燃料电池用离心式空压机抗性消声器设计及其消声效果分析

基于计算流体力学耦合计算气动声学的方法,在不同空压机运行工况下分析了穿孔消声器的降噪效果,量化了消声器内的热声转化关系。结果表明,穿孔消声器的空腔厚度和穿孔率对高频组分声波的吸消声起着决定性作用。与低频声波相比,穿孔消声器对高频组分声波的消声效果更好;随转速的增加,穿孔消声器对高频组分声波的消声效果逐渐增强,而对低频组分声波的消声效果几乎无变化。对穿孔消声器内的热声转化分析表明,低转速运行工况下,消声器消声前后声振荡能量几乎全部转化为工质可用能,而在中高转速运行工况下,声振荡衰减的能量转化为工质可用能的比例较小。为设计出可以在宽运行工况下实现宽频降噪的消声器,高转速运行工况下低频组分声波的消声应该作为重点优化的目标,同时也要考虑低转速运行工况下消声器消声前后的热力学性能的改善。为降低离心式空压机的气动噪声提供了一种新的方法,为设计宽工况适应性的高效空压机消声器提供了理论基础。

瞬态流固耦合作用下天然气发电内燃机排气歧管结构优化设计

天然气发动机用于发电用途后,工作时间长,排气温度高。车用柴油机改制成燃气发电内燃机后,为了进一步改善燃油经济性和提高排气歧管的可靠性,通过一、三维仿真建模对排气歧管结构进行优化。研究认为原机排气歧管为了兼顾低转速的性能,管径设计较小,在1500 r/min时排气背压较大,不适宜应用在改制后的燃气发电内燃机。本研究经过一维数值计算,通过优化管径可以降低线工况下的燃气消耗,并且提高了工作功率。其次通过逆向建模方法和Fluent UDF模块建立流固耦合瞬态仿真模型,耦合计算了5个工作循环中的3个时间点,并且提出了2种排气歧管的结构优化方法,进行了排温瞬变过程中的热负荷分析和对比。结果表明增加加强筋结构的方案在节省材料的基础上可进一步减少热变形量,有利于提高排气歧管的寿命,满足燃气发电内燃机的设计要求。建模和优化方法可为燃气发电内燃机排气管的设计提供参考。

燃料电池空压机测试技术及标准化研究

燃料电池空压机是燃料电池系统中的重要组件,其性能直接影响到整个系统运行的效率和可靠性。通过梳理燃料电池空压机的研究现状,对现行主流的燃料电池空压机性能仿真模拟测试技术和实验设计测试技术的优缺点进行了对比分析,并搭建实验测试的硬件平台与软件系统进行了实践,以期为以推动燃料电池空压机性能测试的标准化和规范化提供一定参考。

喷射策略对乙醇汽油发动机颗粒物排放的影响

开展了多种燃油喷射策略对乙醇汽油发动机颗粒物排放影响的试验.结果表明:与单次喷射和2次喷射相比,3次喷射的颗粒物数量(PN)降低近50%,尤其是核态颗粒物降低更多.就降低颗粒物(PM)质量而言,采用多次喷射比增加乙醇比例的效果更明显.燃用3种乙醇体积分数为0(E0)、30%(E30)和85%(E85)的燃料下,总颗粒物排放随着乙醇比例增加而下降.对比两种瞬态工况发现,在绝大多数工况下3次喷射和5次喷射都比单次喷射的颗粒物浓度低.尤其是冷启动和大负荷工况下,多次喷射最多可将颗粒物浓度降低80%.随着乙醇体积分数增加,颗粒物粒径分布在绝大多数尺寸上都有明显下降,并通过降低爆震趋势可有效避免发动机性能下降和排放恶劣的现象.乙醇混合燃料结合多次喷射策略,在几乎不降低发动机动力性能的同时显著改善了颗粒物排放.

