一种柴油机多次喷射喷雾贯穿距预测方法

摘要

本发明的目的在于提供一种柴油机多次喷射喷雾贯穿距预测方法，将多次喷射变喷油曲线在任意瞬时等效成具有质量平均喷射速度的稳态射流。将斯托克斯数与其质量平均速度相关联，使得各束喷雾的斯托克斯数及时响应其喷油率的变化。计算出前后两束喷雾的粒子响应时间，并根据孤立液滴理论得到该时刻两束子喷雾尖端的有效喷射速度。将任意瞬时两束子喷雾尖端的有效喷射速度与喷雾贯穿距解析模型耦合，通过判定多次喷射喷雾尖端得到该时刻的总体喷雾贯穿距。本发明采用变时间上限积分计算质量平均喷射速度，使得喷油率变化的影响及时施加到喷雾贯穿距的发展历程中；以解析式方法实现变喷油条件下喷雾贯穿距的计算，显著提高了计算速度。

权利要求

1.一种柴油机多次喷射喷雾贯穿距预测方法，其特征是：(1)第一次喷射在t＝0时刻开始，在t1时刻结束；第二次喷射在t2时刻开始，在t3时刻结束；根据喷油量、喷射持续期、喷油型线等喷射参数和喷孔结构参数，计算得到喷孔出口处的前后两次喷射速度Uinj,1(t)和Uinj,2(t)随时间t的变化；

(2)将多次喷射变喷油曲线转化为瞬时稳态射流，根据Uinj,1(t)、Uinj,2(t)，燃油密度ρf和喷孔出口面积Anoz，采用变时间t上限积分方法，计算得到前后两束瞬时稳态射流的质量平均喷射速度UAV,1(t)、UAV,2(t)：(3)根据喷孔直径dn、燃油密度ρf及环境气体密度ρg，计算得到有效喷孔直径deq：(4)根据燃油密度ρf、喷孔直径dn、前后两次喷射的质量平均喷射速度UAV,1(t)和UAV,2(t)、燃油粘度μf和燃油表面张力系数σf，计算得到前后两束喷雾的雷诺数Re1和Re2及前后两束喷雾的韦伯数We1和We2：

(5)根据喷孔直径dn、前后两束喷雾的雷诺数Re1和Re2、前后两束喷雾的韦伯数We1和We2、燃油粘度μf、环境气体粘度μg、燃油密度ρf及环境气体密度ρg，分别计算得到前后两次喷射下低速喷射不完全发展喷雾的索特平均直径 和 高速喷射完全发展喷雾的索特平均直径 和 以及喷雾总体索特平均直径D32,1和D32,2：(6)根据燃油密度ρf、前后两次喷射的喷雾总体索特平均直径D32,1和D32,2、前后两次喷射的质量平均喷射速度UAV,1(t)和UAV,2(t)及环境气体粘度μg，计算得到前后两束喷雾的斯托克斯数St1和St2：

(7)根据有效喷孔直径deq、前后两次喷射的质量平均喷射速度UAV,1(t)和UAV,2(t)以及前后两束喷雾的斯托克斯数St1和St2，计算得到前后两束喷雾射流响应时间常数τv,1和τv,2：(8)根据前后两次喷射的质量平均喷射速度UAV,1(t)和UAV,2(t)以及前后两束喷雾射流响应时间常数τv,1和τv,2，计算得到前后两束喷雾的有效喷射速度Ueff,1(t)和Ueff,2(t)随时间变化的解析式：

(9)根据燃油密度ρf、喷孔直径dn、环境气体密度ρg及喷射压力和环境气体压力差值ΔP，计算得到第一次喷射的喷雾破碎时间tb：(10)根据燃油密度ρf、环境气体密度ρg和经验系数c，计算得到喷雾锥角θ：(11)根据喷孔直径收缩系数Cd、喷雾截面速度和体积分数分布因子β、有效喷孔直径deq、喷雾锥角θ、第一次喷射的喷雾破碎时间tb的相邻时刻 和 及其对应的有效喷射速度和 计算得到喷雾破碎前的贯穿距增长系数kv：(12)根据喷孔直径收缩系数Cd、喷雾截面速度和体积分数分布因子β、第一次喷射的有效喷射速度Ueff,1(t)、有效喷孔直径deq、喷雾锥角θ、贯穿距增长系数kv、喷雾破碎时间tb和第一次喷射的喷油持续期tj1，计算得到第一次变喷油喷射的喷雾贯穿距Stip,1(t)随时间的变化规律：

(13)引入贯穿强化系数EC，然后根据喷孔直径收缩系数Cd、喷雾截面速度和体积分数分布因子β、有效喷孔直径deq、喷雾锥角θ、第二次喷射的有效喷射速度Ueff,2(t)和喷油持续期tj2以及喷射结束时间t3，计算得到第二次变喷油喷射的喷雾贯穿距Stip,2(t)随时间的变化规律：

