一种船用发动机燃烧过程的建模方法技术

本发明专利技术提供一种新型的船用发动机燃烧过程建模方法，包括：构建热损失模型，计算燃烧过程中向气缸壁、气缸套的传热损失；构建气缸容积模型，计算燃烧过程缸内容积变化与曲轴转角的关系；构建燃料喷射模型，计算燃烧过程中每循环向缸内注射的燃料质量；构建化学机理模型，计算由于化学反应导致的缸内工质摩尔浓度变化；构建物质浓度模型，计算总的缸内工质摩尔浓度变化；构建温度/压力模型，计算燃烧过程缸内的温度和压力。本发明专利技术所建立的燃烧过程模型可以准确的预测发动机燃烧过程的缸内温度和压力变化情况，为研究发动机的燃烧提供了一个有力工具。个有力工具。个有力工具。

【技术实现步骤摘要】
一种船用发动机燃烧过程的建模方法


[0001]本专利技术涉及建模
，具体而言，尤其涉及一种船用发动机燃烧过程的建模方法。

技术介绍

[0002]发动机缸内的燃烧过程不仅决定发动机的经济性和动力性的好坏，还对排放指标起着决定性的作用。由于燃烧过程的复杂性，长期以来，发动机缸内燃烧过程多是采用设计+试验的方法，这种方法不仅需要耗费大量的人力、时间、经济的成本，还会受到实验室的条件和测试精度的影响。
[0003]船用发动机作为船舶的动力来源，是船舶航行的关键保障，对于船用发动机缸内燃烧过程的研究一直是船舶行业的重要研究课题。随着计算机仿真技术的发展，并且计算流体力学、工程热力学、化学动力学的研究深入，采用数值模拟发动机缸内燃烧过程的方法成为这类研究的重要手段。
[0004]发动机燃烧过程模型分为零维、一维、准维和多维模型，其中零维模型，将缸内和进排气管路视为一个或若干个均质区域，简化工作过程，但是依旧保留了一定程度的物理化学过程细节，可较为准确地实现燃烧过程的仿真。