EGR率对阿特金森发动机稀薄燃烧及排放的影响

基于1台1.5 L直列三缸缸内直喷汽油机,开展不同EGR率下的过量空气系数(λ)扫描试验,探究不同程度的稀薄燃烧工况下EGR率对燃烧和排放的影响。研究结果表明:EGR率和λ增大均会导致峰值压力下降,燃烧循环变动率增大,燃烧推后并且持续期延长。指示燃油消耗率随EGR率增加而增加,随λ增加先升高后降低。当EGR率为0、λ为1.15时,燃油消耗率出现最小值。引入EGR可大幅降低NO_(x)排放,但会导致HC排放增多,通过一定程度的稀薄燃烧可以抑制HC上升。同时,稀薄燃烧对降低CO排放的效果也明显比EGR的效果大;当EGR率为0时,通过稀薄燃烧可使CO排放最大下降86.7%。因此,稀薄燃烧与适量EGR率(7%)耦合可作为降低发动机综合排放的一个有效手段。

基于空气动力循环的内燃机废气余热回收方法

为提高内燃机能量利用效率,提出了采用布雷顿空气循环回收内燃机废气余热能的底循环方案,并对其回收废气余热能的潜力进行了研究。针对不同的循环压力、循环空气流量和内燃机排气温度进行了循环多参数性能计算分析,得出该余热回收系统循环参数和内燃机排气温度对废气余热能回收效率的影响。研究结果表明:循环压力和空气流量范围受内燃机排气温度制约,排气温度越高,可用压力范围和空气流量范围越大,并且相应的回收效率也越高;分别存在一个最佳压力点和一个最佳空气流量点,使回收效率出现峰值。

增压直喷汽油机机械损失及分解摩擦试验研究

基于AVL试验台架,对一款先进车用增压直喷汽油机分别开展整机摩擦试验和分解摩擦试验,研究全转速范围内整机机械损失和各子系统机械损失的变化规律。研究结果表明:节气门开启与否对整机机械损失压力影响较大;在中低转速区域,节气门开启后发动机机械损失压力明显下降;但在高转速区域,发动机机械损失压力上升;在节气门开启时,增压器才对发动机倒拖功率有影响;随着转速增加,附件损失和曲轴损失所占百分比变化很小,气门机构损失所占百分比逐渐减小,而活塞连杆损失百分比逐渐增加;在低转速时,发动机机械损失主要为气门机构损失,1 000 r/min时达到52.3%;在高转速时,除附件损失外,其余3种损失大体相当。以上规律为提高增压直喷汽油机的机械效率提供依据。

蒸汽辅助涡轮对增压汽油机瞬态响应特性影响的模拟

为改善废气涡轮增压汽油机加速工况时的瞬态响应特性,提出了蒸汽辅助涡轮增压的方法.基于一款废气涡轮增压汽油机,采用GT-Power软件分别建立并标定了蒸汽辅助涡轮增压与废气涡轮增压的仿真模型.针对该汽油机的常用转速2000r/min,研究了各种蒸汽参数对增压系统及汽油机性能的影响.结果表明,在2000r/min时的加速工况,蒸汽辅助涡轮能使汽油机加速迟滞时间缩短48.0%,加速扭矩提升9.7%.因此,蒸汽辅助涡轮能有效改善增压汽油机的加速性和动力性.

回热布雷顿空气循环回收内燃机废气余热的模拟

为回收内燃机废气余热,基于回热布雷顿空气循环原理设计了一套底循环系统.针对不同的循环压力、空气流量、环境温度和内燃机排气温度,采用数值迭代的方法,对底循环传热过程和热力循环过程进行耦合计算,分析了底循环参数、排气参数和环境温度对废气余热回收效率的影响.结果表明:回热器的植入虽然回收了部分涡轮排气余热,但却抑制了换热器传热量;随着工质流量增加,回热器传热量先增后减,换热器传热量单调递增,回收效率先增后减;随着循环压力增加,回热器传热量单调递减,换热器传热量在中小流量范围递增,回收效率先增后减.排气温度越高、环境温度越低,回收效率越高.在排气温度为755,℃、环境温度为10,℃时,最大废气能量回收效率为7.2%,较标准布雷顿循环有一定提高.

余热气化甲醇燃料对内燃机性能的影响

提出了采用内燃机废气余热气化甲醇,并将该方案同时应用在自然吸气和增压发动机上.通过将这两种方案与原汽油机进行对比,预测这两种方案对发动机动力性和经济性的改善潜力.结果表明:甲醇蒸汽发动机在外特性下功率较原汽油机最大下降了7.1%,热效率最大提高了3.0个百分点;增压后,动力性和经济性较原汽油机和甲醇蒸汽发动机都有较大提高,当增压压力为0.15MPa时热效率较原汽油机最大可提高4.0个百分点,表明余热气化甲醇在内燃机上具有较好的节能潜力.

