CN114004179B - 一种船用柴油机基于现象学过程的放热率快速预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供船用柴油机基于现象学过程的放热率快速预测方法，本发明基于现象学建模机理，考虑从喷油时刻开始，喷雾的贯穿、空气卷吸、蒸发以及燃烧，以尽可能简单的公式还原柴油机的真实燃烧过程，实现对放热率的快速预测。根据对喷油条件与柴油机几何参数的调整，该模型预测方法不局限于特定型号柴油机与特定运行工况。除放热率外，该方法还可以对滞燃期、缸压以及空气卷吸率等其他燃烧特征参数进行预测。

Description

一种船用柴油机基于现象学过程的放热率快速预测方法

技术领域

本发明涉及柴油机燃烧性能分析领域，具体涉及一种船用柴油机基于现象学过程的放热率快速预测方法。

背景技术

船用柴油机是世界上各类大型远洋船舶的主要动力装置之一，其性能的高低对航运业的效益有着重大影响。柴油机的放热率是表征燃烧与工作性能的核心参数之一，寻找能够快速预测放热率的方法，对于船用柴油机提高瞬态性能预测能力与运行可靠性有着重要作用。

目前运用较多的柴油机放热率预测方法主要包括零维模型预测与CFD模型预测。其中，零维模型搭建简单，预测速度与响应快，但是由于燃烧部分多采用韦伯或者双韦伯等半经验公式进行替代，因此无法反应柴油机内部物理化学过程，所预测的放热率缺少真实性。CFD模型结构详尽，与真实柴油机工作过程最为接近，但是由于计算时考虑的因素过多，计算负荷大，运行效率低，难以对放热率实现快速的预测。

发明内容

本发明的目的是为了实现基于真实的喷雾发展与燃烧机理，对放热率进行快速计算，预测工况性能，为船用柴油机瞬态性能预测提供更好的数值分析方法的一种船用柴油机基于现象学过程的放热率快速预测方法。

一种船用柴油机基于现象学过程的放热率快速预测方法，包括以下步骤：

步骤1:根据柴油机几何参数与工况参数确定边界条件与初始条件，将整个柴油机工作过程从压缩开始到燃烧结束划分为许多小的计算步长，并采用能量守恒方程式计算从压缩到喷油开始每个曲轴转角步长的缸内温度变化

式中为一个步长内的缸内传热量，/>为工质所作体积功，m为工质质量，c_v1为工质比热容。

依照上式，根据初始条件的温度T₁求解出第一个步长终点的温度T₂，将T₂作为下一步长的初始温度迭代计算，得到压缩至喷油开始时刻各步长的温度。已知各步长温度，由理想气体状态方程pV＝RT可以得到相应各步长的压力p。

步骤2:喷油开始后，采用下式计算各个时间步长内的喷雾贯穿距S、空气卷吸率m_a：

式中，Δp_inj为喷油压力与缸内压力之差，ρ_g为缸内工质密度，t为从喷油开始到该计算步长为止的时间，d_noz为喷孔直径，T为缸内温度，m_f为喷油质量流量。

步骤3:计算步骤2中喷雾的发展带来的缸内湍动能k的变化：

式中M代表喷雾区的总质量，u_j为喷孔出口速度，∈为湍能耗散率，采用如下公式计算：

式中，L_j为缸内湍能尺度，用下式计算：

式中，ρ_f为燃油密度。

步骤4:计算每一步长内喷雾的蒸发率，只有蒸发的喷雾才能参与最终燃烧：

式中，r_a为单位质量燃油的吸热速率，p为缸内压力，r_v为燃油蒸发速率，m_liq为当前步长内液态燃油的质量，E为单位质量燃油蒸发所需的热量。

步骤5:采用如下公式计算滞燃期τ_i：

式中，S_p为当前工况的活塞平均速度，R为气体常数，E_a为燃油的活化能，可通过下式计算：

E_a＝618840/(CN+25)