技术实现思路

[0005]根据上述
技术介绍
提出的技术问题，而提供一种船用发动机燃烧过程的建模方法。本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种船用发动机燃烧过程的建模方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：构建热损失模型；计算燃烧过程中向气缸壁、气缸套的传热损失；并将热损失计算量传递到温度压力模型中；
[0008]步骤二：构建气缸容积模型；计算燃烧过程缸内容积变化与曲轴转角的关系；并将容积变化与曲轴转角变化传递到温度压力模型中；
[0009]步骤三：构建燃料喷射模型；计算燃烧过程中每循环向缸内注射的燃料质量；并将燃料注射计算量传递到温度压力模型中；
[0010]步骤四：构建化学机理模型；计算由于化学反应导致的缸内工质摩尔浓度变化；并将由于化学反应导致的缸内工质摩尔浓度变化量传递到物质浓度模型中；
[0011]步骤五：构建物质浓度模型；计算总的缸内工质摩尔浓度变化；并将总的缸内工质摩尔浓度变化量注入到温度压力模型中；
[0012]步骤六：构建温度/压力模型；根据步骤一至五所提供的参数，构建缸内温度/压力模型计算燃烧过程缸内的温度和压力。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0013]本专利技术提供一种新型的船用柴油机燃烧过程仿真建模方法，研究对象是船用柴油机燃烧过程即进气阀关闭到排气阀开启的阶段，所提出的模型已经在matlab/simulink中搭建完成，并且根据试验数据完成校准工作，验证了模型的可用性。根据模型输出的缸内温
度和缸内压力曲线，可以准确的预测燃烧过程中缸内温度、压力变化情况，可以作为研究发动机燃烧过程的一个有力工具。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1为本专利技术燃烧过程模型结构图。
[0016]图2为本专利技术热损失simulink模型示意图。
[0017]图3为本专利技术气缸容积simulink模型示意图。
[0018]图4为本专利技术燃料喷射simulink模型示意图。
[0019]图5为本专利技术化学机理simulink模型示意图。
[0020]图6为本专利技术物质浓度simulink模型示意图。
[0021]图7为本专利技术温度/压力simulink模型示意图。
[0022]图8为本专利技术缸内温度曲线图。
[0023]图9为本专利技术缸内压力曲线图。
[0024]图10为本专利技术爆发压力误差图。
具体实施方式
[0025]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0026]需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0027]如图1所示，本专利技术提供了一种基于两步化学动力学反应机理的燃烧过程模型的建模方法，所使用的仿真软件为matlab/simulink，包括以下步骤：
[0028]步骤一：构建热损失模型；计算燃烧过程中向气缸壁、气缸套的传热损失；并将热损失计算量传递到温度压力模型中
[0029]步骤二：构建气缸容积模型；计算燃烧过程缸内容积变化与曲轴转角的关系；并将容积变化与曲轴转角变化传递到温度压力模型中；
[0030]步骤三：构建燃料喷射模型；计算燃烧过程中每循环向缸内注射的燃料质量；并将
燃料注射计算量传递到温度压力模型中；
[0031]步骤四：构建化学机理模型；计算由于化学反应导致的缸内工质摩尔浓度变化；并将由于化学反应导致的缸内工质摩尔浓度变化量传递到物质浓度模型中；
[0032]步骤五：构建物质浓度模型；计算总的缸内工质摩尔浓度变化；并将总的缸内工质摩尔浓度变化量注入到温度压力模型中；
[0033]步骤六：构建温度/压力模型；根据步骤一至五所提供的参数，构建缸内温度/压力模型计算燃烧过程缸内的温度和压力。
[0034]由于燃烧过程是十分复杂的，所以要进行一定的假设，所述假设如下：
[0035]缸内的所有工质组分都为理想气体，这使得气体性质可由温度和成分决定；忽略气体的动能、势能，气体均匀的分布在每个区域；缸内工质所含工质为C7H
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、O2、H2O、CO、CO2、N2。
[0036]如图2所示为根据Woschni方程所搭建的热损失模型，该模型为温度/压力模型提供放热损失量Q
w
，所述Woschni方程为：
[0037][0038]其中，表示瞬时热损失，i＝1,2,3分别代表汽缸盖、活塞头顶部和气缸壁，α
w
为热传导系数，A
w,i
代表汽缸盖、活塞头顶部和气缸壁的面积，T
z
为缸内温度，T
w,i
代表热传导的平均温度视为定值。
[0039]如图3所示为根据几何原理搭建的气缸容积模型，该本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船用发动机燃烧过程的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：构建热损失模型；计算燃烧过程中向气缸壁、气缸套的传热损失；并将热损失计算量传递到温度压力模型中；步骤二：构建气缸容积模型；计算燃烧过程缸内容积变化与曲轴转角的关系；并将容积变化与曲轴转角变化传递到温度压力模型中；步骤三：构建燃料喷射模型；计算燃烧过程中每循环向缸内注射的燃料质量；并将燃料注射计算量传递到温度压力模型中；步骤四：构建化学机理模型；计算由于化学反应导致的缸内工质摩尔浓度变化；并将由于化学反应导致的缸内工质摩尔浓度变化量传递到物质浓度模型中；步骤五：构建物质浓度模型；计算总的缸内工质摩尔浓度变化；并将总的缸内工质摩尔浓度变化量注入到温度压力模型中；步骤六：构建温度/压力模型；根据步骤一至五所提供的参数，构建缸内温度/压力模型计算燃烧过程缸内的温度和压力。2.根据权利要求1所述的一种船用发动机燃烧过程的建模方法，其特征在于，所述热损失模型根据Woschni方程所搭建；所述热损失模型为温度/压力模型提供放热损失量Q
w
，所述Woschni方程为：其中，表示瞬时热损失；i＝1,2,3分别表示汽缸盖、活塞头顶部和气缸壁；α
w
表示热传导系数，A
w,i
表示汽缸盖、活塞头顶部和气缸壁的面积，T
z
表示缸内温度，T
w,i
表示热传导的平均温度视为定值。3.根据权利要求1所述的一种船用发动机燃烧过程的建模方法，其特征在于，所述气缸容积模型为温度/压力模型、物质浓度模型提供缸内容积值V及容积变化微分dV。4.根据权利要求1所述的一种船用发动机燃烧过程的建模方法，其特征在于，所述燃料喷射模型为温度/压力模型、物质浓度模型提供燃烧过程的燃料质量m
inj
。5.根据权利要求1所述的一种船用发动机燃烧过程的建模方法，其特征在于，所述化学机理模型为物质浓度模型提供缸内工质摩尔浓度变化率，所述两步化学机理如下：C7H
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【专利技术属性】
技术研发人员：曾鸿，孔维奇，韩冰，谢斐，陆昊，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：