5个待定系数的修正韦伯函数在发动机多火焰区燃烧模型中的应用

提出的含 5 个待定系数的代用燃烧规律 ,即
d
m p1
dθ
=
C3 C1 ( C2 + 1) θ′c - θ0
θ- θ0 θ′c - θ0
C2 ·
exp
-
C1
θ- θ0 θ′c - θ0
C2 + 1
式中 :待定值θ0 和 θ′c 为燃烧室中燃烧初始角和
终了角 。初始拟合数据取自火焰分区前的质量燃烧速
进展缓慢 。然而 ,准维燃烧模型可将研究对象根据燃 烧现象的不同 ,分解为若干个彼此相关又相互独立的 均匀场 ,并在此基础上补充各种相关物理量的子模型 即可进行预测 。亦即根据火花点火发动机预混气燃烧 和火焰传播的特点 ,对常规单火焰区燃烧方式 ,一般只 考虑火焰按准球面传播的准一维模型 , 燃烧区域仅分 为已燃区和未燃区 。这种模型尽管简单 , 却依然可具 有有效的分析和预测功能[1 ] 。但它们显然不能满足 现代的新型高压比 、多火焰区燃烧系统燃烧模拟的多
第 8 卷 (2002) 第 5 期
燃 烧 科 学 与 技 术 JOURNAL OF COMBUSTION SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol. 8 (2002) No. 5
5 个待定系数的修正韦伯函数在发动机 多火焰区燃烧模型中的应用
Ξ
林建生
(天津大学机械工程学院 ,天津 300072)
L IN J ian2sheng
(School of Mechanical Engineering , Tianjin University , Tianjin 300072 ,China)
Abstract :In t his paper , a revised Weber function wit h Five factors to be defined by t he met hod of multi2element nonlinear regression is put forward for t he first time and t he combustion characteristics of mixture of two flame zones wit h lean burn and rapid burn in jet combustion chamber of gasoline engines are modeled. Therefore t he most important parameters to t he analyses of combustion process , such as mass burning rate and FSR in flame zones are determined successfully by aid of t he measurement of indicator diagram . As a result , t he effective and useful model of t hree zones quasi2dimensional combustion diagnosis wit h two flame zones is presented. Actual application shows t hat t he new function combined wit h multi2zone model processes potential vitality in combustion modeling of S. I. engine.
Keywords :revised Weber function wit h five factors to be defined ; met hod of multi2element nonlinear regression ; jet com2 bustion chamber ; two flame zones ; model of t hree zones quasi2dimensional combustion diagnosis
充质量和容积约束 。
热传导只发生在各区与润湿面之间 , 传热系数按
Eichlberg 方法计算 。
率实际值 。燃烧室中的燃烧终了角则通过与分区前的
预估值综合调整 ,进行迭代计算 ,以便保证火焰扩展与
燃烧基本结束相互协调 。计算结果表明 , 这种方法对
工况的适应性好且射流孔与燃烧室中计算的火焰传播
时间与同一工况高速摄影照片上计算的实际值基本吻
合 。这样做的优点在于用较简单 、实用的方法结合实
测示功图数据计算的总燃烧率 , 可分离出各火焰区的
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1 现代高性能汽油机双火焰区燃烧模式及建 模中的关键技术问题
预混气单相燃烧是火花点火发动机区别于压燃式 发动机的重要特征 。精确地进行燃烧模化需考虑燃烧 期间各种场函数 (Γ) 随时间 ( t ) 和三维空间 ( x 1 , x 2 , x 3) 4 个参量的变化 。目前受限于紊流理论和化学反 应动力学以及高速电子计算机技术的发展 , 多维模型
Ξ 收稿日期 :20022 032 26 。 作者简介 :林建生 (1954 —) ,男 ,硕士 ,副研究员 。E2mail :Lwqin @ public. tpt . tj. cn 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
·458 ·
燃 烧 科 学 与 技 术 第 8 卷第 5 期
