轴向分布依次找出各子喷雾的尖端控制体，通过比较筛选出序号最大的尖端喷雾控制体，然后结合控制体轴向长度计算出整体喷雾贯穿距。本发明可实现任意喷射次数和复杂喷油率的多次喷射喷雾贯穿距预测，应用对象的喷射次数和喷油率变化不受限制；避免了卷吸波传播的计算以及喷雾贯穿距在各个喷油持续期和喷油间隔内受卷吸波作用下的分段计算，同时也规避了变喷油率条件下卷吸波传播和瞬态喷雾贯穿距变化的解析式未知的困扰。

Description

一种船用柴油机多次喷射喷雾贯穿距预测方法
技术领域
本发明涉及的是一种柴油机燃油喷射与喷雾方法，具体地说是柴油机燃油喷射与喷雾预测方法。
背景技术
随着排放法规日益严格，多次喷射技术在柴油机上应用广泛。该技术通过对喷油次数、喷油量和喷油间隔的灵活调节以及对喷油速率柔性控制，实现了燃烧过程中油气的合理组织分配，有效地降低了燃油消耗率，削弱了循环应力、振动和噪声，并在提高柴油机性能的同时显著减少了NOx和PM等污染物的排放。
喷雾贯穿距对柴油机影响很大，贯穿距不当不仅会恶化缸内油气混合、燃烧和排放，还会增加燃烧室热负荷。柴油机的多次喷射策略进一步加剧了喷雾发展的复杂性，使得掌握贯穿距的变化规律至关重要。而多次喷射喷雾贯穿距的实验研究往往需要先进的喷射设备和高精度的可视化测量装置，周期长、成本高，因此应用计算软件预测多次喷射喷雾贯穿距具有重要意义。
目前多次喷射喷雾贯穿距的仿真预测主要依靠CFD和现象学模型。CFD计算时间长，标定过程复杂，精度易受很多因素影响。而现有的现象学模型只适用于恒定喷油率条件(多矩形喷油率曲线)下的多次喷射喷雾贯穿距预测，主要基于分段计算思想，首先利用经典稳态喷雾模型，计算出第一段喷油持续期内喷雾贯穿距的解析解，然后采用经验公式得到第一个喷油间隔内卷吸波的传播规律及受卷吸波影响的瞬态喷雾贯穿距的解析式。在之后每个喷油脉冲内都需要结合稳态喷雾特性和卷吸波传播影响，推导出独立的贯穿距解析式。该方法计算过程复杂，目前只得到双方波脉冲下的喷雾贯穿距解析式，三次及以上喷射次数的多次喷射喷雾贯穿距的预测问题仍亟待解决。另外由于变喷油率条件(三角形或梯形喷油曲线)下的卷吸波传播规律还未知，目前的现象学模型在多次喷射领域的应用范围十分狭窄，无法满足高喷射次数、复杂喷油率的多次喷射喷雾贯穿距预测需要。
发明内容
本发明的目的在于提供能实现任意喷油率条件下多次喷射喷雾贯穿距的快速稳健预测的一种船用柴油机多次喷射喷雾贯穿距预测方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种船用柴油机多次喷射喷雾贯穿距预测方法，其特征是：
(1)从多次喷射喷油曲线上提取特征点；
(2)根据三角形相似定理，计算多次喷射喷油曲线上的两个相邻特征点(tk，
Figure BDA0002384012310000021
)和(tk+1，
Figure BDA0002384012310000022
)之间的t时刻的喷油率：
Figure BDA0002384012310000023
根据t时刻的喷油率
Figure BDA0002384012310000024
喷孔直径D、燃油密度ρ和喷孔流量系数
Figure BDA0002384012310000025
计算喷孔处燃油喷射速度u0：
Figure BDA0002384012310000026
(3)采用动量定理以喷孔处燃油喷射速度u0为边界条件，根据环境气体密度ρa(t)、控制体截面平均速度
Figure BDA0002384012310000027
控制体出口截面Ai以及截面平均燃油体积分数
Figure BDA0002384012310000028
计算各个喷雾控制体里卷吸率
Figure BDA0002384012310000029
Figure BDA00023840123100000210
(4)从第1个喷雾控制体开始，依次判断控制体的卷吸率是否等于0，如果i是第一个巻吸率为0的控制体，那么控制体i-1则为第1个子喷雾的尖端，i＝1,2，…,N，其中N为设置的离散控制体的个数；
(5)从控制体i+1开始，依次判断喷雾控制体的卷吸率是否大于0，如果控制体j的巻吸率大于0，那么再从控制体j+1开始，依次判断控制体的卷吸率是否等于0，其中j＝i+1，i+2，…,N，如果k是第一个巻吸率为0的控制体，那么控制体k-1则为第2个子喷雾的尖端，其中k＝j+1,j+2，…,N；
(6)重复第5步直到N个喷雾控制体判断完毕，得到喷射次数为x的多次喷射的x个子喷雾的尖端控制体y1，y2，…,yx；
(7)比较x个子喷雾的尖端控制体y1，y2，…,yx的序号大小，找到其中的最大值ymax＝{y1，y2，…,yx}max；
(8)根据尖端喷雾控制体的最大值ymax和喷雾控制体的轴向长度Δz，计算得到喷射次数为x的多次喷射喷雾贯穿距S：S＝ymax*Δz。
本发明还可以包括：
1、多次喷射喷油曲线上的特征点包括各段子喷射的始点、峰值点和终点。
本发明的优势在于：本发明基于动量定理，通过计算多次喷射喷油率，将喷孔处燃油喷射速度作为边界条件，进行一维离散控制体内喷雾参数的迭代求解，可实现任意喷射次数和复杂喷油率的多次喷射喷雾贯穿距预测，应用对象的喷射次数和喷油率变化不受限制。其次，本发明根据喷雾控制体卷吸率的轴向分布判定各子喷雾的尖端控制体，可以快速准确地定位各子喷雾的尖端，通过比较得到离喷孔出口最远的尖端控制体，继而结合控制体轴向长度计算出多次喷射喷雾贯穿距，避免了卷吸波传播的计算以及喷雾贯穿距在各个喷油持续期和喷油间隔内受卷吸波作用下的分段计算，大大简化了计算步骤，提高了计算效率，同时也规避了变喷油率条件下卷吸波传播和瞬态喷雾贯穿距变化的解析式未知的困扰，为更广泛范围内的多次喷射喷雾发展提供了更简单高效的数值预测手段。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为喷射压力为120MPa分段喷射的实际喷油曲线与简化结果对比；
图3为喷射压力为120MPa分段喷射的喷射参数；
图4为一维离散喷雾模型；
图5为多次喷射喷雾发展过程；
图6为喷射压力为120MPa分段喷射的喷雾贯穿距的仿真结果与实验数据对比。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-6，针对现有的多次喷射喷雾贯穿距预测方法过于复杂、不适用于高喷射次数和变喷油率条件下的喷雾贯穿距预测等问题，本发明基于动量定理，通过多次喷射喷油率计算和尖端喷雾控制体判定，提出了一种新的适用于任意喷油率条件的多次喷射喷雾贯穿距预测方法。该方法计算速度快，精度高，适用范围广，便于对多次喷射喷雾发展进行参数化数值分析。

