预测直喷式柴油机NO排放模型的研究_直喷式柴油机的燃烧模型

NO排放模型的研究

2001年(第30卷)第5期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　No15(Vol130)2001小　型　内　燃　机　与　摩　托　车　　

模拟与计算

预测直喷式柴油机NO排放模型的研究

(Ⅰ)直喷式柴油机的燃烧模型

浙江大学　许沧粟　杜德兴

(杭州　310013)

摘要　本文介绍了一个有一定使用价值而又相对比较简单的准维柴油机燃烧模型。喷雾分成若干计算小区,并假定各小区之间不发生传质,入的燃油;除利用一系列经验公式计算喷雾的轨迹、与外界的热交换外,还应用了独立的反应动力模型关键词　柴油机　喷雾　燃烧模型

forDirect2InjectionDieselEngines

ZhejiangUniversity　XuCangsu　DuDexing

(Hangzhou　310013)

Abstract　Thepaperintroducesarelativelysimplebutusefulquasi2dimensionaldieselcombustionmodel.Themodeldividestheinjectedsprayintosomesubdivisions,andassumesthereisnomasstransferbetweenthesesubdi2visions.Thesubdivisionentrainsairfromtheambientandreceivesfuelfromthefuelinjection.Themodelcalculatesthespraytrajectory,entrainedair,radial2profileofthefueldropletsinthefuelsprayandtheheattransferbyempir2icalformulas,asub2modelofcombustionreactivekineticsisused.Keywords　Dieselengine,Spray,Combustionmodeling

1　引言

柴油机中的燃烧,尤其是直喷式柴油机中的燃烧形态基本上属于喷雾燃烧,燃烧的状态,不仅与柴油机的动力性、经济性直接有关,而且还与柴油机的工作粗暴程度及排气中的有害成分的多少密切相关,因此,对喷雾燃烧的研究一直是柴油机研究的重要方面。

在几十年的柴油机的燃烧研究历程中,建立起了各式各样的模型,有零维模型、准维模型和多维模型三大类。由于零维模型只从能量守恒角度研究而显得过于笼统,多维模型又由于柴油机中的流动的复杂性,使得计算的工作量太大,一般的计算机无法胜任。因此,介于这两者之间的准维模型,既包含了某些关键现象的运动发展描述,又根据各自的计算条件对这些现象作相应的简化,建立它们各自的子模型。我们就是为了预测直喷式柴油机内的NOx,建立了一个有相当使用价值的准维模型。利用这一模型的计算结果作为预测NOx的基础,取得相当满意的结果。现对此模型作一简单介绍。

(2)已燃气体、未燃气体均为理想气体,其热物性

参数用经验公式近似描述;

(3)喷入燃烧室的喷雾在分成质量相等的小区间不存在传质现象;

(4)喷雾中的液滴悬浮在空气中,每一个油滴的蒸发和燃烧服从单液滴蒸发和燃烧规律,每个液滴在燃烧时相互没有影响,也不受缸内空气运动的影响;

(5)在进气阀关闭至排气阀开启期间,无工质泄漏发生,无缝隙容积效应;

(6)每一个喷雾小区内的油滴均在着火滞燃期内蒸发,并与卷吸入的空气形成可燃混合气,可燃混合气以理论空燃比燃烧;

(7)燃油分子在形成可燃混合气之前已裂解成低阶烷烃和不饱和烃。

3　喷雾油束的破碎子模型

根据上述假定,我们所采用的是离散液滴模型。喷雾从喷孔流出后按时间和空间分成如图1所示的若干小区,这些小区内的油滴都按照计算贯穿距离的经验公式所确定的规律向前运动,在此期间,喷雾动量守恒,随着周围空气的卷入,喷雾速度逐渐减小。卷吸入

2　基本假定

(1)气缸内的压力是均匀的,仅是时间的函数;

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的空气与蒸发的燃油蒸汽混合,在经历着火滞燃期后着火燃烧,新鲜空气的不断补充进入小区,与不断蒸发的蒸汽混合、燃烧

。

失和壁面之间的摩擦损失,因此着壁后,其贯穿距离与

0125-0175t成比例;速度与t成比例。取经验关系:

