CN114962088B - 一种湍流-相变协同的超临界燃烧强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种湍流‑相变协同的超临界燃烧强化方法，该超临界燃烧强化方法包括：根据理想气体状态方程，由发动机等熵压缩过程关系得出进气压力、进气温度与燃烧室上止点缸内热力学状态之间的关系，并根据发动机的工况和强化程度，确定燃烧室上止点处的缸内热力学状态；根据燃料的临界属性，通过对比压力和对比温度确定对应热力学状态条件下超临界喷雾的超临界相变强度；根据超临界相变强度，调节缸内进气湍流强度和喷油压力，实现超临界喷雾与湍流的协同作用。上述超临界燃烧强化方法能够提高缸内全空间空气利用率、改善油气混合质量、有效改善高强化柴油机燃烧性能且实现柴油机的燃烧强化。

Description

一种湍流-相变协同的超临界燃烧强化方法
技术领域
本发明涉及柴油发动机燃烧技术领域，具体涉及一种湍流-相变协同的超临界燃烧强化方法。
背景技术
柴油机的喷雾雾化、液滴相变、油气混合过程直接影响其燃烧性能。因此，加速喷雾雾化，提高油气混合速度，降低可燃混合气浓度的不均匀性，都是改善柴油机燃烧性能的有效手段。
现代柴油机持续向高强化方向发展，即高工质密度、高喷油压力，从而达到高功率密度的目的。工质密度持续升高，直接对热功转换产生影响。具体而言，随着工质密度提高，喷雾大幅回缩，喷雾对缸内空气的利用率下降，此外高温高压条件下，燃料可能会发生超临界相变，而发生超临界相变的液滴转化为稠密的超临界态，其贯穿能力大幅削弱，进一步阻碍了油气混合，两者共同作用导致预混燃烧阶段几乎消失，且燃烧持续期增长，最终导致燃烧恶化。
综上所述，高强化柴油机存在燃烧室全空间空气利用不足，油气混合恶化，后燃加剧的问题，制约了重型柴油机进一步强化。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种湍流-相变协同的超临界燃烧强化方法，采用该超临界燃烧强化方法能够提高缸内全空间空气利用率、改善油气混合质量、有效改善高强化柴油机燃烧性能且实现柴油机的燃烧强化。
本发明采用以下具体技术方案：
一种湍流-相变协同的超临界燃烧强化方法，该超临界燃烧强化方法包括：
根据理想气体状态方程，由发动机等熵压缩过程关系得出进气压力、进气温度与燃烧室上止点缸内热力学状态之间的关系，并根据发动机的工况和强化程度，确定燃烧室上止点处的缸内热力学状态；
根据燃料的临界属性，通过对比压力和对比温度确定对应热力学状态条件下超临界喷雾的超临界相变强度；
根据超临界相变强度，调节缸内进气湍流强度和喷油压力，实现超临界喷雾与湍流的协同作用。
更进一步地，通过对比压力和对比温度确定对应热力学状态条件下超临界喷雾的超临界相变强度，具体包括：
在对比压力和对比温度都大于1的前提下，当超临界相变强度判据值A大于等于3.2且小于3.6时，喷雾发生弱超临界相变；当超临界相变强度判据值A大于等于3.6时，喷雾发生强超临界相变；
超临界相变强度判据值A的计算公式为：
A＝Tr×Pr0.5；
其中，Tr为对比温度，Pr为对比压力。
更进一步地，根据超临界相变强度调节缸内进气湍流强度和喷油压力时，缸内进气湍流强度和喷油压力均与超临界相变强度成正比例关系。
更进一步地，对比温度Tr的计算公式为：
Tr＝Ta/Tc；
上式中，Ta为缸内上止点处的温度，Tc为燃料的临界温度；
对比压力Pr的计算公式为：
Pr＝Pa/Pc；
上式中，Pa为缸内上止点处的压力，Pc燃料的临界压力。
更进一步地，通过进气湍流调节装置调节缸内进气湍流强度。
