CN111553096B - 一种可变喷油率的柴油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可变喷油率的柴油喷雾贯穿距预测方法，适用于可变喷油率的柴油喷雾贯穿距预测，属于现象学建模方法。本方法主要包括：基于射流力学理论，建立有效喷射速度随喷射速度的变化解析式，将有效喷射速度替换喷射速度引入到适用于恒定喷油率计算的喷雾模型中，得到适用于可变喷油率的喷雾模型用于贯穿距的预测。本发明所建立的喷雾模型具有可靠的理论依据，所用建模方法具有较强的属性描述能力且模型简单、易于参数化研究、且能够实现对变喷油率的喷雾贯穿距预测。

Description

一种可变喷油率的柴油喷雾贯穿距预测方法
技术领域
本发明涉及的是一种柴油喷雾方法，具体地说是柴油喷雾预测方法。
背景技术
随着多次喷射、柴油微喷引燃天然气等燃烧策略的应用，柴油高压微量喷射技术逐渐成为本领域的研究热点。高压微喷技术是未来实现高效、低排放的重要技术手段，因此对高压微量喷射条件下的发动机缸内喷雾混合特性进行研究显得尤为重要。
柴油喷雾混合特性的精准快速预测对于理解和定量分析柴油机的燃烧过程至关重要。现象学喷雾模型具有研究成本低、研发时间短、与实验独立性高等优点。因而已被广泛应用于喷雾特性参数的精准预测及基于模型的系统参数化设计中。
由于高压微量喷射具有典型的三角形喷油率曲线，但目前现有的经典现象学喷雾模型，绝大多数只适用于恒定喷油率条件(矩形喷油率曲线)下的喷雾贯穿距预测。
发明内容
本发明的目的在于提供能进行喷雾贯穿距精准预测的一种可变喷油率的柴油喷雾贯穿距预测方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种可变喷油率的柴油喷雾贯穿距预测方法，其特征是：
(1)根据包括喷油量、喷油型线、喷射持续期tj在内的喷射条件，获取到该条件下喷嘴出口处的喷射速度Uinj(t)；
(2)根据外界环境条件获取该条件下的环境气体密度ρg；
(3)根据喷射速度Uinj(t)、喷射持续期tj、喷孔直径dnoz、喷孔横截面积Anoz、燃油密度ρl，获取质量平均喷射速度UAV：
Figure GDA0003626287450000021
(4)根据喷孔直径dnoz、燃油密度ρl及环境气体密度ρg，获取有效喷孔直径deq：
Figure GDA0003626287450000022
(5)根据有效喷孔直径deq、质量平均喷射速度UAV、斯托克斯数St获取喷雾射流响应时间常数τv：
Figure GDA0003626287450000023
(6)根据质量平均喷射速度UAV，喷雾射流响应时间常数τv获取有效喷射速度Ueff(t)：
Figure GDA0003626287450000024
(7)将有效喷射速度替代喷射速度引入适用于恒定喷油率条件下的贯穿距现象学模型，得到适用于可变喷油率的柴油喷雾现象学模型用于喷雾贯穿距Stip的精准预测：
Figure GDA0003626287450000025
Cd为喷嘴流量系数，β为描述速度分布曲线及燃油体积分数的无量纲因子，θ为喷雾锥角。
本发明的优势在于：本发明中将喷雾尖端的动量流和燃油质量流量之比定义有效喷射速度，将喷雾尖端的有效喷射速度Ueff(t)与喷孔出口处的喷射速度Uinj(t)相关联，并建立有效喷射速度随喷射速度的响应关系式，将有效喷射速度引入适用于恒定喷油率的喷雾模型中，提供一种基于有效喷射速度且适用于变喷油率的喷雾贯穿距现象学计算方法。这一建模方法能够进一步解析变喷油率条件下的喷雾传播过程，为缸内喷雾特性参数化研究提供一种新的研究方法和研究思路。
附图说明
图1为本发明的流程图
图2为试验和仿真操作条件示意图；
图3为喷射压力90MPa喷油量5.0mg的模型计算结果与试验结果及一维模型计算结果对比图；
图4为喷射压力130MPa喷油量5.0mg的模型计算结果与试验结果及一维模型计算结果对比图；
图5为喷射压力180MPa喷油量5.0mg的模型计算结果与试验结果及一维模型计算结果对比图；
图6为喷射压力90MPa喷油量7.5mg的模型计算结果与试验结果及一维模型计算结果对比图；
图7为喷射压力130MPa喷油量7.5mg的模型计算结果与试验结果及一维模型计算结果对比图；
图8为喷射压力180MPa喷油量7.5mg的模型计算结果与试验结果及一维模型计算结果对比图。
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1-8，目前已有的柴油现象学喷雾模型大多只适用于恒定喷油率条件下的计算，针对变喷油率条件下的喷雾特性参数预测问题，申请人提出了有效喷射速度的概念，并将有效喷射速度与喷射速度相关联，喷雾贯穿距与有效喷射速度相关联，推导了定量计算有效喷射速度和贯穿距的解析式，提出了一种新的适用于变喷油率贯穿距预测的现象学计算方法，建立新的喷雾模型应用于贯穿距预测。该方法涉及全部公式均为解析解、计算时间短，预测精度高，实用性强，便于对变喷油率条件下的喷雾过程进行参数化分析。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
步骤1、输入喷油质量和喷油规律，喷孔直径dnoz以及环境压力、环境温度及环境气体组成，根据流体运动的质量方程计算出喷孔处的燃油喷射速度Uinj(t)和环境空气密度ρg。
步骤2、根据喷射持续期tj，喷射流体密度ρl，喷孔横截面积Anoz及喷孔处的燃油喷射速度Uinj(t)计算质量平均喷射速度UAV，喷孔横截面积Anoz可由喷孔直径dnoz计算得到，对应的公式如方程(1)(2)所示。
Figure GDA0003626287450000041
Figure GDA0003626287450000042
步骤3、基于射流力学理论可知，喷雾尖端的有效喷射速度Ueff(t)随喷孔处的喷射速度Uinj(t)以指数函数关系响应，根据方程(3)计算喷雾尖端的有效喷射速度Ueff(t)。
Figure GDA0003626287450000043
步骤4、方程(3)中的动量响应时间τv可由斯托克斯数St及喷雾场中的流动时间尺度τF来计算，对应的公式如方程(4)所示。
Figure GDA0003626287450000044
步骤5、方程(4)中的流动时间尺度τF可由几何长度尺度与速度尺度计算得到，考虑到喷射过程中喷射流体和环境流体的密度差异，有效喷孔直径deq引入作为喷雾场中的几何长度尺度，质量平均喷射速度UAV作为喷雾场中的速度尺度。对应的公式如方程(5)(6)所示。
Figure GDA0003626287450000045
Figure GDA0003626287450000046
步骤6、将方程(3)的有效喷射速度计算解析式应用于恒定喷油率的喷雾模型中，去替换模型中的喷射速度Uinj(t)，建立得到适用于变喷油率的喷雾贯穿距Stip计算公式，具体如方程(7)所示。
Figure GDA0003626287450000051
其中，Cd为喷嘴流量系数，β为描述速度分布曲线及燃油体积分数的无量纲因子，在喷嘴处取值为1，在喷雾下游充分发展时，取值为2，θ为喷雾锥角。
本发明首次定义了有效喷射速度的物理概念，并依据射流力学理论推导了有效喷射速度随喷射速度变化响应的解析式，将其应用于恒定喷油率的喷雾模型中去替换模型中的喷射速度，提出了一种基于有效喷射速度的贯穿距计算方法用于变喷油率的喷雾贯穿距预测。本方法中涉及到的公式全部以解析解形式给出，建模机理清晰且计算速度快。喷雾尖端的有效喷射速度是以指数函数形式响应喷孔出口处的喷射速度变化。如图2-7，将本方法的计算结果与喷雾可视化试验数据相比，采用本方法实现了较好的贯穿距预测效果。