(9)　　S(1)=Kimpt0125ν(1)=0125Kimpt-0175(10)　　

碰撞经验常数Kimp是喷雾中心小区(M=1)着壁时的贯穿距离Simp和着壁时间timp的函数

(11)　　Kimp=Simp[timp(1)]-0125

对于任意径向坐标值为Mν()=0125K[tt(-timp(M)]-0175　　

(12)

图1　,(2Δpinj/ρF)015(1)　　GF=ρd0 F式中ρF,A0和Δpinj分别表示燃油的密度、喷孔的截面积和喷孔两端的压差,流量系数Cd根据循环供油量、喷油持续期、喷孔数及喷孔直径等求出,一般为016～018。

。

Sauter平均直径SMD描述,SMD时采用广安博之公式

0112101131

(13)　　d32=A(Δpinj)-01133ρmfa

为了简化计算,模型假定小区内的所有燃油都破碎成具有SMD尺寸的液滴,这些液滴在向前运动过程中,不断蒸发,由蒸发产生的燃油蒸汽与卷吸进的空气混合,形成可燃混合气,其单个液滴的蒸发速率为

()λ

πdsln1+(14)　　m =2

cp

qc

喷入的燃油在喷雾中的径向分布按阿勃拉莫维奇

分布计算

(2)　　f/fm=1-y3/2

f和fm分别代表喷雾中任意位置及喷雾中心的燃油浓度,y为归一化半径尺度.

喷雾贯穿距离和喷雾锥角按广安博之公式计算:径向坐标为M的小区,其喷雾方向由下式给出

0125

ψ(M)=0105(ρΔpinjd2(M/3)(3)　　a0/μa)

式中μa,ρ密度和喷a和d0分别代表空气的动力黏度、

孔的直径,每个小区P(L,M,N)的运动轨迹由喷雾贯穿距离决定,其速度由贯穿距离对时间求导获得:

015

Δpinj/ρ(4)0<t<tb(M):x(M)=0139t(21)

015

ν(M)=0139(2Δpinj/ρ1)

式中ds为按Sauter平均直径计算所得的直径在蒸发

历程中的瞬时值,qc为燃油的热值,T∞和Ts分别为环境温度和液滴的表面温度,液滴的表面温度近似取燃油的平均沸点值。

假设油滴在喷射过程中与周围空气之间的黏性摩擦力可以忽略不计,因此喷雾小区在喷雾运动速度衰减时,由动量守恒就可计算出卷吸到喷雾内的空气量,以Gf和Ga分别代表小区内的燃油和空气质量,同时设timp>t>tb(M),因此,在喷雾着壁前,由

νν(M)(15)　　GF0=(GF+Ga)

(M)-1](16)得　　　Ga=GF[ν0/ν

GF由计算步长内的喷油速率计算求出,在燃油喷雾着火以后,由于火焰的阻隔作用,空气卷吸率下降,此时实际的卷吸空气质量Gae由一修正系数cf乘Ga求得,即

(17)　　Gae=cfGa

对于喷雾着壁以后,卷吸的空气量Gaw由一修正系数cw乘Ga计算

(18)　　Gaw=cwGa

由蒸发产生的燃油蒸汽和卷吸入的空气形成可燃混合气,以理论当量比燃烧,如果蒸发快于卷吸,则剩

(5)d0[t(6)t+(7)

015

t>tb(M):x(M)=1148t(Δpinj/ρa)

-015

0125

+tb(1)-tb(M)]

tb(1)-tb(M)]

ν(M)=1148(Δpinj/ρa)

-015

0125

015

d0[

油束的破碎时间tb随小区P(L,M,N)的径向坐标M而变

Δpinj)015][(4-M)/3]　　tb(M)=28165[d0/(ρa

(8)

假定在喷注着壁后,小区从着壁处沿着壁面向四

周径向分布如图所示,喷注在着壁过程中,存在动量损

余的蒸汽与下一时间步长中卷吸入的空气混合燃烧,反之,若卷吸快于蒸发,则多余的空气到下一时间步长中与蒸发的燃油蒸汽混合燃烧。

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