有益效果：
(1)本发明的湍流-相变协同的超临界燃烧强化方法，首先根据发动机的工况和强化程度，确定燃烧室上止点处的缸内热力学状态；其次，根据燃料的临界属性，通过对比压力和对比温度确定对应热力学状态条件下超临界喷雾的超临界相变强度；最后，根据超临界相变强度调节缸内进气湍流强度和喷油压力，实现超临界喷雾与湍流的协同作用；通过上述步骤，得到燃烧室上止点处的缸内热力学状态以及超临界喷雾的超临界相变强度，再根据超临界相变强度调节缸内进气湍流强度和喷油压力，利用缸内进气湍流强度与超临界相变强度协同作用，组织进气湍流，充分发挥超临界态燃油的湍流主导扩散混合机制，促进超临界喷雾的燃烧室全空间空气利用率提升，使高强化柴油机的油气混合及燃烧速度加快，有效改善高强化柴油机的燃烧性能，从而实现柴油机的进一步强化。
(2)在根据超临界相变强度调节喷油压力和缸内进气湍流强度时，缸内进气湍流强度和喷油压力均与超临界相变强度成正比例关系，即，缸内进气湍流强度和喷油压力均随超临界相变强度的增大而增大、且缸内进气湍流强度和喷油压力均随超临界相变强度的减小而减小，通过缸内进气湍流强度和喷油压力与超临界相变强度的正比例变化关系，能够使使柴油机在对应工况下达到最优燃烧性能，实现燃烧强化。
(3)在调节缸内进气湍流强度时，通过进气湍流调节装置调节缸内进气湍流强度能够实现快速调节，并与喷油压力进行匹配，实现进气湍流强度与超临界喷雾的协同作用，加快油气混合速度。
附图说明
图1为本发明超临界燃烧强化方法的流程图；
图2为超临界喷雾与缸内进气湍流协同混合示意图；
图3为低超临界相变强度工况时进气湍流示意图；
图4为高超临界相变强度工况时进气湍流示意图。
其中，1-喷雾，2-液相，3-超临界态，4-缸内湍流，5-进气道，6-进气湍流调节装置，7-燃烧室
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明实施例提供了一种湍流-相变协同的超临界燃烧强化方法，如图1所示，该超临界燃烧强化方法包括：
步骤S10，根据理想气体状态方程，由发动机等熵压缩过程关系得出进气压力、进气温度与燃烧室7上止点缸内热力学状态之间的关系，并根据发动机的工况和强化程度，确定燃烧室7上止点处的缸内热力学状态；缸内热力学状态包括缸内上止点处的温度Ta和缸内上止点处的压力Pa；发动机的强化程度包括增压比和压缩比；
理想气体状态方程为：
PV＝nRT；
式中：P为压强，单位为Pa；V为气体体积，单位为m3；T为温度，单位为K；n为气体的物质的量，单位为mol；R为摩尔气体常数，也叫普适气体恒量，单位为J/(mol.K)。
步骤S20，根据燃料的临界属性，通过对比压力和对比温度确定对应热力学状态条件下超临界喷雾1的超临界相变强度；燃料临界属性包括燃料的临界温度Tc和临界压力Pc；
步骤S30，根据超临界相变强度，调节缸内进气湍流强度和喷油压力，实现超临界喷雾1与湍流的协同作用，使缸内上止点湍流强度与超临界喷雾1协同效果最佳。在调节缸内进气湍流强度时，可以通过进气湍流调节装置6调节缸内进气湍流强度。如图4所示，进气湍流调节装置6设置于进气道5内。
采用上述湍流-相变协同的超临界燃烧强化方法进行燃烧强化时，首先根据发动机的工况和强化程度，确定燃烧室7上止点处的缸内热力学状态；其次，根据燃料的临界属性，通过对比压力和对比温度确定对应热力学状态条件下超临界喷雾1的超临界相变强度；最后，根据超临界相变强度调节缸内进气湍流强度和喷油压力，实现超临界喷雾1与湍流的协同作用；通过上述步骤，得到燃烧室7上止点处的缸内热力学状态以及超临界喷雾1的超临界相变强度，再根据超临界相变强度调节缸内进气湍流强度和喷油压力，利用缸内进气湍流强度与超临界相变强度协同作用，组织进气湍流，充分发挥超临界态3燃油的湍流主导扩散混合机制，促进超临界喷雾1的燃烧室7全空间空气利用率提升，使高强化柴油机的油气混合及燃烧速度加快，有效改善高强化柴油机的燃烧性能，从而实现柴油机的进一步强化。