(14)通过对比同一时刻下前后两次喷射的喷雾贯穿距Stip,1(t)和Stip,2(t)的大小，来判定多次喷射喷雾前端，选取其中的最大值作为多次喷射总体喷雾贯穿距。

说明书

一种柴油机多次喷射喷雾贯穿距预测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种柴油机预测方法，具体地说是柴油机喷射预测方法。

背景技术

[0002] 多次喷射技术凭借其在节能减排方面的巨大优势，在柴油机上得到了飞速发展。当前该技术喷射次数更多、喷油规律更加灵活，极大地改善了柴油机缸内油气混合过程，并
优化了喷雾燃烧特性，从根源上降低了氮氧化物和碳烟的产生，同时显著提高了燃油利用
率。因此，多次喷射技术对提高柴油机性能、促进其可持续发展意义重大。

[0003] 喷雾贯穿距是常用的衡量柴油机缸内油气混合效果的重要参数，其直接表征着缸内油气的宏观分布，并且可以用来判断喷雾是否碰壁，继而调节相关喷油策略，进一步优化
喷雾混合过程。燃油喷射策略的制定与调节，通常建立在对包括喷雾贯穿距在内的喷雾参
数发展规律的掌握之上。然而由于多次喷射技术在喷油次数和喷油率形状等方面带来的多
样性，喷射条件对喷雾传播的影响以及喷雾与喷雾之间的互相作用显著加强，导致缸内各
个子喷雾的贯穿过程更加复杂，使得掌握喷雾贯穿距的变化规律更加困难。由于多次喷射
的第一次喷射直接喷入缸内环境气体，因此其贯穿特性和单次喷射类似，目前积累的大量
单次喷射喷雾贯穿距变化规律仍然适用于该条件。但是第二次喷射是喷入前一束喷雾场中
而非单纯的环境气体，因此其喷雾贯穿距变化规律与单次喷射截然不同。大量实验研究表
明多次喷射的第一束燃油喷雾通过冷却效应降低了第二束燃油喷雾的蒸发潜能，与此同
时，两者速度场的互相作用以及第一束喷雾残留的较高动量在第二束喷雾的前端形成高速
区，导致第二束喷雾的贯穿速度远高于第一束，因此多次喷射中前后两束燃油喷雾贯穿距
对时间的依赖特性是截然不同的。然而目前尚无有关多次喷射第二束喷雾贯穿距对时间的
依赖特性的研究，所以仍需要确定两者的定量关系以便更加快速准确地预测多次喷射喷雾
贯穿距的变化规律，为柴油机调节喷油策略和优化喷雾混合过程提供理论分析和工程评估
工具。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供适用于任意可变喷油率条件的一种柴油机多次喷射喷雾贯穿距预测方法。

[0005] 本发明的目的是这样实现的：

[0006] 本发明一种柴油机多次喷射喷雾贯穿距预测方法，其特征是：

[0007] (1)第一次喷射在t＝0时刻开始，在t1时刻结束；第二次喷射在t2时刻开始，在t3时刻结束；根据喷油量、喷射持续期、喷油型线等喷射参数和喷孔结构参数，计算得到喷孔出
口处的前后两次喷射速度Uinj,1(t)和Uinj,2(t)随时间t的变化；

[0008] (2)将多次喷射变喷油曲线转化为瞬时稳态射流，根据Uinj,1(t)、Uinj,2(t)，燃油密度ρf和喷孔出口面积Anoz，采用变时间t上限积分方法，计算得到前后两束瞬时稳态射流的
质量平均喷射速度UAV,1(t)、UAV,2(t)：

[0009] (3)根据喷孔直径dn、燃油密度ρf及环境气体密度ρg，计算得到有效喷孔直径deq：

[0010] (4)根据燃油密度ρf、喷孔直径dn、前后两次喷射的质量平均喷射速度UAV,1(t)和UAV,2(t)、燃油粘度μf和燃油表面张力系数σf，计算得到前后两束喷雾的雷诺数Re1和Re2及前
后两束喷雾的韦伯数We1和We2：

[0011] (5)根据喷孔直径dn、前后两束喷雾的雷诺数Re1和Re2、前后两束喷雾的韦伯数We1和We2、燃油粘度μf、环境气体粘度μg、燃油密度ρf及环境气体密度ρg，分别计算得到前后两次
喷射下低速喷射不完全发展喷雾的索特平均直径 和 高速喷射完全发展喷雾的索
特平均直径 和 以及喷雾总体索特平均直径D32,1和D32,2：

