CN111879520B - 柴油机相似比例模型实验设计目标的映射装置及方法 - Google Patents

柴油机相似比例模型实验设计目标的映射装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种柴油机相似比例模型实验设计目标的映射装置及方法，包括：原型机(1)、模型机(2)、原型机缸压传感器(301)、模型机缸压传感器(302)、原型机进气温度传感器(601)、模型机进气温度传感器(602)、原型机排气温度传感器(701)以及模型机排气温度传感器(702)；所述原型机(1)装配原型机缸压传感器(301)、原型机进气温度传感器(601)以及原型机排气温度传感器(701)；所述模型机(2)装配模型机缸压传感器(302)、模型机进气温度传感器(602)以及模型机排气温度传感器(702)。本发明为柴油机相似比例模型实验的实际应用提供支撑，极大节约柴油机研发时间、成本和能源。

Description

柴油机相似比例模型实验设计目标的映射装置及方法
技术领域
本发明涉及柴油机及比例模型实验研究领域，具体地，涉及一种柴油机相似比例模型实验设计目标的映射装置及方法。
背景技术
采用相似比例模型实验进行新一代柴油机研发可以极大地节约时间、成本及能源。已知有一种实现柴油机燃烧相似性的喷雾形成方法，指明实现柴油机喷雾相似性需要满足的单值性条件，如专利文献CN108286484A所记载。已知有一种基于柴油机燃烧相似性理论的模型机的设计方法，指明实现柴油机燃烧相似性需要满足的单值性条件，如专利文献CN108268713A所记载。柴油机相似比例模型实验的预测精度随相似比例的增大而减小，掌握爆压、热效率、有害排放等设计目标与相似比例的函数关系对相似比例模型实验的实际应用至关重要。然而，迄今为止，人们关于相似比例对设计目标的影响的理解仍十分肤浅，现有专利及文献尚未构筑设计目标与相似比例的函数关系，无法为柴油机相似比例模型实验的实际应用提供支撑。
专利文献CN108286484A公开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。该专利在结构和性能上仍然有待提高的空间。
专利文献CN108268713A公开了一种基于柴油机燃烧相似性理论的缩放比例模型机的设计方法，包含以下步骤：建造与原型机对应的模型机，所述模型机与原型机之间存在以下任一种或任多种关系：几何相似；边界条件相似；介质条件相同；无量纲形式的活塞速度在对应的曲轴转角下保持相等；喷油规律相同；涡流比相同；滞燃期相同；传热损失造成的影响相同。本发明还提供了一种根据上述基于柴油机燃烧相似性理论的缩放比例模型机的设计方法制成的缩放比例模型柴油机。本发明能够利用缩小比例的模型机，再现目标原型机的喷雾燃烧与排放特性并映射回原型机，从而降低大型柴油机零部件开发过程和整机优化过程的成本，同时对不同缸径柴油机产品研发的集约化有指导意义。该专利在结构和性能上仍然有待提高的空间。
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柴油机相似比例模型实验设计目标的映射装置及方法。
根据本发明提供的一种柴油机相似比例模型实验设计目标的映射装置，包括：原型机1、模型机2、原型机缸压传感器301、模型机缸压传感器302、原型机进气温度传感器601、模型机进气温度传感器602、原型机排气温度传感器701以及模型机排气温度传感器702；
所述原型机1装配原型机缸压传感器301、原型机进气温度传感器601以及原型机排气温度传感器701；
所述模型机2装配模型机缸压传感器302、模型机进气温度传感器602以及模型机排气温度传感器702；
优选地，柴油机相似比例模型实验设计目标的映射装置还包括：进气单元、、原型机进气道1101以及模型机进气道1102；所述进气单元包括：温控系统9、空气压缩机8；所述进气单元与原型机进气道1101和模型机进气道1102分别相连。