在调节缸内进气湍流强度时，通过进气湍流调节装置6调节缸内进气湍流强度能够实现快速调节，并与喷油压力进行匹配，实现进气湍流强度与超临界喷雾1的协同作用，加快油气混合速度。
一种具体的实施方式中，在步骤S20中，通过对比压力和对比温度确定对应热力学状态条件下超临界喷雾1的超临界相变强度，具体包括：
在对比压力和对比温度都大于1的前提下，当超临界相变强度判据值A大于等于3.2且小于3.6时，喷雾1发生弱超临界相变；当超临界相变强度判据值A大于等于3.6时，喷雾1发生强超临界相变；
超临界相变强度判据值A的计算公式为：
A＝Tr×Pr0.5；
其中，Tr为对比温度，Pr为对比压力；
对比温度Tr的计算公式为：
Tr＝Ta/Tc；
上式中，Ta为缸内上止点处的温度，Tc为燃料的临界温度；
对比压力Pr的计算公式为：
Pr＝Pa/Pc；
上式中，Pa为缸内上止点处的压力，Pc燃料的临界压力。
具体地，在步骤S30中，根据超临界相变强度调节缸内进气湍流强度和喷油压力时，缸内进气湍流强度和喷油压力均与超临界相变强度成正比例关系。
在根据超临界相变强度调节喷油压力和缸内进气湍流强度时，缸内进气湍流强度和喷油压力均与超临界相变强度成正比例关系，即，缸内进气湍流强度随超临界相变强度的增大而增大、缸内进气湍流强度随超临界相变强度的减小而减小，喷油压力随超临界相变强度的增大而增大、且随超临界相变强度的减小而减小；在确定了湍流强度和超临界相变强度后，需要匹配喷油压力，强超临界相变时，喷雾1贯穿距会有所降低，此时需要加大喷油压力，弥补超临界相变导致的贯穿距降低；因此，喷油压力需随着超临界相变强度的增加而增加，通过缸内进气湍流强度和喷油压力与超临界相变强度的正比例变化关系，才能使柴油机在对应工况下达到最优燃烧性能，实现燃烧强化。
当缸内热力学状态确定后，匹配恰当的进气湍流强度与喷油压力，在缸内超临界相变与湍流合理的协同作用下，才能使强化后的燃烧性能达到最佳。过弱或者过强的湍流强度或者超临界相变强度，会造成空气利用率低，油气混合差，燃烧性能恶化不可避免。因此，当超临界相变强度强，而进气湍流强度不够时，超临界态3燃油无法快速与空气混合，油束喷雾1的全空间空气利用率不够，燃烧性能恶化。而当超临界相变强度弱，而进气湍流强度强，相邻油束间可能发生干涉，产生混合气过浓区，也会导致燃烧性能恶化。
当超临界喷雾1处于低超临界相变强度时，喷雾1内部液相2中液滴依然为蒸发混合，只有喷雾1***液滴发生超临界相变转变为超临界态3，此时只需组织小强度的进气湍流，获得相对低强度的缸内进气湍流与之协同作用，即可保证快速油气混合和燃烧；而当超临界喷雾1处于高超临界相变强度时，喷雾1内部存在大量液滴转变至超临界态3，甚至喷雾1喷出时就全部转变为超临界态3，此时喷雾1贯穿能力削弱，需要牺牲部分充气效率，组织高强度的进气湍流，获得相对高强度的缸内进气湍流，从而充分利用超临界态3燃油的扩散混合机制，实现高强化条件下油气混合和燃烧性能最优，因此，