废气再循环对车用汽油机热功转换过程的影响

为提高车用汽油机部分负荷下的燃油经济性,探讨了废气再循环(EGR)对汽油机热功转换过程的影响。基于某款汽油机的性能试验数据,搭建并标定其仿真模型,研究了多种部分负荷工况下EGR对汽油机性能的影响。结果表明:就换气循环而言,随着EGR率的增大,进气压力增大,泵气平均有效压力(PMEP)减小,未冷却的EGR对PMEP减小的幅度更大;就高压循环而言,燃烧温度下降导致传热损失下降,从而使高压循环热效率增加。由缸内热平衡分析可知,有效热效率的提高主要依赖于缸内传热损失的减小,其次才是泵气损失的减小。在1 300r/min、0.295MPa时,采用20%的EGR率可以使有效热效率提升4.5%。

瞬变工况下多缸汽油机各缸进气均匀性

采用动态压力实测与数值计算相耦合的方法,在路试工况下对一台搭载在乘用车上的多缸汽油机各缸进排气参数进行连续检测,得到随循环数变化的各缸气体状态变化历程.通过对比分析各缸进、排气参数(如缸内新鲜充量、残余废气量等)差异性的变化范围及影响因素,揭示了各缸残余废气系数不均匀性的变化规律和诱因,以及对进气性能的影响.结果表明,在中低转速和负荷区域,各缸残余废气系数相对偏差在±10%,以内,此时主要受进气平均压力的影响;在高速高负荷区域,各缸残余废气系数相对偏差在±20%,以内,此时主要受排气压力波的影响.优化发动机排气系统结构和布置方式,是改变各缸进气均匀性的重要途径.

车用燃料电池空压机耐久性加速测试方法研究

目前燃料电池空压机的耐久性测试方法尚不成熟,严重制约了空压机耐久性技术发展。为解决此问题,设计了2组燃料电池空压机耐久性加速测试工况,并分别开展了空压机耐久性加速试验。试验结果表明,加速系数具有较强的工况依赖性,随工况变化差异较大。相比复合工况,循环变载工况对空压机具有更好的加速老化效果,尤其是在转速10000 r/min和11000 r/min时加速系数都超过15,研究结果为燃料电池空压机耐久性试验研究提供了数据支撑和方法指导。

LNG发动机低速工况下瞬态燃烧过程试验研究

对一台增压、液化天然气（LNG）发动机低速工况下的瞬态过程进行连续检测,将实测的瞬态缸压曲线进行二次处理,得出表征缸内燃烧过程的特征参数,在此基础上剖析了诸多瞬态燃烧特征参数的内在联系以及对LNG发动机性能的影响.结果表明,50%燃烧点位置随循环数变动范围约为5 oCA,其波动主要是由燃烧始点的变化引起的,50%燃烧点和燃烧始点的峰值（或谷值）相互对应;50%燃烧点的峰值对应着最高压力升高率和最高爆发压力的谷值,反之则相反.10%~90%燃烧持续期的变化范围为30~45 oCA,它随循环数上升是导致LNG发动机IMEP和NMEP下降的主要原因之一.燃烧特征参数的波动,主要归咎于燃烧始点的不稳定.实现对燃烧始点的精准控制,是保证LNG发动机在低速高增压瞬态过程具有较好工作稳定性的前提.

瞬变工况下残余废气系数对车用汽油机热功转换过程的影响

基于动态压力实测与数值计算相结合的方法，对一台乘用车汽油机瞬变过程进行连续检测，得出车用汽油机瞬变工况下残余废气系数（RGF）的变化范围、变化规律和影响因素。通过分析RGF与汽油机运行参数的内在联系，揭示了RGF对汽油机瞬变状态下热功转换过程的影响。结果表明，在瞬变工况下，转速的增加引发新鲜充量的增加和RGF的下降。转速变化时，RGF在4％～30％范围内变化；在大多数工作循环内，RGF介于16％～20％之间。RGF主要受进气压力的影响，气门正时的调节作用相对较小。在低负荷时，RGF较大且点火提前角变化范围较大，引起较大的燃烧循环变动，从而导致指示平均有效压力和指示热效率波动较大。在点火提前角固定时（进气压力为0．05MPa），指示热效率随RGF的增大而稍有下降。本研究为改善车用汽油机瞬变工况性能提供依据。