Claims (2)

1.一种船用柴油机多次喷射喷雾贯穿距预测方法，其特征是：
(1)从多次喷射喷油曲线上提取特征点；
(2)根据三角形相似定理，计算多次喷射喷油曲线上的两个相邻特征点(tk，
Figure FDA0002384012300000011
)和(tk+1，
Figure FDA0002384012300000012
)之间的t时刻的喷油率：
Figure FDA0002384012300000013
根据t时刻的喷油率
Figure FDA0002384012300000014
喷孔直径D、燃油密度ρ和喷孔流量系数
Figure FDA0002384012300000015
计算喷孔处燃油喷射速度u0：
Figure FDA0002384012300000016
(3)采用动量定理以喷孔处燃油喷射速度u0为边界条件，根据环境气体密度ρa(t)、控制体截面平均速度
Figure FDA0002384012300000017
控制体出口截面Ai以及截面平均燃油体积分数
Figure FDA0002384012300000018
计算各个喷雾控制体里卷吸率
Figure FDA0002384012300000019
Figure FDA00023840123000000110
(4)从第1个喷雾控制体开始，依次判断控制体的卷吸率是否等于0，如果i是第一个巻吸率为0的控制体，那么控制体i-1则为第1个子喷雾的尖端，i＝1,2，…,N，其中N为设置的离散控制体的个数；
(5)从控制体i+1开始，依次判断喷雾控制体的卷吸率是否大于0，如果控制体j的巻吸率大于0，那么再从控制体j+1开始，依次判断控制体的卷吸率是否等于0，其中j＝i+1，i+2，…,N，如果k是第一个巻吸率为0的控制体，那么控制体k-1则为第2个子喷雾的尖端，其中k＝j+1,j+2，…,N；
(6)重复第5步直到N个喷雾控制体判断完毕，得到喷射次数为x的多次喷射的x个子喷雾的尖端控制体y1，y2，…,yx；
(7)比较x个子喷雾的尖端控制体y1，y2，…,yx的序号大小，找到其中的最大值ymax＝{y1，y2，…,yx}max；
(8)根据尖端喷雾控制体的最大值ymax和喷雾控制体的轴向长度Δz，计算得到喷射次数为x的多次喷射喷雾贯穿距S：S＝ymax*Δz。
2.根据权利要求1所述的一种船用柴油机多次喷射喷雾贯穿距预测方法，其特征是：多次喷射喷油曲线上的特征点包括各段子喷射的始点、峰值点和终点。
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