Claims (1)

1.一种可变喷油率的柴油喷雾贯穿距预测方法，其特征是：
(1)根据包括喷油量、喷油型线、喷射持续期tj在内的喷射条件，获取到该条件下喷嘴出口处的喷射速度Uinj(t)；
(2)根据外界环境条件获取该条件下的环境气体密度ρg；
(3)根据喷射速度Uinj(t)、喷射持续期tj、喷孔直径dnoz、喷孔横截面积Anoz、燃油密度ρl，获取质量平均喷射速度UAV：
Figure FDA0003626287440000011
(4)根据喷孔直径dnoz、燃油密度ρl及环境气体密度ρg，获取有效喷孔直径deq：
Figure FDA0003626287440000012
(5)根据有效喷孔直径deq、质量平均喷射速度UAV、斯托克斯数St获取喷雾射流响应时间常数τv：
Figure FDA0003626287440000013
(6)根据质量平均喷射速度UAV，喷雾射流响应时间常数τv获取有效喷射速度Ueff(t)：
Figure FDA0003626287440000014
(7)将有效喷射速度替代喷射速度引入适用于恒定喷油率条件下的贯穿距现象学模型，得到适用于可变喷油率的柴油喷雾现象学模型用于喷雾贯穿距Stip的精准预测：
Figure FDA0003626287440000015
Cd为喷嘴流量系数，β为描述速度分布曲线及燃油体积分数的无量纲因子，θ为喷雾锥角。
CN202010556843.5A 2020-02-14 2020-06-18 一种可变喷油率的柴油喷雾贯穿距预测方法 Active CN111553096B (zh)

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