涡流室式LPG柴油双燃料发动机燃烧模型
第3卷第2期2004年6月
热科学与技术
Journal of Thermal Science and Technology
Vol. 3No. 2Jun. 2004
文章编号:1671-8097(2004) 02-0185-04
涡流室式LPG 柴油双燃料发动机燃烧模型
左承基, 赵俊华
(合肥工业大学机械与汽车工程学院, 安徽合肥 230069)
主燃室中气体流动过程的质量和能量的交换关系, 建立了涡流室式L PG (liquefied 摘要:根据涡流室、
petrdeum gas) /柴油双燃料发动机准维燃烧模型的方程, 提出了如何使两种不同性质燃料的燃烧在同一个燃烧过程中相互联系、相互作用的燃烧模型。根据模型提供的方程, 对缸内燃烧过程和N O x 的生成进行了模拟仿真, 将其同发动机台架试验的结果进行了验证、分析和讨论。
关键词:LPG/柴油双燃料; 发动机; 燃烧模型
中图分类号:T K464文献标识码:A
0 引 言
由于能源和环保的要求, LPG 在近几年在内燃机上得到了迅速发展。其中, LPG/柴油双燃料发动机由于其高功率和低排放的优良特性, 成为LPG 发动机的研究发展趋势之一。国内外许多学者都对此做了许多的试验和基础研究工作, 取得了一些有意义的结果。
关于涡流室式LPG/柴油双燃料发动机燃烧模型[1]方面的内容, 目前很少见到报道, 原因可能是涡流室式LPG/柴油双燃料发动机发展时间不长, 燃烧中有许多问题尚待解决。燃烧室分成涡流室和主燃室两部分, 两者通过通道相联系, 有质量和能量的交换, 增加了模型建立和喷孔边界处理等方面的难度。
发展涡流室式LPG/柴油双燃料发动机的燃烧模型, 能够更好的研究和理解涡流室和主燃室中的燃烧过程, 预测多种参数对发动机性能的影响。因此, 无论是对于LPG/柴油发动机参数的优化设计, 还是对于节约能源和环境保护, 都有十分重要的意义。
短暂的破碎过程, 形成一个具有某种概率分布的
油滴群, 然后雾化、蒸发与空气混合形成可燃混合气。这里采用简单的广安(Hiroy asu) 方法, 将引燃燃料的油束在时间和空间上分成许多单元, 如图1所示。在每一时间步长内, 喷出的油束按燃油质量均匀分割到同心圆锥环内。每一个小区的几何位置, 根据实测的每一时间步长 t 内的射油量和喷射压差来决定。i 是与时间相关的标记, j 是径向同心圆锥环的标记。设每个单元小区油束由直径相等的油滴群组成, 单元中油束的蒸发看成是油滴群的蒸发。
图1 广安模型的喷雾分区
F ig. 1 Spr ay mo del o f Hiro yasu
2) 油滴蒸发
单组分油滴在静止空气中的蒸发过程, 在采用准定常假设之后, 可以归纳为求解一维球对称准定常传热、传质问题。
在任一瞬时, 对油滴由能量方程可得
m f c f
f f f
=+r d d d
(1)
[3]
1 涡流室内燃烧过程模型
1. 1 引燃燃料的喷射雾化、蒸发子模型
1) 喷雾分区
[2]
当引燃燃料喷入涡流室内, 首先要经过一个
收稿日期:2003-10-06; 修回日期:2004-04-22.
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第3卷
油滴在任一瞬时的吸热速率与蒸发速率可以用定常传热、传质方程求解, 有传热方程:
f = d 2f h (T ∞-T f )
d 6n
率与油滴直径变化率的关系式:
3f f f f =-d f d f d 6d 3) 放热和传热模型, 任意小区的平均温度变化率(K/℃A) 为
d Q bd ij d Q bl ij d m f
+-c p f (T ∞-T f ) t N ij
w ij =d c p f m fg ij +c p m (m l ij -m bl ij ) (1+ F tl )
(11)
(2)
根据油滴球体的质量体积公式, 可得蒸发速
(3)
2 主燃室内的燃烧过程
2. 1 燃烧始点的确定
由于主燃室的燃烧是由涡流室的火焰传播过
f
其中:d 可写成
f f f
= d d T f d 于是每个单元中的燃油蒸发量m fp ij (kg )
m fp ij
33=( 0d f0- f d f ) N ij
6
(4)
来以后而开始的, 在满足以下关系式
l
从上式中, 可求解四个未知数m f 、T f 、Q f 、d f ,
∑m
i =1
b i
≥0. 99m m (12)
时, 认为主燃室的燃烧开始。
(5)
2. 2 双区燃烧子模型
方程描述参见文献[4]。
因此, 可得柴油单元小区中的当量空气燃料比F d ij
F d ij =
ad i
F t d
m fp ij
[3]
3 N O 排放子模型
(6)
本文仅涉及到缸内NO 形成量的计算。目前的研究认为发动机缸内NO 的形成是一个非平衡过程。NO 的反应速率的动力学模型采取
(7)
Zeldov ich 机理的修正式。
[4]
1. 2 引燃燃料的燃烧子模型
ij =4. 0×10p
-3
-2. 5
ij (ms) 1) 各个单元的着火延迟期
F ex p T
2) 油滴群的燃烧, 油束在一个时间步长内的放热量为
L
4 计算实例
基于以上理论模型, 以M ATLAB
[5]
为应用
Q bd =
型[4]
∑∑ Q
i
j =1
bd ij
(8)
平台, 对LPG/柴油双燃料方式下485涡流室式发动机的燃烧过程以及排放进行了数值计算。涡流室内压力变化的试验值及计算值比较见图2。从图中压力示功图的比较可以看出:模型所预测的压力变化规律和试验结果基本相符, 但精度仍然不够。无论是中间转速(1800r/min) 时, 还是标定转速(2400r/m in) 时, 涡流室内压力的理论值均低于试验值, 预测精度仍需进一步开展研究。
图3表示的是满负荷时N O 计算值与NO x 试验值的比较。从图中比较可以看到:LPG/柴油双燃料工作方式下, 同一转速全负荷时, 计算值低于试验值, 究其原因在于以下两点:首先, 由于试验值所测得为NO x 的排放值, 而理论值所得为NO 的排放值, 故总体趋势上计算值应低于试验值; 其次, 由于理论计算与试验测量结果之间的差异和误差, 包括各种计算参数的选择, 理论模型对实际燃烧过程的简化, 比如没有考虑主燃室与涡流室1. 3 涡流室中LPG/AIR 预混合气燃烧子模
1) 引燃燃油燃烧相关时间参数
