基于强化学习的柴油机调速算法研究

为了更好地调节柴油机转速,提出一种强化学习–比例积分微分(proportional integral derivative, PID)控制器,并应用到了柴油机转速控制中。基于连续动作空间的柔性动作–评价(soft actor-critic, SAC)算法,结合连续型PID控制器,设计了一种强化学习–PID控制器,可代替传统PID控制的转速环。优化设计了基于演员–评论家(actor-critic)框架的输入输出和奖励函数以匹配柴油机特性,采用随机动作增加寻优效率,形成SAC-PID控制柴油机转速的网络交互结构,达到快速调整转速,减小稳定时间的效果。构建了以柴油机D6114为原型机的MATLAB/Simulink平均值模型,并利用试验数据验证了仿真模型的有效性。利用平均值模型,仿真验证了该控制算法效果。经过仿真验证本算法使柴油机转速响应曲线超调量更小,响应时间更快,鲁棒性更强,SAC-PID控制负载瞬态调速率和稳定时间均已达到1级精度指标。仿真对比验证了SAC算法的联合控制效果,结果表明其较其他算法更佳。

两相流振荡流动特性的可视化实验研究

为了解决活塞内冷油腔中气液两相流的振荡传热问题,设计并搭建了由柴油机改装的往复振荡实验装置,利用高速摄像技术对内冷油腔实验件中气液两相流的振荡流动过程进行了可视化观测实验,分析在不同转速和液体填充率下实验件中气液两相流在起振阶段和充分振荡阶段的振荡流动形态。结果表明:在起振阶段,气液两相的分界面明显,没有强烈的湍流混合运动,在充分振荡阶段,液体的运动规律及流动形态呈周期性变化;转速主要影响气液两相流的湍流强度,填充率主要影响气液两相流的流动形态。研究结果揭示了内冷油腔中气液两相流的振荡流动规律,可为高强化活塞的结构优化设计提供参考。

喷油器柱塞副动态泄漏及特性

为了研究高压共轨喷油器柱塞副的动态泄漏特性,建立了柱塞副间隙燃油流动的数学模型,通过有限差分法对数学模型进行数值计算,研究了不同轨压下柱塞副燃油的平均动态泄漏率的变化趋势,与试验值进行对比,验证该数学模型的有效性,并分析了轨压、进口燃油温度、柱塞最大升程和喷射脉宽四种因素对柱塞副动态泄漏量的影响及在不同柱塞速度下,油膜压力、厚度和温度参数的变化趋势。结果表明,在一个喷油循环内,动态泄漏率的变化曲线与控制腔油压变化曲线相似,平均动态泄漏率随着喷油器的轨压、入口燃油温度和柱塞最大升程的增加而增加,但随着喷射脉宽的增加而减小;随着柱塞速度由正速度到负速度的过程,油膜的厚度逐渐变薄,油膜的温度整体上升,油膜的压力变小。

7FDL-16柴油机气缸盖热结构耦合应力分析

通过CATIA软件进行三维建模,利用Space Claim模块提取流体域,在Fluent模块设置流体边界条件并仿真流动,先后导入Ansys Workbench稳态热和静应力分析模块,设置热边界条件和应力载荷,得到气缸盖的温度场以及热结构耦合应力分布云图。热结构耦合应力分析可得:热应变最大处在火力面鼻梁区,最大变形量为0.002 1 mm,应力最大处在两排气门之间的鼻梁区,最大应力值为398 MPa,安全系数为2.71,满足实际结构工作的要求标准。

大缸径柴油机燃烧系统优化模拟

为提高某缸径200 mm船用发电柴油机的燃油经济性,本文设计了活塞燃烧室和燃油喷射系统的升级方案并进行了模拟优化。升级方案提高了压缩比和燃油喷射压力,采用大径深比浅ω燃烧室配合158°喷油夹角喷油嘴。对不同方案下发动机的缸内工作过程进行了计算流体力学模拟,计算了高压指示功和放热率相位,分析了缸内温度、反应过量空气系数和速度分布及演化。模拟结果表明:升级方案能够提高发动机热效率。增加喷孔数并减小孔径,可以在保持NOx排放基本不变的条件下提高高压指示功4.5%,降低碳烟排放约60%。采用“平顶”浅ω燃烧室与158°喷油夹角喷雾配合,油气混合气快速进入余隙并形成逆时针的漩涡流动,能够加速油气混合和燃烧过程,提高热效率。

