李向榮，陳彥林，趙陸明，劉福水

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提高柴油機燃燒過程仿真計算精度的標定方法

李向榮，陳彥林，趙陸明，劉福水

（北京理工大學機械與車輛學院，北京100081）

為提高柴油機燃燒過程仿真計算精度，該文提出了新的仿真模型標定方法：首先對仿真計算的噴霧液相貫穿距、總的噴霧貫穿距（含氣相）和噴霧形態(tài)進行試驗驗證；然后基于噴霧過程標定結果，選擇合適的燃燒模型，對仿真計算的缸壓和放熱率曲線進行試驗驗證。按照上述方法應用Fire軟件研究了WAVE破碎模型、Dukowicz蒸發(fā)模型和ECFM-3Z燃燒模型相關參數(shù)對計算結果的影響，分別利用噴霧自由射流和單缸柴油機試驗結果標定了噴霧和燃燒模型，并與僅利用缸壓和放熱率曲線標定仿真模型的傳統(tǒng)方法進行了比較。結果表明：僅利用缸壓和放熱率曲線標定仿真模型的方法不能保證噴霧過程模擬的準確性，后續(xù)燃燒、排放模擬的準確性亦不能保證；采用新提出的仿真模型標定方法，能準確模擬單次和分段噴射條件下柴油機的缸內(nèi)噴霧和燃燒過程，拓寬了應用范圍，提高了仿真計算精度。

柴油機；模型；燃燒；噴霧；仿真；校核驗證

0 引 言

柴油機的燃燒過程本質(zhì)上受燃油噴霧動力學控制，噴霧破碎、蒸發(fā)以及缸內(nèi)混合氣的分布和發(fā)展直接影響燃燒放熱過程[1]?，F(xiàn)今的柴油機工作過程研究中，CFD仿真計算已經(jīng)成為設計開發(fā)、性能預測最簡潔高效的方法之一。在仿真計算中，模型的準確性是一切后續(xù)研究的基礎，為了減小誤差和不確定性，將校核與驗證（V&V）準則滲透到CFD仿真計算中是十分必要的。

柴油機噴霧、燃燒過程是一個多尺度、多學科的過程，其中湍流、多相流動、噴霧物理學和化學動力學相耦合的特點導致了CFD仿真的復雜性，而運動網(wǎng)格對活塞等移動表面的模擬進一步深化了仿真的復雜度。因此，柴油機噴霧、燃燒模型的發(fā)展和校核需要不斷完善。國外學者對柴油機噴霧和燃燒模型展開了大量研究，在噴霧模型方面，提出了KH-ACT模型[2]、WAVE-MTAB模型[3]、瞬態(tài)噴霧破碎模型[4]、組合噴霧模型[5]、分階段噴霧混合模型[6]等新的噴霧模型，在一定程度上提高了仿真計算與試驗的一致性；在燃燒模型方面，除傳統(tǒng)的EBU模型外，CTC模型[7]、ECFM模型[8]、ECFM-3Z[9]等燃燒模型也逐漸被應用到柴油機燃燒過程仿真中。

在柴油機缸內(nèi)燃燒過程模擬中，噴霧、燃燒模型的恰當選取和相應參數(shù)的準確設置是保證仿真計算精度的前提。研究表明，AVL Fire中Wave模型適用于柴油機噴霧計算，其中可調(diào)參數(shù)2對仿真結果影響最大；EBU燃燒模型中，可調(diào)參數(shù)影響湍流燃燒的強度。國內(nèi)學者針對模型參數(shù)2和進行了大量研究：北京理工大學的學者們依據(jù)噴霧特性試驗結果，通過2分段設置[10]和2函數(shù)計算[11]等方法進行WAVE模型標定，提高了噴霧過程的仿真計算精度；高榮剛等[12]針對WAVE模型參數(shù)2和EBU模型參數(shù)對柴油機仿真模型進行了缸壓曲線的標定；尤國棟等[13]進一步研究了模型參數(shù)2、對缸壓和放熱率曲線計算結果的影響，并利用單缸機試驗結果標定了仿真模型，準確模擬了該柴油機3 600 r/min全負荷工況下的燃燒過程。

然而，在模擬柴油機燃燒過程中，對仿真計算模型的標定缺乏較為有力的驗證方法，關于提高柴油機燃燒過程仿真計算精度方面的研究也鮮有報道，未受到足夠重視。一方面，缸內(nèi)混合氣分布和燃燒過程是決定燃燒與排放性能的關鍵，但大多數(shù)仿真研究的標定僅從燃燒角度比較了仿真與試驗的缸壓和放熱率曲線結果[14-18]，而缸內(nèi)噴霧的發(fā)展和油氣分布無法得到有效驗證。另一方面，國內(nèi)大多數(shù)柴油機燃燒過程仿真一直沿用EBU燃燒模型[19-20]，對其它燃燒模型鮮有研究，但EBU模型從理論假設上決定了其僅適用于燃油單次噴射的局限性，而對于分段噴射并不適用。為了提高柴油機燃燒過程仿真的計算精度，以及不同噴射條件下仿真模型的普適性，本文圍繞以上2點提出了新的仿真模型標定方法。