优选地，还包括：排放采集单元、原型机排气道1201以及模型机排气道1202；所述排放采集单元包括：烟度计4、排放分析仪5；所述烟度计4与排放分析仪5相连；所述排放采集单元与原型机排气道1201和模型机排气道1202分别相连。
优选地，还包括：测功机10；所述测功机10可与原型机1和模型机2分别相连。
优选地，模型机2和原型机1的几何形状完全相似。
优选地，所述模型机2和原型机1的发动机转速和燃油喷射速度满足以下方程：
Figure BDA0002577696900000021
其中，下标m表示模型机物理量，下标p表示原型机物理量；r为相似比例，等于模型机2的气缸直径除以原型机1的气缸直径；n为发动机转速；u0为燃油喷射速度。
根据本发明提供的一种柴油机相似比例模型实验设计目标的映射方法，采用所述的柴油机相似比例模型实验设计目标的映射装置，包括：
步骤S1：根据相似法则基于模型机2进行目标原型机1研发；步骤S2：采用指数函数映射喷雾贯穿距、喷雾锥角、过量空气系数、缸内传热损失、最高爆发压力、指示热效率、有效热效率及排放设计目标与相似比例的关系。
优选地，通过以下方程映射原型机1的喷孔直径正规化喷雾贯穿距、喷雾锥角、过量空气系数：
Figure BDA0002577696900000031
式中，(Stip/dn)p为原型机1的喷孔直径正规化喷雾贯穿距；θp为原型机1的喷雾锥角；λp为原型机1的过量空气系数；(Stip/dn)m为模型机2的喷孔直径正规化喷雾贯穿距；θm为模型机2的喷雾锥角；λm为模型机2的过量空气系数；a、b和c为模型常数。
优选地，通过以下方程映射原型机1的燃油喷射质量正规化缸内传热损失：
(Qloss/mf)p＝(Qloss/mf)m·rd；
式中，(Qloss/mf)p为原型机1的燃油喷射质量正规化缸内传热损失；(Qloss/mf)m为模型机2的燃油喷射质量正规化缸内传热损失；d为模型常数；模型机2的缸内传热损失通过以下方程计算：
Qloss,m＝Qf,m-Wi,m-Qunb,m-Qex,m-Wp,m；
式中，Qloss,m为模型机2的每循环缸内传热损失；Qf,m为模型机2的每循环喷射燃油的能量；Wi,m为模型机2的每循环指示功；Qunb,m为模型机2的每循环未燃碳氢的能量；Qex,m为模型机2的进排气焓差；Wp,m为模型机2的每循环泵气功；
优选地，通过以下方程映射原型机1的最高爆发压力：
Pz,p＝Pz,m·re；
式中，Pz,p为原型机1的最高爆发压力；Pz,m为模型机2的最高爆发压力，由缸压传感器3测得；e为模型常数。
通过以下方程映射原型机1的指示热效率和有效热效率：
Figure BDA0002577696900000032
式中，ηi,p为原型机1的指示热效率；ηe,p为原型机1的有效热效率；ηi,m为模型机2的指示热效率；ηe,m为模型机2的有效热效率；f和g为模型常数。
通过以下方程映射原型机1的每循环燃油喷射质量正规化NOx、碳烟和未燃碳氢排放：
Figure BDA0002577696900000041
式中，(mNOx/mf)p为原型机1的每循环燃油喷射质量正规化NOx排放；(msoot/mf)p为原型机1的每循环燃油喷射质量正规化碳烟排放；(mTHC/mf)p为原型机1的每循环燃油喷射质量正规化未燃碳氢排放；(mNOx/mf)m为模型机2的每循环燃油喷射质量正规化NOx排放；(msoot/mf)m为模型机2的每循环燃油喷射质量正规化碳烟排放；(mTHC/mf)m为模型机2的每循环燃油喷射质量正规化未燃碳氢排放；h、i和j为模型常数；碳烟排放由烟度计4测得，NOx排放和未燃碳氢排放由排放分析仪5测得。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供一种柴油机相似比例模型实验设计目标的映射方法，根据相似法则基于模型机(2)进行目标原型机1研发，采用指数函数映射喷雾贯穿距、喷雾锥角、过量空气系数、缸内传热损失、最高爆发压力、指示热效率、有效热效率及排放等设计目标与相似比例的关系；