据此组织进气湍流强度，通过进气湍流调节装置6改变进气流动来调节和控制缸内进气湍流强度，同时匹配恰当的喷油压力，从而实现相应的超临界喷雾1与湍流的协同作用。如图2所示，低超临界相变强度时，喷雾1内部的液相2中液滴依然为蒸发混合，只有喷雾1***液滴发生超临界相变转变为超临界态3，此时只需组织小强度的进气湍流，如图3所示，获得相对低强度的缸内湍流4与之协同作用，并配合较低喷油压力，即可保证快速油气混合和燃烧。而高超临界相变强度时，喷雾1内部也存在大量液滴转变至超临界态3，甚至喷雾1喷出时就全部转变为超临界态3，此时喷雾1贯穿能力削弱，需要牺牲部分充气效率，组织高强度的进气湍流，如图4所示，获得相对高强度的缸内湍流4，从而充分利用超临界态3燃油的扩散混合机制，并匹配较高喷油压力，实现高强化条件下油气混合和燃烧性能最优。
下面为具体实施例：
柴油机压缩比一般为12～22，假设一台高强化柴油机的压缩比为14，当增压比为3，进气温度为330K时，在缸内上止点附近未喷油燃烧时，由理想气体状态方程计算可得，缸内压力为12MPa，温度为950K。由于柴油组分复杂，临界属性变化范围较大，而正十二烷与柴油的临界属性相当，以正十二烷为例，其临界温度为658K、临界压力为1.82MPa，此时对比温度Tr为1.444、对比压力Pr为6.593，此时超临界相变强度判据值A为3.71，大于3.6，因此，缸内热力学状态属于强超临界状态，喷雾1内部将有大量液滴转变为超临界态3，此外，根据活塞平均速度与燃烧室7内气流脉动速度的正比关系，通过图3中的进气湍流调节装置6组织高强度的进气湍流，调节和控制上止点附近的缸内湍流4强度，并匹配高喷油压力，增大贯穿距，从而实现湍流强度与超临界喷雾1的协同作用，加快油气混合速度，提升燃烧室7全空间空气利用率，有效提升强化燃烧的燃烧性能，实现柴油机燃烧的进一步强化。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于高强化柴油机湍流-相变协同的超临界燃烧强化方法，其特征在于，包括：
根据理想气体状态方程，由发动机等熵压缩过程关系得出进气压力、进气温度与燃烧室上止点缸内热力学状态之间的关系，并根据发动机的工况和强化程度，确定燃烧室上止点处的缸内热力学状态；
根据燃料的临界属性，通过对比压力和对比温度确定对应热力学状态条件下超临界喷雾的超临界相变强度；
根据超临界相变强度，调节缸内进气湍流强度和喷油压力，实现超临界喷雾与湍流的协同作用；
通过对比压力和对比温度确定对应热力学状态条件下超临界喷雾的超临界相变强度，具体包括：
在对比压力和对比温度都大于1的前提下，当超临界相变强度判据值A大于等于3.2且小于3.6时，喷雾发生弱超临界相变；当超临界相变强度判据值A大于等于3.6时，喷雾发生强超临界相变；
超临界相变强度判据值A的计算公式为：
A = Tr × Pr0.5；
其中，Tr为对比温度，Pr为对比压力。
2.如权利要求1所述的用于高强化柴油机湍流-相变协同的超临界燃烧强化方法，其特征在于，根据超临界相变强度调节缸内进气湍流强度和喷油压力时，缸内进气湍流强度和喷油压力均与超临界相变强度成正比例关系。
3.如权利要求1所述的用于高强化柴油机湍流-相变协同的超临界燃烧强化方法，其特征在于，对比温度Tr的计算公式为：
Tr = Ta/Tc；
上式中，Ta为缸内上止点处的温度，Tc为燃料的临界温度；
对比压力Pr的计算公式为：
Pr = Pa/Pc；
上式中，Pa为缸内上止点处的压力，Pc燃料的临界压力。
4.如权利要求1-3任一项所述的用于高强化柴油机湍流-相变协同的超临界燃烧强化方法，其特征在于，通过进气湍流调节装置调节缸内进气湍流强度。
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