[0012] (6)根据燃油密度ρf、前后两次喷射的喷雾总体索特平均直径D32,1和D32,2、前后两次喷射的质量平均喷射速度UAV,1(t)和UAV,2(t)及环境气体粘度μg，计算得到前后两束喷雾
的斯托克斯数St1和St2：

[0013] (7)根据有效喷孔直径deq、前后两次喷射的质量平均喷射速度UAV,1(t)和UAV,2(t)以及前后两束喷雾的斯托克斯数St1和St2，计算得到前后两束喷雾射流响应时间常数τv,1和
τv,2：

[0014] (8)根据前后两次喷射的质量平均喷射速度UAV,1(t)和UAV,2(t)以及前后两束喷雾射流响应时间常数τv,1和τv,2，计算得到前后两束喷雾的有效喷射速度Ueff,1(t)和Ueff,2(t)
随时间变化的解析式：

[0015] (9)根据燃油密度ρf、喷孔直径dn、环境气体密度ρg及喷射压力和环境气体压力差值ΔP，计算得到第一次喷射的喷雾破碎时间tb：

[0016] (10)根据燃油密度ρf、环境气体密度ρg和经验系数c，计算得到喷雾锥角θ：

[0017] (11)根据喷孔直径收缩系数Cd、喷雾截面速度和体积分数分布因子β、有效喷孔直径deq、喷雾锥角θ、第一次喷射的喷雾破碎时间tb的相邻时刻 和 及其对应的有效喷射速
度 和 计算得到喷雾破碎前的贯穿距增长系数kv：

[0018] (12)根据喷孔直径收缩系数Cd、喷雾截面速度和体积分数分布因子β、第一次喷射的有效喷射速度Ueff,1(t)、有效喷孔直径deq、喷雾锥角θ、贯穿距增长系数kv、喷雾破碎时间
tb和第一次喷射的喷油持续期tj1，计算得到第一次变喷油喷射的喷雾贯穿距Stip,1(t)随时
间的变化规律：

[0019] (13)引入贯穿强化系数EC，然后根据喷孔直径收缩系数Cd、喷雾截面速度和体积分数分布因子β、有效喷孔直径deq、喷雾锥角θ、第二次喷射的有效喷射速度Ueff,2(t)和喷油
持续期tj2以及喷射结束时间t3，计算得到第二次变喷油喷射的喷雾贯穿距Stip,2(t)随时间
的变化规律：

[0020]

[0021] (14)通过对比同一时刻下前后两次喷射的喷雾贯穿距Stip,1(t)和Stip,2(t)的大小，来判定多次喷射喷雾前端，选取其中的最大值作为多次喷射总体喷雾贯穿距。

[0022] 本发明的优势在于：本发明通过变喷油率曲线和瞬时稳态射流的转化,采用变时间上限积分计算质量平均喷射速度，使得喷油率变化的影响及时施加到喷雾贯穿距的发展
历程中，提高计算精度；其次，本发明通过斯托克斯数与质量平均速度的关联，使得斯托克
斯数成为一个及时响应喷油率变化的变量，而不是像之前一样取常数，进一步提高了变喷
油条件下喷雾贯穿距的计算精度；然后，本发明通过有效喷射速度与喷雾贯穿距解析模型
的耦合，以解析式方法实现变喷油条件下喷雾贯穿距的计算，显著提高了计算速度；最后，
本发明通过引入贯穿强化系数优化多次喷射喷雾贯穿距对时间的依赖特性以及对多次喷
射喷雾尖端的判定，将该计算方法的适用对象从单次喷射喷雾贯穿距拓展到多次喷射喷雾
贯穿距，扩大了应用范围，同时也提高了多次喷射喷雾贯穿距的计算速度和计算精度，为柴
油机喷雾过程分析提供了更加简单高效的数值研究手段。

附图说明

[0023] 图1为本发明的流程图；

[0024] 图2是多次喷射变喷油曲线及其瞬时稳态射流转化图；

[0025] 图3是喷射压力为120MPa分段喷射的喷射参数；

[0026] 图4是喷射压力为120MPa分段喷射的喷油率曲线及喷雾贯穿距的计算结果与实验数据对比。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

[0028] 结合图1‑4，本发明首先基于有效喷射速度理论和瞬时稳态射流假设，将多次喷射变喷油曲线在任意瞬时等效成具有质量平均喷射速度的稳态射流。然后通过前后两束喷雾
液滴的索特平均直径将其斯托克斯数与其质量平均速度相关联，使得各束喷雾的斯托克斯
数及时响应其喷油率的变化，提高计算精度。接下来利用斯托克斯数计算出前后两束喷雾
的粒子响应时间，并根据孤立液滴理论得到该时刻两束子喷雾尖端的有效喷射速度。最后
将任意瞬时两束子喷雾尖端的有效喷射速度与喷雾贯穿距解析模型耦合，同时引入贯穿强
化系数优化第二次喷射的喷雾贯穿距对时间的依赖特性，并通过判定多次喷射喷雾尖端得
到该时刻的总体喷雾贯穿距。