2、本发明提供的柴油机相似比例模型实验设计目标的映射方法为柴油机相似比例模型实验的实际应用提供重要支撑，极大节约新一代柴油机研发的时间、成本和能源，促进柴油机产品研发集约化；
3、本发明结构合理，使用方便，克服了现有技术的缺陷。
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为本发明的整体结构示意图。
图中：
1-原型机；原型机进气道1101；模型机进气道1102；原型机排气道1201；模型机排气道1202；2-模型机；3-第一缸压传感器；3-第二缸压传感器；4-烟度计；5-排放分析仪；601-第一进气温度传感器；602-第二进气温度传感器；701-第一排气温度传感器；702-第二排气温度传感器；8-空气压缩机；9-温控系统；10-测功机。
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种柴油机相似比例模型实验设计目标的映射装置，包括：原型机1、模型机2、原型机缸压传感器301、模型机缸压传感器302、原型机进气温度传感器601、模型机进气温度传感器602、原型机排气温度传感器701以及模型机排气温度传感器702；
所述原型机1装配原型机缸压传感器301、原型机进气温度传感器601以及原型机排气温度传感器701；
所述模型机2装配模型机缸压传感器302、模型机进气温度传感器602以及模型机排气温度传感器702；
优选地，柴油机相似比例模型实验设计目标的映射装置还包括：进气单元、原型机进气道1101以及模型机进气道1102；所述进气单元包括：温控系统9、空气压缩机8；所述进气单元与原型机进气道1101和模型机进气道1102分别相连。
优选地，还包括：排放采集单元、原型机排气道1201以及模型机排气道1202；所述排放采集单元包括：烟度计4、排放分析仪5；所述烟度计4与排放分析仪5相连；所述排放采集单元与原型机排气道1201和模型机排气道1202分别相连。
优选地，还包括：测功机10；所述测功机10可与原型机1和模型机2分别相连。
优选地，模型机2和原型机1的几何形状完全相似。
优选地，所述模型机2和原型机1的发动机转速和燃油喷射速度满足以下方程：
Figure BDA0002577696900000051
其中，下标m表示模型机物理量，下标p表示原型机物理量；r为相似比例，等于模型机2的气缸直径除以原型机1的气缸直径；n为发动机转速；u0为燃油喷射速度。
根据本发明提供的一种柴油机相似比例模型实验设计目标的映射方法，采用所述的柴油机相似比例模型实验设计目标的映射装置，包括：
步骤S1：根据相似法则基于模型机2进行目标原型机1研发；步骤S2：采用指数函数映射喷雾贯穿距、喷雾锥角、过量空气系数、缸内传热损失、最高爆发压力、指示热效率、有效热效率及排放设计目标与相似比例的关系。
优选地，通过以下方程映射原型机1的喷孔直径正规化喷雾贯穿距、喷雾锥角、过量空气系数：
Figure BDA0002577696900000061
式中，(Stip/dn)p为原型机1的喷孔直径正规化喷雾贯穿距；θp为原型机1的喷雾锥角；λp为原型机1的过量空气系数；(Stip/dn)m为模型机2的喷孔直径正规化喷雾贯穿距；θm为模型机2的喷雾锥角；λm为模型机2的过量空气系数；a、b和c为模型常数。
优选地，通过以下方程映射原型机1的燃油喷射质量正规化缸内传热损失：
(Qloss/mf)p＝(Qloss/mf)m·rd；
式中，(Qloss/mf)p为原型机1的燃油喷射质量正规化缸内传热损失；(Qloss/mf)m为模型机2的燃油喷射质量正规化缸内传热损失；d为模型常数；模型机2的缸内传热损失通过以下方程计算：
Qloss,m＝Qf,m-Wi,m-Qunb,m-Qex,m-Wp,m；