式中，CN为燃油的辛烷值。

步骤6:计算步骤4中蒸发燃油的燃烧速率，计算过程如下采用层流-湍流特征时间模型：

式中，x代表燃油的质量分数，τ_c是燃烧的特征时间。特征时间τ_c由层流特征时间τ_l与湍流特征时间τ_t以及延迟系数f组成：

τ_c＝τ_l+fτ_t

式中层流特征时间τ_l采用下式计算：

其中A为标定系数，[Fuel]为燃油摩尔浓度分数，[O₂]为氧气摩尔浓度分数。

湍流特征时间τ_t则是根据步骤3中所计算的湍动能k与湍能耗散率∈计算：

τ_t＝0.1k/∈

延迟系数f的计算公式为：

式中，r是所有燃烧产物的质量与所有反应物质量的比值，表示为：

步骤7:根据步骤6中所计算的燃烧速率，可计算出缸内整体的放热率dQ/dt：

式中，LHV是燃料的低热值，N_noz是柴油机喷油器上喷孔的数目。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于现象学建模机理，考虑从喷油时刻开始，喷雾的贯穿、空气卷吸、蒸发以及燃烧，以尽可能简单的公式还原柴油机的真实燃烧过程，实现对放热率的快速预测。根据对喷油条件与柴油机几何参数的调整，该模型预测方法不局限于特定型号柴油机与特定运行工况。除放热率外，该方法还可以对滞燃期、缸压以及空气卷吸率等其他燃烧特征参数进行预测。

附图说明

图1是本发明预测方法流程图；

图2是本发明针对某型号柴油机缸压与放热率计算结果与实验结果对比图；

图3是本发明某型号柴油机参数。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

针对现有的柴油机放热率预测方法难以反应真实过程、计算速度过慢、瞬态预测性能差等问题，本发明以现象学建模理论为基础，考虑从喷油时刻开始，喷雾的贯穿、空气卷吸、蒸发以及燃烧的过程，提出了基于现象学过程的放热率快速预测方法。该方法计算速度快，精度高，适用范围广，便于对船用柴油机瞬态工作性能的预测与评估。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

步骤1：根据柴油机几何参数与工况参数确定边界条件与初始条件，将整个柴油机工作过程从压缩开始到燃烧结束划分为许多小的计算步长，并采用如下能量守恒方程式计算从压缩到喷油开始每个曲轴转角步长的缸内温度变化

式中为一个步长内的缸内传热量，/>为工质所作体积功，m为工质质量，c_v1为工质比热容。依照上式，根据初始条件的温度T₁求解出第一个步长终点的温度T₂，将T₂作为下一步长的初始温度迭代计算，得到压缩至喷油开始时刻各步长的温度。已知各步长温度，由理想气体状态方程pV＝RT可以得到相应各步长的压力p。

步骤2：喷油开始后，采用下式计算各个时间步长内的喷雾贯穿距S、空气卷吸率m_a：

上式中，Δp_inj为喷油压力与缸内压力之差，ρ_g为缸内工质密度，t为从喷油开始到该计算步长为止的时间，d_noz为喷孔直径，T为缸内温度，m_f为喷油质量流量。

步骤3：计算步骤2中喷雾的发展带来的缸内湍动能k的变化：

式中M代表喷雾区的总质量，u_j为喷孔出口速度，∈为湍能耗散率，采用如下公式计算：

式中，L_j为缸内湍能尺度，用下式计算：

式中，ρ_f为燃油密度。

步骤4：计算每一步长内喷雾的蒸发率，只有蒸发的喷雾才能参与最终燃烧：

式中，r_a为单位质量燃油的吸热速率，p为缸内压力，r_v为燃油蒸发速率，m_liq为当前步长内液态燃油的质量，E为单位质量燃油蒸发所需的热量。

步骤5：采用如下公式计算滞燃期τ_i：

式中，S_p为当前工况的活塞平均速度，R为气体常数，E_a为燃油的活化能，可通过下式计算：

E_a＝618840/(CN+25)