[0029] 本发明的目的通过以下技术方案实现：

[0030] 步骤1，以图2所示多次喷射变喷油曲线为例，第一次喷射在t＝0时刻开始，在t1时刻结束；第二次喷射在t2时刻开始，在t3时刻结束。根据喷油量、喷射持续期、喷油型线等喷
射参数和喷孔结构参数，计算得到喷孔出口处的前后两次喷射速度Uinj,1(t)和Uinj,2(t)随
时间t的变化；

[0031] 步骤2,采用图2所示例的方法将多次喷射变喷油曲线转化为瞬时稳态射流，根据前后两次喷射速度Uinj,1(t)、Uinj,2(t)，燃油密度ρf和喷孔出口面积Anoz，采用变时间t上限积
分方法，计算得到前后两束瞬时稳态射流的质量平均喷射速度UAV,1(t)、UAV,2(t)：

[0032] 步骤3，根据喷孔直径dn、燃油密度ρf及环境气体密度ρg，计算得到有效喷孔直径deq：

[0033] 步骤4，根据燃油密度ρf、喷孔直径dn、前后两次喷射的质量平均喷射速度UAV,1(t)和UAV,2(t)、燃油粘度μf和燃油表面张力系数σf，计算得到前后两束喷雾的雷诺数Re1和Re2及
前后两束喷雾的韦伯数We1和We2：

[0034] 步骤5，根据喷孔直径dn、前后两束喷雾的雷诺数Re1和Re2、前后两束喷雾的韦伯数We1和We2、燃油粘度μf、环境气体粘度μg、燃油密度ρf及环境气体密度ρg，分别计算得到前后
两次喷射下低速喷射不完全发展喷雾的索特平均直径 和 高速喷射完全发展喷雾
的索特平均直径 和 以及喷雾总体索特平均直径D32,1和D32,2：

[0035] 步骤6，根据燃油密度ρf、前后两次喷射的喷雾总体索特平均直径D32,1和D32,2、前后两次喷射的质量平均喷射速度UAV,1(t)和UAV,2(t)及环境气体粘度μg，计算得到前后两束喷
雾的斯托克斯数St1和St2：

[0036] 步骤7，根据有效喷孔直径deq、前后两次喷射的质量平均喷射速度UAV,1(t)和UAV,2(t)以及前后两束喷雾的斯托克斯数St1和St2，计算得到前后两束喷雾射流响应时间常数
τv,1和τv,2：

[0037] 步骤8，根据前后两次喷射的质量平均喷射速度UAV,1(t)和UAV,2(t)以及前后两束喷雾射流响应时间常数τv,1和τv,2，计算得到前后两束喷雾的有效喷射速度Ueff,1(t)和Ueff,2
(t)随时间变化的解析式：

[0038] 步骤9，根据燃油密度ρf、喷孔直径dn、环境气体密度ρg及喷射压力和环境气体压力差值ΔP，计算得到第一次喷射的喷雾破碎时间tb：

[0039] 步骤10，根据燃油密度ρf、环境气体密度ρg和经验系数c，计算得到喷雾锥角θ：

[0040] 步骤11，根据喷孔直径收缩系数Cd、喷雾截面速度和体积分数分布因子β、有效喷孔直径deq、喷雾锥角θ、第一次喷射的喷雾破碎时间tb的相邻时刻 和 及其对应的有效喷
射速度 和 计算得到喷雾破碎前的贯穿距增长系数kv：

[0041] 步骤12，根据喷孔直径收缩系数Cd、喷雾截面速度和体积分数分布因子β、第一次喷射的有效喷射速度Ueff,1(t)、有效喷孔直径deq、喷雾锥角θ、贯穿距增长系数kv、喷雾破碎
时间tb和第一次喷射的喷油持续期tj1，计算得到第一次变喷油喷射的喷雾贯穿距Stip,1(t)
随时间的变化规律：

[0042]

[0043] 步骤13，引入贯穿强化系数EC,这里EC取值为‑0.02，然后根据喷孔直径收缩系数Cd、喷雾截面速度和体积分数分布因子β、有效喷孔直径deq、喷雾锥角θ、第二次喷射的有效
喷射速度Ueff,2(t)和喷油持续期tj2以及喷射结束时间t3，计算得到第二次变喷油喷射的喷
雾贯穿距Stip,2(t)随时间的变化规律：

[0044]

[0045] 步骤14，通过对比同一时刻下前后两次喷射的喷雾贯穿距Stip,1(t)和Stip,2(t)的大小，来判定多次喷射喷雾前端，选取其中的最大值作为多次喷射总体喷雾贯穿距。