1 試驗系統(tǒng)與工況設置

1.1 噴霧試驗

試驗系統(tǒng)包括定容燃燒彈、容彈溫度-壓力控制單元、紋影光路系統(tǒng)、高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)等，如圖1所示。其中，定容燃燒彈由噴油器、容彈本體、石英視窗、冷卻管路、進排氣管道和各傳感器構成，四周均勻布置4個100 mm直徑的石英視窗，內(nèi)部空間為圓柱形，直徑310 mm、高度470 mm，上面120 mm高度為噴油空間，下面空間布置電熱絲，用于構建高溫背景環(huán)境。定容燃燒彈最高加壓6 MPa，最高加溫1 000 K。使用Phantom v7.3高速攝像機進行拍攝，拍攝速度10 000 fps，單幀像素512×512，曝光時間0.1 ms。試驗拍攝結合高速攝影和紋影法進行，高速攝影獲取液相燃油分布，紋影法獲取總的燃油分布（含氣相），并應用Matlab程序對圖片信息進行處理和提取。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，調(diào)整容彈內(nèi)的壓力，使容彈內(nèi)背景密度始終保持為25.3 kg/m3，背景溫度設定為800 K，與實際柴油機噴油時刻的背景條件接近。為了防止高溫下燃油著火影響拍攝，背景氣體選用N2。噴霧試驗控制參數(shù)如表1所示。

表1 噴霧試驗參數(shù)

1.2 單缸機試驗

柴油機單次和分段噴射試驗在圖2所示的1 132Z單缸柴油機臺架上完成。試驗系統(tǒng)包括單缸柴油機、電力測功機、數(shù)據(jù)采集及燃燒分析系統(tǒng)、高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、模擬增壓系統(tǒng)、恒溫冷卻系統(tǒng)以及相關輔助設備和管路。單缸機主要結構參數(shù)見表2，試驗工況見表3，其中軌壓、單孔循環(huán)噴油量均與噴霧試驗一致；壓縮終了進氣溫度、壓力分別為828 K、6.08 MPa，與噴霧試驗背景參數(shù)接近。

表2 單缸機主要結構參數(shù)

表3 單缸機試驗工況

2 仿真計算網(wǎng)格

2.1 噴霧過程

在Fire中建立了燃油噴射的計算模型，如圖3所示，模型為40 mm×40 mm×120 mm的長方體，既保證將噴霧完全包含在計算域內(nèi)，又節(jié)省計算資源，相關參數(shù)設置依據(jù)表1設定。噴孔位置在上表面中心下10 mm處，噴油器為單孔，噴射方向垂直向下。研究發(fā)現(xiàn)，計算網(wǎng)格存在一個合理的尺寸范圍，并非越密越好，相反進一步細化網(wǎng)格既增加了計算時間，還會降低仿真計算精度，甚至導致結果錯誤[21]。本文經(jīng)過試算，選取了精度較好、用時較短的折中方案，設置噴孔周向網(wǎng)格尺寸為6倍噴孔直徑1.32 mm，縱橫比為1，軸向網(wǎng)格尺寸為4 mm，模型網(wǎng)格數(shù)為25 230個。圖4為計算中輸入的噴油速率曲線，由EFS8246單次噴射儀測量得到。

圖3 噴霧模型

圖4 噴油速率曲線

2.2 燃燒過程

1132Z單缸柴油機所用噴油器為7孔噴油器，噴孔周向均勻分布，且所用雙卷流燃燒室關于氣缸軸向對稱，故Fire中只建立了單孔對應的1/7燃燒室模型，如圖5所示，仿真工況依據(jù)表3設定。為節(jié)省計算資源，不考慮換氣過程，計算區(qū)間為進氣門關閉到排氣門開啟（239～436 ℃A）。缸內(nèi)初始壓力為0.228 MPa，初始溫度為420 K，渦流比為0；缸蓋底部、缸套和活塞頂部溫度分別為450、470、553 K。該網(wǎng)格模型為動網(wǎng)格：燃燒室的內(nèi)部網(wǎng)格保持不變，跟隨活塞運動；燃燒室頂部與氣缸之間的網(wǎng)格隨活塞的上行和下行成比例進行壓縮和拉伸，網(wǎng)格數(shù)相應變化。下止點時刻模型網(wǎng)格數(shù)為22 770個，上止點時刻模型網(wǎng)格數(shù)為11 370個，網(wǎng)格尺寸約為1 mm。