式中，CN为燃油的辛烷值。当缸内曲轴转角超过滞燃期公式计算值时，步骤4中蒸发的燃油开始燃烧。

步骤6：计算步骤4中蒸发燃油的燃烧速率，计算过程如下采用层流-湍流特征时间模型：

式中，x代表燃油的质量分数，τ_c是燃烧的特征时间。特征时间τ_c由层流特征时间τ_l与湍流特征时间τ_t以及延迟系数f组成：

τ_c＝τ_l+f_τt

式中层流特征时间τ_l采用下式计算：

其中A为标定系数，[Fuel]为燃油摩尔浓度分数，[O₂]为氧气摩尔浓度分数。

湍流特征时间τ_t则是根据步骤3中所计算的湍动能k与湍能耗散率∈计算：

τ_t＝0.1k/∈

延迟系数f的计算公式为：

式中，r是所有燃烧产物的质量与所有反应物质量的比值，表示为：

步骤7，根据步骤6中所计算的燃烧速率，可计算出缸内整体的放热率dQ/dt：

式中，LHV是燃料的低热值，N_noz是柴油机喷油器上喷孔的数目。

以上仅为对本发明的优选具体实施方式进行的描述，并不限定本发明的构思和范围。在不脱离本发明的创新构思和权利要求所保护范围的前提下，本领域的技术人员基于本发明的技术方案做出的任何修改、变型和改进等，均应落入到本发明的保护范围。本发明请求保护的技术内容,已经全部记载在权利要求书中。

Claims (1)

1.一种船用柴油机基于现象学过程的放热率快速预测方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：根据柴油机几何参数与工况参数确定边界条件与初始条件，将整个柴油机工作过程从压缩开始到燃烧结束划分为许多小的计算步长，并采用能量守恒方程式计算从压缩到喷油开始每个曲轴转角步长的缸内温度变化

式中为一个步长内的缸内传热量，/>为工质所作体积功，m为工质质量，c_v1为工质比热容，

依照上式，根据初始条件的温度T₁求解出第一个步长终点的温度T₂，将T₂作为下一步长的初始温度迭代计算，得到压缩至喷油开始时刻各步长的温度，已知各步长温度，由理想气体状态方程pV＝RT可以得到相应各步长的压力p，

步骤2：喷油开始后，采用下式计算各个时间步长内的喷雾贯穿距S、空气卷吸率m_a：

式中，Δp_inj为喷油压力与缸内压力之差，ρ_g为缸内工质密度，t为从喷油开始到该计算步长为止的时间，d_noz为喷孔直径，T为缸内温度，m_f为喷油质量流量，

步骤3：计算步骤2中喷雾的发展带来的缸内湍动能k的变化：

式中M代表喷雾区的总质量，u_j为喷孔出口速度，∈为湍能耗散率，采用如下公式计算：

式中，L_j为缸内湍能尺度，用下式计算：

式中，ρ_f为燃油密度，

步骤4：计算每一步长内喷雾的蒸发率，只有蒸发的喷雾才能参与最终燃烧：

式中，r_a为单位质量燃油的吸热速率，p为缸内压力，r_v为燃油蒸发速率，m_liq为当前步长内液态燃油的质量，E为单位质量燃油蒸发所需的热量，

步骤5：采用如下公式计算滞燃期τ_i：

式中，S_p为当前工况的活塞平均速度，R为气体常数，E_a为燃油的活化能，可通过下式计算：

E_a＝618840/(CN+25)

式中，CN为燃油的辛烷值，

步骤6：计算步骤4中蒸发燃油的燃烧速率，计算过程如下采用层流-湍流特征时间模型：

式中，x代表燃油的质量分数，τ_c是燃烧的特征时间，特征时间τ_c由层流特征时间τ_l与湍流特征时间τ_t以及延迟系数f组成：

τ_c＝τ_l+fτ_t

式中层流特征时间τ_l采用下式计算：

其中A为标定系数，[Fuel]为燃油摩尔浓度分数，[O₂]为氧气摩尔浓度分数，

湍流特征时间τ_t则是根据步骤3中所计算的湍动能k与湍能耗散率∈计算：

τ_t＝0.1k/∈

延迟系数f的计算公式为：

式中，r是所有燃烧产物的质量与所有反应物质量的比值，表示为：

步骤7：根据步骤6中所计算的燃烧速率，可计算出缸内整体的放热率dQ/dt：

式中，LHV是燃料的低热值，N_noz是柴油机喷油器上喷孔的数目。