汽油机瞬变工况各缸差异性的试验研究

采用动态压力实测与数值模拟相结合的方法,对一台车用汽油机各缸参数瞬变值进行连续检测,得到各缸参数的变化范围、变化规律和各缸差异程度。通过对比分析得出各缸差异性的影响因素及其对汽油机瞬变状态下热功转换过程的影响。结果表明:在瞬变工况下,各缸充气效率相对偏差在±5%以内,在中低转速时主要受进气平均压力影响,高转速时主要受压力波和缸内残余废气量影响;各缸RGF和充气效率的差异性呈现对称关系;在中低转速时,各缸PMEP差异性主要受进气平均压力影响,而在高转速时则主要受RGF影响;IMEP相对偏差是充气效率和RGF等参数综合影响的结果,最大值达到±30%以上。以上规律为缩小多缸汽油机瞬变工况下各缸差异性提供了依据。

基于NSGA-II算法的质子交换膜燃料电池性能优化研究

质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)拥有广阔的发展前景,然而其性能和成本之间的矛盾严重制约了其产业应用和发展速度。如何在控制成本增加较小的条件下提高PEMFC的输出性能是本领域的重要研究方向之一。根据燃料电池单体的极化特性曲线,进行基于遗传算法(Genetic algorithm,GA)和快速非支配排序遗传算法(Fast non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-II)的质子交换膜燃料电池电压输出性能研究,完成算法实现及收敛性分析;结合仿真和算法优化结果给出合理的质子交换膜燃料电池参数,并给出优化后的质子交换膜燃料电池性能的提升。结果表明,经过GA算法的优化,输出性能平均提高了4.07%;在NSGA-II算法的优化下,平均输出电压为0.7586 V和经济系数取0.8对应的模型参数为最优解。上述研究可为燃料电池寻找最佳工况参数和优化设计提供数据支撑和参考。

车用汽油机瞬变过程性能检测与分析

基于动态压力实测与数值模拟相结合的方法,对一台乘用车汽油机瞬变过程进行连续检测,得出汽油机瞬变工况下多项运行参数与性能参数的变化规律,在此基础上剖析了诸多参数的内在联系。研究结果表明:高压循环平均指示压力(IMEP)和净平均指示压力(NMEP)在低负荷时稳定性较好,在高负荷时由于过量空气系数和点火提前角控制不准而产生较大波动;PMEP在低负荷时比较稳定,此时主要由排气与进气压力差决定;在高负荷时,泵气平均有效压力(PMEP)远大于排气与进气压力差并呈现波动变化;高负荷时,缸内残余废气系数(RGF)主要由进气压力决定,进排气阀可变气门正时(VVT)的影响很小;高压循环热效率在高负荷时波动明显,其峰值出现在低负荷,这主要受点火提前角的影响。

基于双向流固耦合的汽油机排气歧管热应力分析

联合AVL-Fire与ABAQUS软件,对一台汽油机排气歧管进行温度场、热应力分析.首先利用AVL-Fire对排气歧管做内外流场CFD分析,得到排气歧管内外表面的热边界条件,即流体温度及换热系数;然后把热边界条件映射到有限元面单元,并通过有限元技术与排气歧管实体单元相耦合,通过ABAQUS算出排气歧管温度场,并把壁面温度场返回作为下一轮CFD计算的边界条件,再重复前一轮计算.如此反复,直至符合精度要求,最后计算热应力.

某缸盖热机疲劳分析

利用AVL-Fire对缸内工作过程和水套进行CFD分析,得到缸内及水套壁面的热边界条件,通过有限元技术把对流热边界耦合至固体传热的计算中,达到共轭传热的目的.分别完成了机械载荷和温度载荷下的缸盖应力计算,结合经过温度修正的材料特性,计算得到疲劳安全因子分布.分析结果表明:对于缸盖疲劳而言,热载荷贡献明显大于机械载荷;缸盖设计满足使用要求.