式中，Qloss,m为模型机2的每循环缸内传热损失；Qf,m为模型机2的每循环喷射燃油的能量；Wi,m为模型机2的每循环指示功；Qunb,m为模型机2的每循环未燃碳氢的能量；Qex,m为模型机2的进排气焓差；Wp,m为模型机2的每循环泵气功；
优选地，通过以下方程映射原型机1的最高爆发压力：
Pz,p＝Pz,m·re；
式中，Pz,p为原型机1的最高爆发压力；Pz,m为模型机2的最高爆发压力，由缸压传感器3测得；e为模型常数。
通过以下方程映射原型机1的指示热效率和有效热效率：
Figure BDA0002577696900000062
式中，ηi,p为原型机1的指示热效率；ηe,p为原型机1的有效热效率；ηi,m为模型机2的指示热效率；ηe,m为模型机2的有效热效率；f和g为模型常数。
通过以下方程映射原型机1的每循环燃油喷射质量正规化NOx、碳烟和未燃碳氢排放：
Figure BDA0002577696900000071
式中，(mNOx/mf)p为原型机1的每循环燃油喷射质量正规化NOx排放；(msoot/mf)p为原型机1的每循环燃油喷射质量正规化碳烟排放；(mTHC/mf)p为原型机1的每循环燃油喷射质量正规化未燃碳氢排放；(mNOx/mf)m为模型机2的每循环燃油喷射质量正规化NOx排放；(msoot/mf)m为模型机2的每循环燃油喷射质量正规化碳烟排放；(mTHC/mf)m为模型机2的每循环燃油喷射质量正规化未燃碳氢排放；h、i和j为模型常数；碳烟排放由烟度计4测得，NOx排放和未燃碳氢排放由排放分析仪5测得。
本发明提供一种柴油机相似比例模型实验设计目标的映射方法，根据相似法则基于模型机(2)进行目标原型机1研发，采用指数函数映射喷雾贯穿距、喷雾锥角、过量空气系数、缸内传热损失、最高爆发压力、指示热效率、有效热效率及排放等设计目标与相似比例的关系；本发明提供的柴油机相似比例模型实验设计目标的映射方法为柴油机相似比例模型实验的实际应用提供重要支撑，极大节约新一代柴油机研发的时间、成本和能源，促进柴油机产品研发集约化。本发明结构合理，使用方便，克服了现有技术的缺陷。
在本申请的描述中，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申请和简化描述，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申请的限制。
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化或修改，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 (5)

1.一种柴油机相似比例模型实验设计目标的映射装置，其特征在于，包括：原型机(1)、模型机(2)、原型机缸压传感器(301)、模型机缸压传感器(302)、原型机进气温度传感器(601)、模型机进气温度传感器(602)、原型机排气温度传感器(701)以及模型机排气温度传感器(702)；
所述原型机(1)装配原型机缸压传感器(301)、原型机进气温度传感器(601)以及原型机排气温度传感器(701)；
所述模型机(2)装配模型机缸压传感器(302)、模型机进气温度传感器(602)以及模型机排气温度传感器(702)；
还包括：进气单元、原型机进气道(1101)以及模型机进气道(1102)；
所述进气单元包括：温控系统(9)、空气压缩机(8)；
所述进气单元与原型机进气道(1101)和模型机进气道(1102)分别相连；
还包括：排放采集单元、原型机排气道(1201)以及模型机排气道(1202)；
所述排放采集单元包括：烟度计(4)、排放分析仪(5)；
所述烟度计(4)与排放分析仪(5)相连；
所述排放采集单元与原型机排气道(1201)和模型机排气道(1202)分别相连；
还包括：测功机(10)；