汽车发动机电控燃油喷射系统优化设计

汽车发动机燃油喷射系统的结构形式及特性直接影响发动机的性能,对燃油系统的计算分析是改进发动机性能的重要方法。在分析发动机电控燃油喷射系统结构和部件数学模型的基础上,建立了其仿真模型,对燃油系统结构参数进行了优化匹配计算。研究结果表明,柱塞直径及升程为Φ23×24、喷孔数及孔径为7×Φ0.45时具有较好的喷油特性,电磁阀泄油口流通面积、通电时刻及时长对燃油系统的喷油特性也有较大影响;优化后的结构参数对于发动机燃油系统设计具有重要的参考价值。

汽车发动机电控燃油系统电磁阀特性仿真

为了定量分析电磁阀参数对其动态响应特性的影响,基于电磁理论建立了电磁阀的数学模型,并使用仿真模型开展了仿真研究。模拟了电磁阀在恒电压驱动下的动态响应过程,研究了驱动电压、初始气隙、弹簧预紧力和线圈匝数四个参数对电磁阀动态特性的影响,给出了电磁阀在不同参数下的位移变化曲线,从理论上确定了电磁阀的动态响应特性与其结构参数和控制参数之间的关系,为电磁阀的参数匹配及电控燃油系统的优化设计提供了依据。

连杆轴承润滑空化过程动态仿真与抑制

以某重型柴油机的连杆轴承为研究对象,引入运动边界和动网格smoothing网格光顺方法来探究不同入口条件对油膜空化现象的影响,研究了用于抑制轴承润滑空化现象的轴瓦开槽方法,对比开槽数量、深度及开槽形式对抑制油膜空化现象的影响.研究发现,润滑空化的范围和程度是一个动态变化的过程,引起空蚀的并非在空化形成阶段,而在空化溃灭的过程中.因而如果空化现象频繁发生和溃灭,相比持续存在的稳定空化状态,将更易破坏轴瓦表面,引发明显空蚀现象.由于重型柴油机的连杆轴承润滑油来自于主轴承,连杆轴承润滑油入口压力存在显著波动,导致空化程度波动剧烈,进一步恶化空蚀现象,这也解释了重型柴油机连杆轴承穴蚀损伤往往更甚于主轴承.通过轴瓦开槽可以有效缓解空化,从而达到抑制空蚀的效果;增加开槽数目和深度都可以强化抑制效果,但提升的程度有限.相比全槽模型,半槽模型可以强化油膜的轴向流动,对空化的抑制效果更好,可将油膜的气相体积分数最高值从0.94(未开槽)降至0.39.考虑到轴瓦的厚度与强度需求,选择适当槽深的半环单槽即可有效地抑制轴承运动过程中油膜的空化现象.

基于变分模态分解的多缸柴油机缸套振动差异分析

多缸柴油机缸套振动噪声响应的差异导致缸套润滑、磨损及穴蚀现象不同,引起缸套可靠性差异并缩短整机使用寿命,研究差异的产生原因有助于柴油机的维护与设计优化。内燃机振动噪声的主要来源是燃烧冲击与活塞二阶运动引起的缸套敲击,而多缸柴油机缸套振动噪声的差异主要来源于活塞敲缸。以某重型六缸柴油机为研究对象,基于变分模态分解技术对多缸振动响应差异开展了溯源分析。建立了活塞敲缸动力学计算模型并通过试验验证了参数设置的合理性,通过变分模态分解从振动响应中提取了主要频率成分与相关模态。结果表明:多缸柴油机各缸振动幅值分布趋势一致,缸套中上部的振动最剧烈;各缸振动差异与机体模态特性有关,缸套间振动差异与机体第7阶模态振型趋势一致,体现为第6缸振动最强,第2缸振动最弱。

燃料喷射控制压电阀的驱动控制策略研究

压电式喷射器中压电阀的响应速度决定了内燃机燃料喷射控制的性能和精度。为提高压电阀响应速度,针对自主研制的压电阀及其基于脉宽调制(PWM)控制方式的驱动电路,利用MATLAB/Simulink建立两者的联合仿真模型,并搭建压电阀性能测试试验台,通过仿真与试验结合的方式探究喷射控制信号PWM脉宽、脉冲数对压电阀响应时间的影响。结果表明:对自研驱动电路,喷射控制信号PWM脉宽存在最优值,且最优脉宽在03~042 ms内;多脉冲控制策略下,压电阀开启和关闭响应时间分别为0525、0725 ms;单脉冲控制策略下,压电阀开启和关闭响应时间分别为05、06 ms,均满足内燃机一个循环内实现多次喷射的控制要求;相较于多脉冲控制策略,单脉冲控制策略开启响应时间缩短4762%,关闭响应时间缩短172%。

