CN103807018A - 气缸内气体温度履历的一种计算方法 - Google Patents

Abstract

在发动机燃烧室沿轴线的方向上，加热过程中，温度场分布呈现由两侧向内部逐渐升高的趋势，保温行程过程中，靠近两侧的温度下降较快，通过缸内燃烧温度场，并结合示功图曲线，对发动机缸内燃烧气体温度履历进行计算和研究，能够更清晰地测试和分析内燃机缸内着火、燃烧及火焰传播过程的有效方法，同时发现，燃油在高温缺氧情况下发生裂解可能形成较大碳粒，这些碳粒温度非常高，一旦附着在气缸壁、活塞顶和汽缸盖上，会影响相应零部件的使用寿命和发动机性能，应尽量避免。

Description

气缸内气体温度履历的一种计算方法

技术领域

本发明涉及气缸内气体温度履历的一种计算方法。

背景技术

稀燃、分层燃烧、缸内直喷以及可控自燃燃烧技术是目前汽油机发展的几个主要方向。其中分层燃烧是一个重要的发展方向，因为无论是稀燃还是缸内直喷，其根本目的都是要形成合理的分层结构，已达到优化燃烧的目的。已有的研究表明，分层燃烧有提高功率输出和燃油经济型的巨大潜力，这种优势的主要原因是由于在低负荷时，分层燃烧的泵气损失比较小。

燃烧是发动机运行中的最重要的环节，发动机技术的发展依赖于燃烧机理研究的进步，要组织稳定和高效的燃烧，需要对燃料的喷射、雾化、混合及燃烧等物理和化学过程有深入和正确的理解。应用燃烧诊断技术，发现和掌握规律，是燃烧过程研究的主要任务，也是深化燃烧机理研究的主要方法。燃烧诊断技术的落后造成各种发动机燃烧流场的物理图像至今不清楚，成为发动机燃烧机理研究进一步深入的羁绊。而燃烧机理研究的不足，直接影响到新发动机的开发和研制。

发动机燃烧数值模拟一般可以分为单区模型模拟、多区模型模拟和多维模型模拟。单区模型模拟最简单，但显然不适合本文所研究的情况。多维模型模拟是将计算流体动力学(CFD)与详细化学反应动力学耦合起来模拟发动机工作过程，计算精度高，但因为涉及大量网格单元内复杂的化学反应动力学计算，这种方法的计算成本最高，目前也只有少数研究者尝试。多区模型模拟则根据不同温度范围将整个燃烧室划分成若干区域分别计算，是一种能兼顾模型预测能力和计算成本的较好选择，所以目前国际上多区模型模拟在整个燃烧模拟中占有较大的比例，而且也非常适合本专利所研究的情况。

发明内容

本专利采用一个考虑质量交换和缸壁传热的模型对温度分层均质压燃发动机的燃烧过程进行全面的研究，并通过改变壁面温度来改变缸内温度分层对燃烧和排放的影响。得到在发动机各种工况下对气缸内气体温度的实时跟踪监测方法。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：

首先在发动机燃烧过程中，已燃区与未燃区的气体之间几乎不发生彼此混合，因此可假定内核心区质量恒定，各内核区间的相互作用仅通过膨胀作功来实现。 

在压缩和燃烧过程中，位于气缸内部的工质被压缩挤入温度较低的边界层区和缝隙区；在膨胀作功过程中，位于边界层区和缝隙区的工质又流入气缸的内部区间。为模拟这一过程，模型中假定缝隙区和边界层区以及边界层区和外核心区之间可以进行质量交换，但是缝隙区不能直接跨越边界层区与外核心区直接进行质量交换。同时假定一个区间流出的气体立即与所流入区间的已有气体完全均匀混合。

在计算过程中，对各区采用分离式求解方法，即每一个时间步长内的计算分为两部分。首先假设各个区间没有质量交换，通过热力学和化学动力学计算燃烧过程，得到缸内的平均压力和各区间的温度、组分；然后在此时间步长末，调用质量交换程序进行边界层区和缝隙区以及边界层区和外核心区的质量和能量的交换，交换完毕后返回第一部分进行下一时间步长的计算。这种方法与同时计算各区的化学反应及区间相互作用的耦合式求解方法相比。可以节省大量的计算时间，在时间步长较小时，二者的计算精度基本相同。

