柴油机燃烧模型及应用

由于燃烧过程的复杂性，长期以来，柴油机缸内燃烧的研究多借助于试验，随着计算机技术的飞速发展及计算流体力学、计算传热学、化学动力学等基础理论研究的深入，燃烧过程的数值模拟已成为研究柴油机性能的重要手段，目前常用的燃烧模型主要有零维模型、准维模型及多维模型。

零维模型又称单区模型，其研究方法是：假定缸内工质均匀分布，工质瞬时达到平衡态，抽去其燃烧物理化学反应的复杂中间过程，各参数值假设只是时间的参数，忽略其随空间位置的变化。以此为基础得出的基本控制方程组只有时间自变量，故为常微分方程组。目前在柴油机上应用较多、使用较广的零维模型主要是韦伯燃烧模型。

准维模型考虑燃烧过程中喷雾及火焰传播等物理过程的长度尺度，将燃烧室按火焰位置或喷注空间分布形状划分成若干区域，分别考虑喷雾扩散、油滴蒸发、混合与卷吸、燃烧火焰传播等子过程，列出描述分区内各参数随时间变化的关系式，这些方程式的集合就构成准维燃烧模型。根据对柴油机燃烧过程分析方式的不同，目前最具代表性的准维燃烧模型是美国Commins公司林慰梓等人提出的气相喷注燃烧模型，以及日本广安博之等人提出的油滴蒸发模型。

多维模型能够考虑缸内过程物理域二维或三维空间的分布，是十分复杂的热力学系统，由于在喷油过程中有燃油进入气缸，燃烧过程中因燃烧而造成各成分的质量变化，因而与普通的控制方程相比，还需要考虑喷油和化学反应的各个源项，根据质量、动量和能量的守恒定律，以一组偏微分方程组来描述缸内的流动过程。目前对缸内湍流的模拟较多地采用双方程κ－ε。

零维模型的突出特点是简单、计算费用低，但均匀态的假设使其无法反映流场、燃烧室形状对发动机性能的影响；多维模型能够如实反映燃烧现象的本质及随时空变化的规律，但其计算时间长，多数用于研究缸内燃烧组织的微观过程；准维模型涉及目前工程界所关心的关键问题，描述形式简单、计算量小，能够较准确地模拟各种情况下发动机的性能，因此，接下来着重介绍准维模型中的广安博之（Hiroyasu）模型。

Hiroyasu模型对喷油过程的反应十分敏感，能够准确反映喷油压力、喷油定时及喷油率曲线变化的影响。其中，Hiroyasu燃烧模型的物理机制是：油雾束在缸内贯穿和扩展过程中，不断卷起周围的空气，油滴蒸发、汽化形成浓度不同的可燃混合气，经过一定滞燃期后着火燃烧，生成燃烧产物，放出热量，剩余油滴和后续进入缸内的油滴继续蒸发，与新卷吸进雾束的空气形成可燃混合气后继续燃烧，直到油滴完全燃烧，雾束消失，全部生成燃烧产物为止。

在Hiroyasu燃烧模型（图4－3）中，需要对油束喷注进行分区，分别对各区进行计算，确定每个区内的燃油质量、燃油蒸气浓度、燃空当量比等参数。假定各小区是互相独立的绝热系统，各小区之间无热交换。

图4－3　Hiroyasu燃烧模型

Hiroyasu油滴破碎模型的要点如下：

（1）由喷油规律计算得到每个时间步长Δti内的喷射油量Δmfi及其相应的喷射压差Δpi。其中，i表示第i个时间步长。

（2）在该时间步长内射入的油量Δmfi将散布到一个圆锥体上，锥体的锥角φ由经验公式确定，有

式中，ρa——空气密度，kg/m3；

μa——空气黏度，N·s/m2；

Δpi——射油压差，N/m2；

dn——喷孔直径，m。

油滴轴向距离由轨迹计算公式确定，将这一锥体按照油量相等的原则划分成L个同心锥环，这些锥环是一些独立的小区，将经历自己的蒸发、混合过程而与邻区无关。

（3）小区内油滴群的初始索特尔平均直径SMDi：

式中，

ρai——油滴密度；(www.xing528.com)

B——循环供油量，m3/循环。

（4）小区内所含的燃油蒸气质量mfv：

式中，SMDij——小区（i，j）在所计算时刻的油滴直径；

ρf——燃油蒸气密度；

N——油滴群的颗粒数。

小区当量燃料空气比Fij可按下式确定：

式中，ma——小区空气卷入量；

fst——理论燃料空气比。

（5）油滴的索特平均直径d32及空气卷息率：

式中，A——系数；

Δp——喷嘴的平均压差；

ρa——空气密度；

gf——循环喷油量；

mf——小区燃油质量；

v0——燃油喷注初速；

x1——油雾束贯穿度；

maf——油束周围存在火焰包围时空气卷入量；

maω——油束碰壁时的空气卷入质量；

Cf，Cω——修正系数。