合金灰口铸铁气缸套组织形貌与耐磨性研究

针对5种成分和组织的灰口铸铁气缸套,包括2种贝氏体铸铁气缸套和3种珠光体铸铁气缸套,全面分析了其成分、相组成及硬度等材料特性,将喷钼活塞环与5种合金灰口铸铁气缸套对磨,通过比较各配对副的摩擦磨损性能,获得了喷钼活塞环与5种合金灰口铸铁气缸套的匹配规律。研究结果表明:5种气缸套材料均为由硬质相、基体和石墨构成的复合耐磨结构,各组分的性能、分布及其配比,是决定耐磨性的关键因素。珠光体基体气缸套的磨损量相对稳定,气缸套与活塞环的相对磨损量正常;铸态贝氏体气缸套磨损较轻,配对活塞环的磨损量比珠光体气缸套大;贝氏体气缸套和活塞环的磨损均量很小。

船用柴油机缸盖缩尺试样的热失效研究

为研究船用柴油机缸盖在低周热循环载荷下的渐进失效问题,开展了“四孔平板”缩尺试样的热失效模拟试验,建立了基于温度依赖的Chaboche组合硬化材料模型和改进Ostergren塑性能量损伤模型的仿真方法,研究了塑性变形演化、疲劳开裂的热失效行为和机理。研究表明:仿真预测具有较高精度,圆孔失圆变形预测最大偏差不超过10.5%,准确预测了裂纹的萌生位置,预测寿命与实际失效循环数目接近;缩尺试样受到循环变化的温度梯度影响,整体结构表现为热弯曲变形失配,产生的局部非对称拉压应力引发了塑性变形;随着循环次数增加发生应力松弛,塑性变形呈现先快后慢的非线性减少趋势;冷却阶段的拉伸塑性应变能和应力三轴度增加,引发了圆孔鼻梁高应力区开裂损坏。

6缸柴油机高强度球墨铸铁曲轴的研制

通过成分设计、凝固模拟、铁模覆砂铸造和等温正火复合新工艺应用,研制了一种高强度6缸柴油机球墨铸铁曲轴,分析了其内部质量、显微组织和力学性能.中试结果表明:采用复合新工艺研制的6缸球墨铸铁曲轴,其组织致密,没有内部铸造缺陷;与树脂砂铸造工艺相比,球墨铸铁曲轴的基体组织更均匀,共晶团数增多,晶粒显著细化,基体组织中索氏体比例大于90%,自由渗碳体比例小于1%.6缸球墨铸铁曲轴沿轴向不同位置的平均拉伸强度R_(m)、平均伸长率和基体平均硬度分别为946 MPa、5.6%和287 HB.负荷为2900N·m下,其弯曲疲劳试验加载次数达到10×10^(7)次而未出现裂纹和开裂现象,各项性能指标均超过L6R040301Q曲轴的技术要求,可代替现用的45锻钢和42CrMo锻钢曲轴,成本分别降低44.0%和66.2%.

基于RSM法的柴油机进气系统参数优化研究

开展进气参数优化是改善柴油机“气油配合”状态,提高柴油机动力性、经济性和排放性的关键。以1台高压共轨柴油机为研究对象,结合已有实验数据搭建了柴油机GT-Power一维性能仿真模型,在最大扭矩工况点处,以进气压力、进气温度、进气门开启角、排气门开启角为变量进行单变量扫值,研究了扭矩和有效燃油消耗率随进气系统参数变化的规律。基于RSM法构建了扭矩和有效燃油消耗率的二次回归模型,得出了影响扭矩和有效燃油消耗率权重排序,开展了平衡最大扭矩和最低有效燃油消耗率的多目标优化,并得到了优化标定参数。实验结果显示:进气压力、进气温度、进气门开启角、排气门开启角分别为2.27 bar、369 K、459°CA、255°CA时,参数组合使得扭矩提升到311.08 N·m,较原机提升了6.51%;有效燃油消耗率降低到204.11 g/(kW·h),较原机降低了6.25%;最大气缸压力为154 bar,涡轮前排气温度为883 K,未超限制要求。这表明RSM法用于柴油机进气系统参数协同优化是可行的,优化后达到了相应的目标要求。