3 計算模型的選取

湍流模型選用了標準-雙方程湍流模型。該模型屬于渦粘性—耗散模型，是目前研究較成熟的一種湍流封閉模型，能較為完善地模擬缸內(nèi)三維流動現(xiàn)象，且具有計算穩(wěn)定性高和對計算資源要求低的特點。

破碎模型選用標準WAVE破碎模型。模型假設初始噴射油滴與噴孔直徑的尺寸相同，認為液體射流破碎由氣液相間的相對速度造成，射流表面的KH不穩(wěn)定波增長導致液滴從射流表面剝落，適用于較高相對速度和較高環(huán)境密度下的液滴破碎過程[22]。孫柏剛[23]在噴霧破碎模型選擇及應用方面做了大量研究，研究結果表明利用Fire進行噴霧模擬，尤其是高壓噴射，使用WAVE模型的仿真計算效果相對其他幾種模型較好，且該模型可調(diào)參數(shù)不多，結果可靠。

蒸發(fā)模型選用Dukowicz模型。模型認為傳熱過程與傳質(zhì)過程完全相似，并假定Lewis數(shù)（熱擴散系數(shù)與質(zhì)擴散系數(shù)的比值）為1，采用1/2法計算油蒸汽物性參數(shù)的對應溫度，即當?shù)亓黧w溫度和液滴表面溫度和的1/2。

湍流擴散模型使用缺省設置；粒子相互作用模型選用計算效率較高的Schmidt模型；碰壁模型選用以Naber和Reitz的噴霧/壁面撞擊模型[24]為基礎的適用于熱壁面且使用較普遍的Walljet 1模型。

燃燒模型選用ECFM-3Z模型，并以常用EBU模型的計算結果作為參照。ECFM-3Z模型是在ECFM模型基礎上提出的適用于柴油機的相關火焰模型[25]，模型主要基于火焰面密度輸運方程和混合模型，使用一個湍流混合模型來描述油蒸汽與空氣混合，適合描述非均質(zhì)的湍流預混和擴散燃燒[26]。

4 噴霧模型標定

4.1 破碎模型參數(shù)對液相噴霧的影響

在模擬噴霧過程時，WAVE破碎模型中修正特征分裂時間的參數(shù)2對計算結果影響最大，取值范圍為5～60。圖6所示為不同2取值對應的噴霧液相貫穿距的發(fā)展，從圖中可以看出，由于2與液滴破碎時間成正比，2小則破碎時間短，所以當2=5和2=10時，液相貫穿距較小；當2從10增大到20，液相貫穿距明顯增大；當2繼續(xù)增大，液相貫穿距幾乎不再增加，可知2大于20時其取值的變化對液相貫穿距影響較小。

4.2 蒸發(fā)模型參數(shù)對噴霧的影響

Dukowicz蒸發(fā)模型中的可調(diào)參數(shù)為傳熱系數(shù)因子1和傳質(zhì)系數(shù)因子2，1、2的缺省值為1。圖7為1、2對噴霧液相貫穿距的影響。由圖7可知，噴霧初期（<0.4 ms），1、2的變化對液相貫穿距影響很小，因為此時液相貫穿距主要受噴油壓力的影響；當>0.4 ms后，1、2的增加均會使噴霧液相貫穿距有所減小，這是由于蒸發(fā)作用增強使噴霧前端燃油氣化加快。

表4為1、2對總的噴霧貫穿距（含氣相部分）的影響，其中燃油分布用燃空當量比（equivalence ratio）表征。從表中可以看出，隨著1增加，總的噴霧貫穿距減小，這是由于傳熱作用的增強使噴霧前端的液滴蒸發(fā)加快，液相貫穿距減??；隨著2增加，總的噴霧貫穿距增大，因為傳質(zhì)能力的增強加快了燃油擴散速度。

表4 Dukowicz模型參數(shù)E1、E2對總的噴霧貫穿距的影響

4.3 噴霧過程標定結果

根據(jù)4.1和4.2中的規(guī)律，調(diào)整WAVE模型參數(shù)2和Dukowicz蒸發(fā)模型參數(shù)1、2的取值，對噴霧過程進行標定，選取了合理的取值組合：2=5、1=1、2=0.5。圖8為噴霧液相貫穿距和總的噴霧貫穿距（含氣相）標定結果，圖9為不同噴霧發(fā)展時間下總的噴霧形態(tài)（含氣相）的試驗與仿真計算結果對比。從圖中可以看出，仿真和試驗的總的噴霧貫穿距（含氣相）相對偏差小于5%，同時仿真計算的液相貫穿距和總的噴霧貫穿距曲線形態(tài)，以及不同時刻下總的噴霧形態(tài)均與試驗結果吻合較好。因此，利用噴霧液相貫穿距、總的噴霧貫穿距和總的噴霧形態(tài)進行噴霧過程標定可為后續(xù)燃燒模型的標定奠定基礎，提高燃燒過程的仿真計算精度。