功能预测分析以及精度方面的要求 。此类多火焰区高 压比稀薄燃烧系统的典型代表是已获 7 国专利的射流 燃烧室 ,其结构如图 1 所示 。燃烧室布置在缸盖的排 气门下 ,燃烧室向活塞上方主室的末端气体处设计有 一射流通道 ,活塞上行时利用射流和挤流 ,在火花塞附 近形成微尺度紊流 , 创造了稀薄气体的点火条件 。当 活塞下行时 ,反喷射流将燃烧室火焰迅速引向主室的 末端气体处形成双火焰区燃烧 , 并在主室挤气间隙处 产生具有特殊火焰结构[2 ]的强紊流场 , 燃烧速度和火 焰传播速度极快 ,燃烧持续期缩短 , 热效率提高 , 排温 和有害气体排放降低 。在此类双火焰区的燃烧模式 中 ,燃烧室中同时存在双火焰区和两个火焰前锋 。每 个燃烧区均具有独立的混合气燃烧速度和火焰传播速 度 。因此如何合理地在准维模型范围内求解它们 , 是 建立有效的火花点火发动机多火焰区燃烧模型之关 键。
pddθp =
d m
mj
j dθ
+
d Rj
Rdθj +
d Tj
Tj
dθ
-
dVj V j dθ
ddθuk
=
9 9
uj d Tj Tj dθ
+
Aj
式中 : A j =
9up 9p
ddθp , j = p ,m , u 为比内能 ; h 为比焓 ;
Q 为热量 ; p , m 为已 、未燃区 ;θ为曲柄转角 , 尚需补
关键词 :5 待定系数的修正韦伯函数 ;多元非线性回归技术 ;射流燃烧室 ;双火焰区 ;三区准维燃烧分析模型 中图分类号 : T K411. 2 文献标识码 :A 文章编号 :100628740 (2002) 0520457204
Application of a Revised Weber Function with Five Factors to Be Def ined on the Combustion Model with Multi2Flame Zones in S. I. Engine
辟了捷径 。
设函数 Y = F (φ, Ci) , i = 1 ,2 ,3 。 令Δi = Ci - C0i 式中 : Ci , C0i 分别为观测值和初值 ;Δi 为初始值
之差 。将函数 F 在 C0i 附近作泰勒级数展开 ,则有 F (φK , Ci) ≌F0k +Δ F0kΔ, ( k = 1 , 2 , …, n) F0k = F (φk , C0i)
1 —燃烧室 ;2 —射流孔 ;3 —主室 ;4 —活塞 ;5 —气缸 6 —主通道 ;7 —火花塞 ;8 —排气门 ;9 —进气门 图 1 射流燃烧室示意图
2 修正的五待定系数韦伯函数及其多元非线 性回归技术的应用
常规内燃机中碳氢化合物燃烧属于复杂的化学链 锁反应过程 , 韦伯[3 ]根据链锁反应理论 , 综合考虑大 量常规发动机燃烧数据提出了半经验型质量燃烧率拟 合函数 。然而对射流室燃烧特性实测和对实验单缸机 进行的高速摄影证明 :射流室在燃烧前期 ,火焰传播速 度受火焰扩展面限制 ,燃烧速率比浴盆室低 ,火焰仅在 燃烧室中扩展 ,属于常规的燃烧 ,而主室火焰区一旦形 成则呈现一种特殊的火焰结构 , 燃烧规律难以把握 。 目前 ,对常规燃烧的火花点燃式发动机通常应用含 3 个待定系数的代用燃烧规律 , 而在压燃式柴油机中已 出现了多达 6 个待定系数的代用燃烧规律 。要想进行 火花点火发动机多火焰区燃烧模拟 , 必须对常规的单
燃烧参数 ,从而解决了多火焰区存在时各自的燃烧速
率和放热规律 ,不仅对研究火花点火发动机双火焰区
燃烧系统的燃烧特性提供了依据 , 还大大增强了具有
双火焰区的三区准维燃烧模型的分析和预测功能 。但
对每个工况 ,需要同时确定 5 个未知数 ,且数学形式又
比较复杂 ,因此谋求一种既高效又精确的数学工具十
分重要 。Marquard[4 ]所提出的方法为解决此类问题开
2002 年 10 月 林建生 :5 个待定系数的修正韦伯函数在发动机多火焰区燃烧模型中的应用
·459 ·
珚AΔ = Cy
式中 :珚A = 珚B T B ;珚Cy = B T yk 。 对上式给定初值后迭代求解 , 可求得 C1 , C2 和 C3 以及 θ0 和 θc′。
3 多区燃烧模型及应用
( a1 y , a2 y , a3 y) T ,且 B = ( F01 , F02 , …, F0n) T , 则再利 用最小二乘原理 ,可得矩阵方程为
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
Δ F0k = ( òF0k/ òC1 , òF0k/ òC2 , òF0k/ òC3) Δ = (Δ1 ,Δ2 ,Δ3) T 因此 ,方差可记为
N
∑ 珦Q =
( Y K - ( F0K +Δ F0KΔ) ) 2
K- 1
如果再设 : yk = ( Y 1 - F01 , …, Y n - F0n ) T , Cy =
3. 1 模型简述 在本文准维多区燃烧模型中 ,除常规假设外 ,还借 助在开口燃烧弹中的实验结果[5 ]假定 :射流孔中的火 焰在大于其熄火直径 d 3 的通道中以平面波推进 , 除 传热外其余影响忽略不计 。则有
∑ i
d Qj dθ
-
p
d vj dθ
=
d( m u) j dθ
-
hj
d mj dθ
摘 要 :提出了含 5 个待定系数的修正韦伯函数 ,并应用多元非线性回归技术确定这些系数 ,模拟了具有双火焰区 燃烧模式和稀燃2速燃特性的汽油机射流燃烧系统燃烧室中混合气的燃烧特性 ,从而成功地借助示功图分离出对 分析整个燃烧过程至关重要的各火焰区中的质量燃烧率和火焰速比等参数 ,构成了实用的附有双火焰区的三区准 维燃烧分析模型 。应用实例表明 ,该函数与多区模型相结合 ,将在火花点火发动机燃烧模拟中具有强大生命力 。
火焰区代用燃烧规律进行创新性改进 。为此 , 作者经
过了反复实验和计算 , 并对结果进行归纳整理和对比
研究后认为 ,在常规代用燃烧规律基础上 ,除了下式中
C1 仍为待定系数外 ,补充了 C2 ,并将燃烧室中最终烧
掉的混合气质量与燃烧效率的乘积也作为待定系数并
以因子 C3 形式出现在韦伯函数中 , 则准维模型中规 定在双火焰区存在时 , 燃烧室中的燃烧速率遵循作者