所述测功机(10)与原型机(1)和模型机(2)分别相连；
模型机(2)和原型机(1)的几何形状完全相似；
所述模型机(2)和原型机(1)的发动机转速和燃油喷射速度满足以下方程：
Figure FDA0003530677920000011
其中，下标m表示模型机物理量，下标p表示原型机物理量；r为相似比例，等于模型机(2)的气缸直径除以原型机(1)的气缸直径；n为发动机转速；u0为燃油喷射速度。
2.一种柴油机相似比例模型实验设计目标的映射方法，其特征在于，采用权利要求1柴油机相似比例模型实验设计目标的映射装置，包括：
步骤S1：根据相似法则基于模型机(2)进行目标原型机(1)研发；
步骤S2：采用指数函数映射喷雾贯穿距、喷雾锥角、过量空气系数、缸内传热损失、最高爆发压力、指示热效率、有效热效率及排放设计目标与相似比例的关系。
3.根据权利要求2所述的一种柴油机相似比例模型实验设计目标的映射方法，其特征在于，通过以下方程映射原型机(1)的喷孔直径正规化喷雾贯穿距、喷雾锥角、过量空气系数：
Figure FDA0003530677920000021
式中，(Stip/dn)p为原型机(1)的喷孔直径正规化喷雾贯穿距；θp为原型机(1)的喷雾锥角；λp为原型机(1)的过量空气系数；(Stip/dn)m为模型机(2)的喷孔直径正规化喷雾贯穿距；θm为模型机(2)的喷雾锥角；λm为模型机(2)的过量空气系数；a、b和c为模型常数。
4.根据权利要求2所述的一种柴油机相似比例模型实验设计目标的映射方法，其特征在于，通过以下方程映射原型机(1)的燃油喷射质量正规化缸内传热损失：
(Qloss/mf)p＝(Qloss/mf)m·rd；
式中，(Qloss/mf)p为原型机(1)的燃油喷射质量正规化缸内传热损失；(Qloss/mf)m为模型机(2)的燃油喷射质量正规化缸内传热损失；d为模型常数；模型机(2)的缸内传热损失通过以下方程计算：
Qloss,m＝Qf,m-Wi,m-Qunb,m-Qex,m-Wp,m；
式中，Qloss,m为模型机(2)的缸内传热损失；Qf,m为模型机(2)的每循环喷射燃油的能量；Wi,m为模型机(2)的每循环指示功；Qunb,m为模型机(2)的每循环未燃碳氢的能量；Qex,m为模型机(2)的进排气焓差；Wp,m为模型机(2)的每循环泵气功。
5.根据权利要求2所述的一种柴油机相似比例模型实验设计目标的映射方法，其特征在于，通过以下方程映射原型机(1)的最高爆发压力：
Pz,p＝Pz,m·re；
式中，Pz,p为原型机(1)的最高爆发压力；Pz,m为模型机(2)的最高爆发压力，由缸压传感器测得；e为模型常数；
通过以下方程映射原型机(1)的指示热效率和有效热效率：
Figure FDA0003530677920000022
式中，ηi,p为原型机(1)的指示热效率；ηe,p为原型机(1)的有效热效率；ηi,m为模型机(2)的指示热效率；ηe,m为模型机(2)的有效热效率；f和g为模型常数；
通过以下方程映射原型机(1)的每循环燃油喷射质量正规化NOx排放、碳烟排放和未燃碳氢排放：
Figure FDA0003530677920000031
式中，(mNOx/mf)p为原型机(1)的每循环燃油喷射质量正规化NOx排放；(msoot/mf)p为原型机(1)的每循环燃油喷射质量正规化碳烟排放；(mTHC/mf)p为原型机(1)的每循环燃油喷射质量正规化未燃碳氢排放；(mNOx/mf)m为模型机(2)的每循环燃油喷射质量正规化NOx排放；(msoot/mf)m为模型机(2)的每循环燃油喷射质量正规化碳烟排放；(mTHC/mf)m为模型机(2)的每循环燃油喷射质量正规化未燃碳氢排放；h、i和j为模型常数；
碳烟排放由烟度计(4)测得，NOx排放和未燃碳氢排放由排放分析仪(5)测得。
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