a. 液相貫穿距

a. Liquid penetration

5 燃燒模型標定

由于單缸機試驗的軌壓、單孔循環(huán)噴油量均與噴霧試驗一致；壓縮終了進氣溫度、壓力也與噴霧試驗背景參數(shù)接近，可將以上噴霧模型標定結果應用于雙卷流燃燒室網(wǎng)格模型中，并在此基礎上利用1132Z單缸柴油機在相應工況下的缸壓和瞬時放熱率實測結果對燃燒模型進行標定。

5.1 EBU模型標定結果

首先選取常用的EBU模型，分別在單次和分段噴射下進行了標定。通過調(diào)整可調(diào)參數(shù)，確定最佳取值=3，標定結果如圖10所示。從圖中可以看出，單次噴射下的仿真與試驗結果較為吻合，缸壓最大偏差為2.1%，但分段噴射下仿真計算結果未能準確模擬預噴燃燒階段的放熱過程，導致預噴和主噴燃油燃燒階段的放熱率曲線形態(tài)和峰值均與試驗結果相差較大，同時缸壓最大偏差超過5%，缸壓曲線形態(tài)也有明顯偏差，表明EBU模型不能準確模擬燃油分段噴射下的燃燒過程。

理論上，廣義EBU模型假設化學反應的時間尺度遠小于湍流時間尺度，可忽略化學反應動力學的影響。但對分段噴射而言，尤其是預噴較早的條件下，缸內(nèi)預噴射燃油與空氣的混合時間較長，該階段燃燒主要受控于化學反應動力學，所以EBU模型不能準確模擬此階段的燃燒放熱過程，而預噴燃燒的模擬不準確會使主噴階段的燃燒預測偏離實際情況。因此，EBU模型對于分段噴射條件下的計算并不適用。

5.2 ECFM-3Z模型仿真研究

基于5.1的研究結果，選取新的ECFM-3Z燃燒模型進行研究。探索了著火模型的選取，研究了相關可調(diào)參數(shù)對燃油單次噴射計算結果的影響規(guī)律，在此基礎上完成了不同噴射條件下的燃燒過程標定。

ECFM-3Z模型在式（1）所示的火焰表面密度傳輸方程[27]基礎上，增加了湍流混合模型，將網(wǎng)格計算區(qū)域劃分為3個區(qū)進行混合描述，可用于非均質(zhì)湍流預混和擴散燃燒。

a. 單次噴射

a. Single injection

b. 預噴比例10%，主預噴間隔角20°CA

b. Pilot injection ratio 10%, 20 °CA dwell between pilot and main injection pulses

c. 預噴比例10%，主預噴間隔角40 °CA

c. Pilot injection ratio 10%, 40 °CA dwell between pilot and main injection pulses

圖11為ECFM-3Z模型示意圖，每個網(wǎng)格劃分為空氣區(qū)A（含空氣、EGR氣體）、燃料區(qū)F和油氣混合區(qū)M（含燃料、空氣和EGR氣體），燃燒在M區(qū)進行，各區(qū)分別又細分為已燃區(qū)（下標b）和未燃區(qū)（下標ub），已燃區(qū)中為擴散火焰，向未燃區(qū)傳播的火焰為預混火焰[28]。未噴燃油時，缸內(nèi)為未燃空氣區(qū)（Aub），無F和M區(qū)；隨著燃油噴入，形成未燃燃油區(qū)（Fub），隨后燃油霧化蒸發(fā)，并與空氣進行湍流混合，未燃混合氣區(qū)（Mub）形成；Mub區(qū)一出現(xiàn)，混合氣燃燒的濃度條件已具備，該區(qū)隨即進行著火延遲計算；混合氣發(fā)生自燃后，已燃混合氣區(qū)Mb形成，已燃空氣區(qū)Ab區(qū)中的氧氣以湍流混合方式進入燃燒區(qū)，然后在Mb區(qū)進行焰后化學動力學計算（剩余燃油的繼續(xù)氧化）。

