[发明专利]气缸内气体温度履历的一种计算方法

说明书

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。