多点分布式导向台燃烧室结构优化模拟研究

为了改善柴油机燃烧室内燃油喷雾撞壁和混合气形成情况,提出一种直喷式柴油机多点分布式导向台燃烧室。将这种新燃烧室结构参数化,对7个设计变量进行多参数协同优化。以一台230 mm缸径的中速船用柴油机为基础模拟缸内工作过程,采用拉丁超立方取样的方法从设计空间得到600个样本点,根据模拟结果分析各设计参数对发动机性能的影响,根据不同的优化目标得到3种新燃烧室结构。仿真结果表明:在75%负荷工况下与原机ω型燃烧室相比,Ⅰ型燃烧室的指示油耗率(indicated specific fuel consumption,ISFC)降低1.83%,烟粒(soot)排放量降低86.83%;Ⅱ型燃烧室的ISFC降低0.97%,NO_(x)排放量降低7.44%,soot排放量降低68.26%;Ⅲ型燃烧室的INO_(x)和soot排放量分别降低10.52%和58.08%,ISFC基本不变。

11.0 L柴油发动机气门弹簧断裂分析及优化措施

采用形貌观察、显微组织检验、硬度检验等方法,对发动机气门弹簧进行综合试验,分析弹簧断裂的原因。结果表明:弹簧经绕制后,内圈表面存在较大张应力,若回火不充分会造成内圈形成过大残余张应力,容易导致弹簧内圈开裂。为此,采用150000Hz高频感应淬火,并通过抛丸强化表面,将残余张应力转化为残余压应力,以提高气门弹簧的疲劳寿命及载荷能力,有效解决气门弹簧断裂问题。

基于多体动力学模型的柴油机曲轴振动特性分析

为了减少发动机故障分析曲轴系统的扭转振动,建立了由活塞、连杆、曲轴、飞轮和硅油阻尼器组成的曲轴系统三维模型。利用多体动力学仿真软件ADAMS,建立了由多自由度组成的刚性混合动力发动机系统的多体动力学模型,对其进行扭振响应仿真,对曲轴的扭振进行分析。该仿真结果具有较高的精度,该计算方法具有一定的工程应用价值。

基于结构优化方法的某柴油机缸体研究

缸体是发动机中质量最大的部分,在很大程度上影响着发动机的重量,因此,对其减重显得尤为重要。本文以某柴油机缸体为例,提出一种将扑优化方法和形状优化方法相结合的两级优化方法对缸体进行优化,寻找缸体加强筋部位最佳材料分布,去除冗余材料;进行形状优化寻求最合理的加强筋形状。最终优化结果使缸体最大应力降低10.6%,实现缸体减重3%,达到了本次优化目的。同时本研究也可为发动机其它零部件结构优化、轻量化提供一定的理论依据。

基于高压共轨燃油系统和废气再循环的柴油发动机低排放研究

柴油发动机的排放会对环境和人类健康造成不良影响,高压共轨燃油系统和废气再循环技术是目前柴油发动机低排放技术中应用广泛的技术方案。该文基于柴油机排放污染物生成机理,系统论述了高压共轨燃油系统的基本原理和优势,探讨了其在柴油发动机低排放方面的应用、实现方法与应用特点,并提出了未来研究的方向。研究结果表明,高压共轨燃油系统和废气再循环技术可以有效降低柴油发动机的排放量,但仍存在一些技术问题需要解决,如NOx和PM的同时降低等。因此,未来的研究应注重对这些问题的深入探究,并继续优化和改进这些技术方案。

基于多体动力学的曲轴应力分析

利用有限元法对某发动机锻钢曲轴进行多体动力学计算,分析曲轴在发动机实际工作过程中的应力分布,确定曲轴断裂原因。分析结果表明:正常情况下曲轴的第八曲柄臂与曲柄销过渡圆角处应力最大,为350.0 MPa;当第二主轴承螺栓松动时,第二曲柄臂与曲柄销过渡圆角处应力最大,达977.4 MPa;第二主轴承螺栓脱落时,第二曲柄臂与曲柄销过渡圆角的最大应力达995.3 MPa。在主轴承螺栓松动或脱落的情况下,曲轴曲柄销圆角的最大应力远超曲轴材料的屈服强度,曲轴容易在此处产生裂纹并断裂。