ECFM-3Z模型中提供了3種著火模型：Formula模型—用Arrhenius經(jīng)驗公式計算著火延遲期；Table模型—在求解器中以表格形式設置正庚烷的著火反應機理，計算時程序自動根據(jù)當?shù)貭顟B(tài)條件進行插值；Two-stage模型—類似Table模型，且能考慮冷、熱焰階段著火過程。此外，ECFM-3Z模型中有4個可調(diào)參數(shù):Auto-ignition model parameter (Amp)，影響從著火模型表格中讀取滯燃期所對應的溫度，數(shù)值增大會減小滯燃期；Mixing model parameter (Mmp)，影響空氣和燃油向M區(qū)擴散的速度；Extinction temperature (Et)，火焰的熄滅溫度；Chemical reaction time (Crt)，影響燃油的化學反應速率。Amp，Mmp，Et和Crt的缺省值分別為1，1，200 K和10 000。在擴散燃燒中，假設化學反應很快而擴散卻很慢，燃燒受擴散過程控制，燃燒速度主要受油氣混合速度影響，而幾乎不受燃油的化學反應速率的影響，因此，在以擴散燃燒為主的柴油機燃燒過程中，Crt對計算結果影響極小，無需進行調(diào)整，可直接取缺省值。

圖12a、12b分別為預噴比例10%，主預噴間隔30 ℃A和60 ℃A時激活各著火模型并調(diào)整其它模型參數(shù)為最佳值后的仿真計算結果。從圖中可以看出，著火模型不但影響燃燒放熱始點和預噴燃油燃燒的放熱率，還影響主噴階段的燃燒放熱過程。選用Formula模型時，對預噴階段燃燒過程的預測偏差較大，缸壓和放熱率明顯高于試驗結果；選用Table模型的計算結果在主預噴間隔30 ℃A工況下比較接近試驗結果，但在較大主預噴間隔60 ℃A時，對主噴階段燃燒放熱率的模擬偏差較大；選用Two-stage模型時，2種主預噴間隔下的缸壓曲線、著火時刻和整個燃燒放熱過程均與試驗結果吻合。因此，確定著火模型為Two-stage模型。

a. 主預噴間隔角30 ℃A

a. 30 ℃A dwell between pilot and main injection pulses

圖13a為Amp對缸壓和瞬時放熱率曲線的影響。從圖中可以看出，當Amp較小時，缸壓曲線脫離壓縮線較晚，說明燃油滯燃期較長，Amp為0.5時尤為明顯；當Amp大于2時，缸壓曲線隨Amp的變化很小。從放熱率曲線可以看出，Amp取值對擴散燃燒段的影響很小，主要影響燃燒過程的著火時刻，Amp越大，滯燃期越小，著火時刻越早；當Amp增大到2以后，Amp取值對放熱率曲線的影響很小，表明Amp的有效取值應為Amp≤2。

圖13b為Mmp對缸壓和瞬時放熱率曲線的影響。Mmp主要影響燃油向混合區(qū)的傳輸速度，因此會影響整個燃燒過程。從圖中可以看出，隨著Mmp增加，滯燃期增加，速燃期預混燃燒放熱率相對增加、峰值增大，擴散燃燒起始點推遲，擴散燃燒段放熱速率增加，所以最高燃燒壓力增大。從圖中可知，當Mmp=0.5時，由于燃油傳輸速度過慢，瞬時放熱率曲線發(fā)生畸變，缸壓整體偏低；Mmp從0.5增大到2時，曲線整體變化較大；當Mmp大于2以后，曲線整體變化并不明顯，表明Mmp的有效取值應為0.5≤Mmp≤2。

圖13c為Et對缸壓和瞬時放熱率曲線的影響。從圖中可以看出，Et對整個缸壓曲線的影響并不明顯，但最高燃燒壓力隨Et的降低有所增大。根據(jù)放熱率曲線可以看出，Et的改變不影響著火時刻，因此也不影響速燃期內(nèi)的燃燒放熱率；在擴散燃燒段，隨著Et降低，后期放熱速率變化不大，但前期放熱率加快，這是由于Et降低更有利于燃油完全釋放熱量。

a. Amp

b. Mmp

5.3 燃燒過程標定結果

首先基于傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)2和燃燒模型參數(shù)對缸壓和放熱率曲線進行標定的方法，對單次噴射條件下的仿真模型進行了標定，各模型參數(shù)取值為：2=20，1=1，2=1，Amp=1.6，Mmp=0.7，Et=1 500 K，Crt=10 000，標定結果如圖14所示。由圖14a可知，仿真計算的缸壓和放熱率曲線均與試驗結果吻合較好，缸壓最大偏差小于2%。圖14 b、14 c為仿真與試驗的噴霧貫穿距對比結果，結果顯示，仿真計算的液相貫穿距和總的噴霧貫穿距與試驗結果相差較大，最大相對偏差分別達到了56%和17.3%，表明使用傳統(tǒng)方法僅標定缸壓和放熱率的仿真模型未能模擬真實的噴霧發(fā)展過程，而燃油分布模擬不準確，缸內(nèi)溫度分布、燃燒產(chǎn)物等模擬亦不準確。