(1) 油滴寿命(柴油蒸发时间) 由下式给出:
t V =
V
烧中, 当满足以下关系式
cyc
m bd ij ≥0. 99n d ∑∑i j
时, 认为引燃燃料的燃烧结束。
2) 预混燃烧中相关参数的确定
(1) 预混燃烧初始温度的确定, 当LPG/Air 预混单元的温度上升到LPG 着火温度以上时, 预混单元开始燃烧。
(2) 预混燃烧的初始时间的确定, 当T lm ij ≥T lpg (10)
2
(9)
(2) 引燃燃油结束的确定, 在引燃燃料的燃
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左承基等:涡流室式LPG 柴油双燃料发动机燃烧模型
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体上, 理论计算值与试验测量值还是比较相符, 说明所建立的理论燃烧及NO 排放模型基本反映了
发动机本身的燃烧及NO 排放的实际过程, 具有
一定的应用价值和指导意义。
(a) 1800r /min, 21kW 时 -
p (b) 2400r/min, 25kW 时 -p
图2 2400和1800r/min, 满负荷的压力示功图试验值与计算值比较
F ig. 2 Co mpariso n of ex per imental v alue of pr essur e diag ram w ith calculative value at 1800and 2400r/min
at full
loads
d Q f /d F F td h L m ad ij m b i
图3 满负荷时NO 排放的试验值和计算值
比较
F ig. 3 Compar ison of ex perim enta l v alue of N O
w ith calculativ e value
油滴的吸热速率, kg/℃A 柴油单元中的当量空燃比, 即F d ij 柴油理论空气燃料比传热系数, W /(m 2 K)
第i 时间步长正燃烧着的单元数小区空气卷入量, kg
每一个预混气燃烧单元的已燃的预混气的质量, kg
预混单元中的己燃的LPG 质量, kg 引燃燃料的循环供应量, kg /cy c 对应单元中的柴油蒸汽量, kg 已燃的引燃燃料(柴油) 的质量, kg 预混合气的总质量, kg 发动机转速, r/m in 喷孔数, 个
各小区油滴个数, 对应的柴油分区中的油滴数
气缸内的压力, M Pa 各柴油单元中放热量, kJ 燃油(柴油) 的汽化潜热, J/kg 气缸内的平均温度, K
LPG/AIR 预混合气的初始燃烧温度, K
LPG 燃烧的着火温度, K
离油滴无穷远处的温度, 涡流室内的平均温度, K 蒸发系数, m /s 3
2
m bl ij m cyc m fg ij m bd ij m m n n d N ij p Q bd ij r T T lm ij T lpg T ∞ v 5 结 语
本文建立了涡流室式LPG/柴油双燃料发动机燃烧过程的准维燃烧模型。该模型是油滴蒸发扩散燃烧模型和双区燃烧模型在涡流室式发动机上的结合应用, 在对模型中所涉及的各种结构、工况及热工参数进行适当调整后, 可用于一般压燃式双燃料发动机的燃烧过程研究。主要符号:c p f c p m d f d 0
d m f 柴油燃料蒸汽的比定压热容, J/(kg K)
单元中LPG/AIR 预混气的比定压热容, J/(kg K)
油滴的瞬时直径, 计算时的油滴直径, m
油滴的初始直径, m
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热科学与技术
第3卷
工业出版社, 1986.
参考文献:
[1]Y A N Z D , ZHA O L W , F EI S M , et al . Study and
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[5]云舟工作室. M A L AB6数学建模基础教程[M ].北
京:人民邮电出版社, 2001.
Quasi -dimensional combustion model for engines of LPG -diesel dual fuels with swirl combustion chamber
ZU O Cheng -ji , ZH AO Jun -hua
(College o f M ech . and A utom otive Eng . , Hefei U niv . o f T echnol . , Hefei 230069, China )
Abstract :Based on the m ass and the energ y equations of the g ases flow ing betw een the sw irl cham ber and the m ain combustion chamber , the equations o f a quasi-dimensio nal combustion model for engines fuelled by LPG-diesel dual fuels sy stem w ith the sw irl co mbustion chamber w as dev elo ped in this paper. A special combustion mo del w as propo sed to describe the cor relation o f the tw o different kind of fuels during the com bustion process. Numerical simulation w as perform ed for the com bustion pr ocess and the NO x generation inside the cylinder using the m odel developed. Numerical result w as analy zed and verified w ith the experimental r esult.
Key words :LPG-diesel dual fuel; eng ine; combustion mo del