[发明专利]一种船用柴油机基于现象学过程的放热率快速预测方法

权利要求书

1.一种船用柴油机基于现象学过程的放热率快速预测方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：根据柴油机几何参数与工况参数确定边界条件与初始条件，将整个柴油机工作过程从压缩开始到燃烧结束划分为许多小的计算步长，并采用能量守恒方程式计算从压缩到喷油开始每个曲轴转角步长的缸内温度变化

式中为一个步长内的缸内传热量，为工质所作体积功，m为工质质量，c_v1为工质比热容。

依照上式，根据初始条件的温度T₁求解出第一个步长终点的温度T₂，将T₂作为下一步长的初始温度迭代计算，得到压缩至喷油开始时刻各步长的温度。已知各步长温度，由理想气体状态方程pV＝RT可以得到相应各步长的压力p。

步骤2：喷油开始后，采用下式计算各个时间步长内的喷雾贯穿距S、空气卷吸率m_a：

式中，Δp_inj为喷油压力与缸内压力之差，ρ_g为缸内工质密度，t为从喷油开始到该计算步长为止的时间，d_noz为喷孔直径，T为缸内温度，m_f为喷油质量流量。

步骤3：计算步骤2中喷雾的发展带来的缸内湍动能k的变化：

式中M代表喷雾区的总质量，u_j为喷孔出口速度，∈为湍能耗散率，采用如下公式计算：

式中，L_j为缸内湍能尺度，用下式计算：

式中，ρ_f为燃油密度。

步骤4：计算每一步长内喷雾的蒸发率，只有蒸发的喷雾才能参与最终燃烧：

式中，r_a为单位质量燃油的吸热速率，p为缸内压力，r_v为燃油蒸发速率，m_liq为当前步长内液态燃油的质量，E为单位质量燃油蒸发所需的热量。

步骤5：采用如下公式计算滞燃期τ_i：

式中，S_p为当前工况的活塞平均速度，R为气体常数，E_a为燃油的活化能，可通过下式计算：

E_a＝618840/(CN+25)

式中，CN为燃油的辛烷值。

步骤6：计算步骤4中蒸发燃油的燃烧速率，计算过程如下采用层流-湍流特征时间模型：

式中，x代表燃油的质量分数，τ_c是燃烧的特征时间。特征时间τ_c由层流特征时间τ_l与湍流特征时间τ_t以及延迟系数f组成：

τ_c＝τ_l+fτ_t

式中层流特征时间τ_l采用下式计算：

其中A为标定系数，[Fuel]为燃油摩尔浓度分数，[O₂]为氧气摩尔浓度分数。

湍流特征时间τ_t则是根据步骤3中所计算的湍动能k与湍能耗散率∈计算：

τ_t＝0.1k/∈

延迟系数f的计算公式为：

式中，r是所有燃烧产物的质量与所有反应物质量的比值，表示为：

步骤7：根据步骤6中所计算的燃烧速率，可计算出缸内整体的放热率dQ/dt：

式中，LHV是燃料的低热值，N_noz是柴油机喷油器上喷孔的数目。