a. 缸壓和瞬時放熱率

a. In-cylinder pressure and heat release rate

b. 液相貫穿距

b. Liquid penetration

然后，基于4.3節(jié)中的噴霧過程標定結果，并根據(jù)5.2節(jié)中的研究，選用Two-stage著火模型，取Crt=10 000，調(diào)整Amp、Mmp和Et取值組合，最終確定ECFM-3Z燃燒模型標定結果為：Amp=1，Mmp=1，Et=1 500 K，Crt=10 000。圖15為不同燃油噴射條件下基于噴霧過程標定的缸壓和瞬時放熱率曲線標定結果，從圖中可以看出，無論是燃油單次噴射還是分段噴射，各仿真工況對應的缸壓和瞬時放熱率曲線均與試驗結果吻合較好，缸壓最大偏差小于2%。所以相比于EBU燃燒模型，選用ECFM-3Z燃燒模型能準確模擬柴油機單次噴射和分段噴射下的燃燒過程，而且仿真計算精度也明顯提高。結合4.3中的結果可知，基于噴霧過程標定結果對燃燒過程進行標定的仿真模型標定方法，可以同時準確模擬柴油機噴霧和燃燒過程，提高了柴油機燃燒過程仿真計算結果的精度。

a. 單次噴射

a. Single injection

b. 預噴比例10%，主預噴間隔角20 ℃A

b. Pilot injection ratio 10%, 20 ℃A dwell between pilot and main injection pulses

c. 預噴比例10%，主預噴間隔角40 ℃A

c. Pilot injection ratio 10%, 40 ℃A dwell between pilot and main injection pulses

6 結 論

本文研究了噴霧和燃燒模型參數(shù)對仿真結果的影響，分析了常用EBU燃燒模型在柴油機工作過程仿真中的局限性，并對WAVE破碎模型、Dukowicz蒸發(fā)模型和ECFM-3Z燃燒模型進行了標定，提出了新的仿真模型標定方法以提高柴油機燃燒過程仿真計算精度，并與僅驗證缸壓和放熱率曲線的傳統(tǒng)標定方法進行了比較，主要結論如下：

1）EBU燃燒模型適用于燃油單次噴射的仿真計算，但因其不能準確模擬分段噴射下預噴燃燒過程，所以對分段噴射整個燃燒過程的計算偏差較大，而ECFM-3Z燃燒模型普遍適用于燃油單次和分段噴射的仿真計算，且仿真計算精度更高。

2）在柴油機仿真模型標定過程中，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)2和燃燒模型參數(shù)對缸壓和放熱率曲線進行標定的方法，不能保證噴霧過程模擬的準確性，后續(xù)燃燒、排放模擬的準確性亦不能保證；對仿真計算的噴霧液相貫穿距、總的噴霧貫穿距（含氣相）和噴霧形態(tài)進行噴霧試驗驗證，然后基于噴霧過程標定結果選擇合適的燃燒模型對缸壓和放熱率曲線的計算結果進行實機試驗驗證，可以準確模擬柴油機噴霧和燃燒過程，提高仿真計算精度。

[1] Mohan B, Yang W, Chou S K. Development of an accurate cavitation coupled spray model for diesel engine simulation[J]. Energy Conversion & Management, 2014, 77(1): 269－277.

[2] Som S, Aggarwal S K. Effects of primary breakup modeling on spray and combustion characteristics of compression ignition engines[J]. Combustion & Flame, 2010, 157(6): 1179－1193.

[3] Kitaguchi K, Hatori S, Hori T, et al. Optimization of breakup model using les of diesel spray[J]. Atomization & Sprays, 2012, 22(1): 57－77.

[4] Turner M R, Sazhin S S, Healey J J, et al. A breakup model for transient Diesel fuel sprays[J]. Fuel, 2012, 97(97): 288－305.

[5] Mohan B, Yang W, Chou S K. Development of an accurate cavitation coupled spray model for diesel engine simulation[J]. Energy Conversion & Management,2014, 77(1): 269－277.

[6] Qi K, Feng L, Leng X, et al. Simulation of quasi-dimensional combustion model for predicting diesel engine performance[J]. Applied Mathematical Modelling, 2011, 35(2): 930－940.

[7] D’Errico G, Lucchini T, Atzler F, et al. Computational Fluid Dynamics Simulation of Diesel Engines with Sophisticated Injection Strategies for In-Cylinder Pollutant Controls[J]. Applied Biochemistry & Biotechnology, 2013, 171(3): 626－642.

[8] Gauding M, Felsch C, Kerschgens B, et al. Applying an extended flamelet model for a multiple injection operating strategy in a common-rail DI diesel engine[J]. Sae International Journal of Engines, 2009, 2(1): 727－741.

[9] Mobasheri R. Analysis the ECFM-3Z combustion model for simulating the combustion process and emission characteristics in a HSDI diesel engine[J]. International Journal of Spray & Combustion Dynamics, 2015, 7(4): 353－372.