对于内核心区和外核心区，假定传热量为零；对于边界层区，传热量通过修改的Woschni传热模型计算得到；对于缝隙区，假定温度与气缸壁的温度保持一致，由于在计算中同时假定气缸壁的温度始终不变，因此该区的热量交换项需要调整到适当的值。

Woschni传热模型最初是由传统的柴油机和汽油机实验数据推导而来的，Fiveland和Chang

将该模型应用于HCCI发动机计算时发现，在压缩过程中计算得到的传热量过小，而在燃烧阶段计算得到的传热量过大。为此，Chang根据测量数据提出了一个适用于HCCI发动机的改进的Woschni传热模型。

多区模型计算过程中，内核心区由于没有质量交换，其体积通过计算得到。缝隙区的体积始终保持不变。边界层区为气缸壁、活塞顶和气缸顶部的区间，其体积通过指定边界层的厚度和时刻的缸壁面积计算得到。而外核心区的体积通过在时刻气缸总体积减去缝隙区、边界层区和内核心区的体积计算得到。然而，由于在上述计算过程中未考虑外核心区、边界层区和缝隙区之间的质量交换，因此这个区所计算出来的体积并不正确，需要按照所假定的体积重新调整。调整后的区之间必然存在着压差，此压差会驱动区与区之间的质量流动，以使各区间达到缸内的平均压力。区间质量交换计算时，首先根据气体状态方程计算缝隙区、边界层区和外核心区在体积调整后的压力。各区间计算出的压力新值与所计算出的缸内平均压力进行比较。当该区的压力大于缸内的平均压力时，气体将流出该区，否则气体将流入该区。伴随着质量交换，各区之间也存在热量和功的交换。

单区模型计算的缸内压办比实测示功图高很多，这主要是因为其没有考虑传热、温度分层和流动的影响，而基于模型计算的最大爆发压力低，与实测示功图基本吻合，该结果同时也说明温度分层可以减缓燃烧放热速率，从而控制缸内压力升高率。表2列出了主要排放物含量对比。可以看到，CO计算值比实验值略低一些，主要原因是多区模型没有考虑混合和缸内浓度

不均匀度的影响。CO：计算值也比实验值略低，这主要是因为CO：计算值是指排气门打开时刻缸内各区CO：的平均浓度，而实测的CO：排放值是在排气管中测量得到的，由于排气中的少量燃油在排气管中发生化学反应，使得实测的CO：排放值往往比计算值高一些。对于HC排放，计算值则比实验值高一些，由于HC预测十分困难，该模型在量级上已基本接近。

Claims (1)

1. 在发动机燃烧室温度变化过程中，同一截面的垂直方向上，温度由上至下逐渐降低，而水平方向上温度大致呈对称分布，

在几何中心的温度不能代表温度场温度，与场内各点温度以及平均温度存在较大差异，在燃烧装置中，温度测试点不应该布置在几何中心点，而应该找到一个更合理的测温点；如果取中心点温度，则在数据处理时应按照温度场分布规律对中心温度作修正，以确保燃烧过程中研究温度边界条件的准确性，

增加壁面温度时，由于缸内热损失相应减少，使得温度分层发动机的燃烧效率、指示热效率、指示燃油转换率和平均指示压力略有提高，同时提高了缸内平均温度，使得缸内的燃油燃烧更加充分，CO和HC排放量随之降低，而NO排放量增加，其中，增加壁面温度对降低HC排放的效果最为显著，

在温度分层均质压燃发动机中，外核心区、壁面边界层和缝隙是CO和HC的主要来源，其中，在外核心区产生CO和HC是由于壁面边界层和缝隙内的未燃混合气在膨胀过程中流入该区被部分氧化或没有被继续氧化，NOx主要来源于高温的内核心区，其中大部分为NO。