[10] Liu F S, Zhou L, Sun B G, et al. Validation and modification of WAVE spray model for diesel combustion simulation[J]. Fuel, 2008, 87(15/16): 3420－3427.

[11] 李志杰. 高強化柴油機燃燒過程分析計算方法與系統(tǒng)優(yōu)化設計[D]. 北京：北京理工大學，2010.

Li Zhijie. Analytical Calculation Method of Combustion Process and System Optimum Design for High Enhanced Diesel Engine[D].Beijing: Beijing Institute of Technology, 2010. (in Chinese with English abstract)

[12] 高榮剛，李國岫，虞育松，等. 高原環(huán)境對柴油機燃燒過程影響的仿真研究[J]. 兵工學報，2012，33(12)：1448－1454.

Gao Ronggang, Li Guoxiu, Yu Yusong, et al. Multi- dimensional simulation for the effect of plateau environment on combustion process in diesel engine[J]. Acta Armamentarii, 2012, 33(12): 1448－1454. (in Chinese with English abstract)

[13] 尤國棟，蘇鐵熊，孫利魏，等. 柴油機高密度-快速燃燒過程數(shù)值模擬[J]. 兵工學報，2012，33(12)：1436－1441.

You Guodong, Su Tiexiong, Sun Liwei, et al. Numerical simulation of high density-high speed combustion process in diesel engine[J]. Acta Armamentarii, 2012, 33(12): 1436－1441. (in Chinese with English abstract)

[14] 隆武強，王一聰，張強，等. JCCI發(fā)動機預混合著火與燃燒過程的模擬[J]. 內(nèi)燃機學報，2014，32(4)：302－308.

Long Wuqiang, Wang Yicong, Zhang Qiang, et al. Simulation of ignition and combustion in premixed charge JCCI engine[J]. Transactions of CSICE, 2014，32(4)：302－308. (in Chinese with English abstract)

[15] 孫柏剛，謝均，柴國英，等. 柴油機雙卷流燃燒系統(tǒng)的排放特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(9)：48－54.

Sun Baigang, Xie Jun, Chai Guoying, et al. Emission characteristics of double swirl combustion system in diesel engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013，29(9)：48－54. (in Chinese with English abstract)

[16] 沈照杰，崔文政，劉忠長，等. 時序進氣柴油機缸內(nèi)分層與燃燒排放特征數(shù)值分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2015，46(9)：350－355.

Shen Zhaojie, Cui Wenzheng, Liu Zhongchang, et al. In-cylinder stratification of gases and combustion numeric investigation of DI diesel engine under sequential-timing intake strategy[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(9): 350－355. (in Chinese with English abstract)

[17] Wang H, Reitz R D, Yao M. Comparison of diesel combustion CFD models and evaluation of the effects of model constants[J]. Sae Technical Papers, 2012.

[18] Karaky H, Mauviot G, Tauzia X, et al. Development and validation of a new zero-dimensional semi-physical NOx emission model for a D.I. diesel engine using simulated combustion process[J]. Sedimentology, 2015, 8(4): 885－899.

[19] 尤國棟，蘇鐵熊，孫利魏，等. 某柴油機燃燒系統(tǒng)數(shù)值仿真及改進設計研究[J]. 兵工學報，2012，33(10)：1243－1250.

You Guodong, Su Tiexiong, Sun Liwei, et al. Research on numerical simulation and modification of combustion system in a diesel[J]. Acta Armamentarii, 2012, 33(10): 1243－1250. (in Chinese with English abstract)

[20] 張晶，李國岫，袁野. 噴油規(guī)律曲線形狀對柴油機燃燒過程影響的仿真分析[J]. 兵工學報，2012，32(3)：347－353.

Zhang Jing, Li Guoxiu, Yuan Ye. Numerical simulation and analysis of the influence of fuel injection rate-shape on diesel engine combustion process[J]. Acta Armamentarii, 2012, 32(3): 347－353. (in Chinese with English abstract)

[21] Abraham J. What is adequate resolution in the numerical computations of transient jets?[J]. Europace, 1997, 12(4):482-487(6).

[22] 史春濤，孫立星，劉建軍，等. 內(nèi)燃機噴霧模型的研究現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2007，38(2)：189－194.

Shi Chuntao, Sun Lixing, Liu Jianjun, et al. Development of spray model in IC engine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(2): 189－194. (in Chinese with English abstract)

[23] 孫柏剛. 柴油機噴霧燃燒仿真與參數(shù)匹配研究[D]. 北京：北京理工大學，2006.

Sun Baigang. Simulation and Parameter Matching of Spray and Combustion in Diesel Engine[D].Beijing: Beijing Institute of Technology, 2006. (in Chinese with English abstract)

[24] Naber J, Reitz R D. Modeling engine spray/wall impingement[J]. Sae Transactions, 1988, 97: 118－140.

[25] Colin O, Benkenida A. The 3-zone extended coherent flame model (ECFM3Z) for computing premixed/diffusion combustion. Oil Gas Sci Technol Rev IFP[J]. Oil & Gas Science & Technology, 2004, 59(6): 593－609.

[26] Mobasheri R, Peng Zhijun, Mirsalim S M. CFD evaluation of effects of split injection on combustion and emissions in a DI

diesel engine[J]. Diesel Exhaust Emissions, 2011.

[27] 高敏明. 汽油機SI-HCCI混合燃燒的仿真研究[D]. 天津：天津大學，2009.

Gao Minming. Simulation Research of SI-HCCI Mixed Combustion in Gasoline Engine[D]. Tianjin: Tianjin University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[28] 鹿盈盈，蘇萬華，于文斌，等. 柴油機燃燒路徑及其對熱效率和排放的影響[J]. 內(nèi)燃機學報，2011，29(1)：1－7.

Lu Yingying, Su Wanhua, Yu Wenbin, et al. Investigation on combustion paths and their effects on thermal efficiency and emission of a high BMEP diesel engine[J]. Transaction of CSICE, 2011，29(1)：1－7. (in Chinese with English abstract)

Calibration method on improving simulating accuracy of combustion process in diesel engine

Li Xiangrong, Chen Yanlin, Zhao Luming, Liu Fushui

(100081)

To improve the computation accuracy of combustion process simulation in diesel engine, a new calibration method of numerical model was proposed in this paper, and the calibration of spray process and combustion process were combined together. For the calibration of spray process, the key parameters of WAVE spray breakup model and Dukowicz evaporation model should be calibrated with experimental results, including spray liquid penetration, spray penetration and spray profile, which were measured in constant volume combustion bomb. Based on the calibration results of spray process, the simulation of combustion process required appropriate combustion model, the key parameters of which were calibrated by the experimental data in a single cylinder diesel engine, including the in-cylinder pressure and heat release rate. To validate the proposed method, a spray mesh and a moving mesh were established in AVL Fire software to calibrate the spray models and combustion model respectively. As with the meshes for the spray process, spray models parameters (including WAVE model parameter2, Dukowicz parameters1and2) were calibrated. To obtain proper value of2,1and2, the effects of spray model parameters on simulating results were studied and the eventual results were validated by experimental spray liquid penetration, spray penetration and spray profile, which were measured in experiment of free jet spray. Based on the calibration results of spray process, the optimal2,1and2were applied in the simulation of combustion process. Firstly, eddy break-up (EBU) model was selected and calibration of relevant parameterwas completed in different injection conditions. The results showed that the EBU model was precisely appropriate for single injection but not for split injections, for the chemicalreaction kinetics was not considered in combustion process simulation as couldn’t predict combustion of fuel in pilot injection accurately. Then ECFM-3Z model was adopted and the model parameters include auto-ignition model parameter(Amp), mixing model parameter(Mmp), chemical reaction time (Crt) and extinction temperature (Et). The effect of those parameters on numerical results was also studied. Then based on the results, the value of all parameters was verified and the accuracy of combustion model was validated by experimental results of a single cylinder diesel engine with single injection and split injections respectively. The calibration results showed that the numerical model could predict combustion process precisely both in single injection and in split injection conditions. It could be concluded that the ECFM-3Z model was appropriate for single injection and split injections. As an important reference, the common calibration method was also adopted to calibrate the numerical model. The results showed that the common calibration method couldn’t simulate the spray process accurately. The common calibration method only considered the in-cylinder pressure and heat release rate, as may lead much uncertainty in spray development, evaporation and the fuel-air mixture formation, which influence combustion process a lot. Obviously, the application of the new calibration method could accurately simulate the whole working processes including spray, evaporation and combustion both in single injection and split injections, which improved the simulation accuracy and extends the application range compared with the common calibration method.

diesel engine; model; combustion; spray; simulation; verification and validation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.015

A

1002-6819(2017)-04-0102-09

2016-05-15

2016-06-14

裝備預研項目（104010204）

李向榮，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，博導，教授，研究方向為內(nèi)燃機工作過程的試驗仿真。北京 北京理工大學機械與車輛學院，100081。Email：prof.lixr@yahoo.com

李向榮，陳彥林，趙陸明，劉福水. 提高柴油機燃燒過程仿真計算精度的標定方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(4)：102－110. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.015 http://www.tcsae.org

Li Xiangrong, Chen Yanlin, Zhao Luming, Liu Fushui. Calibration method on improving simulating accuracy of combustion process in diesel engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 102－110. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.015 http://www.tcsae.org