柴油机Wiebe模型参数优化及燃烧性能预测

基于一台单缸柴油机进行了发动机性能实验,通过结合单、双Wiebe燃烧模型和机器学习算法,提出了一种可预测的Wiebe燃烧模型,开展了不同边界条件下的燃烧参数和规律预测研究.首先,使用代数化Wiebe方程的线性拟合,根据线性拟合精度选取单、双Wiebe模型.然后,使用列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt,LM)算法拟合Wiebe方程得到相应的6个Wiebe参数,实现放热率Wiebe参数化.最后,基于该Wiebe燃烧参数,应用误差反向传播神经网络(back propagation neural network,BP-NN)和随机森林(random forest,RF)算法,开发了实用性更广泛的两种Wiebe燃烧预测模型,研究了不同边界条件下的燃烧规律.结果显示:代数Wiebe方程的线性拟合精度小于等于0.99000时放热率曲线更复杂,此时选用双Wiebe方程可得到高精度的Wiebe燃烧参数,反之选用单Wiebe方程即可;在1200 r/min和2200 r/min时选择双Wiebe方程对放热率进行拟合,拟合精度R^(2)均大于0.99000,误差平方和均小于0.01,通过Wiebe参数重新构建的放热率和实验放热率基本一致.基于LM算法的放热率拟合算法,可以很好地反映柴油机不同工况下的燃烧特征.对比两种不同的燃烧预测模型BP-NN和RF发现:BP-NN模型对一Wiebe形状因子m1和一Wiebe燃烧初始相位φ_(01)的预测精度更高,而RF算法对一Wiebe燃烧比例α和燃烧结束相位φ_(end)的预测精度更高,因此,针对不同燃烧参数选择不同预测模型可以有效提高Wiebe燃烧预测模型的精度.

基于神经网络的重型车辆远程监控NOx传感器露点保护过程数据修复方法

为解决重型车辆远程监控数据中NOx传感器露点保护过程的数据无效问题,利用一辆国六重型车辆的PEMS测试对露点保护期间的高NOx排放问题进行探究,验证了利用神经网络算法修复数据和提高远程监测数据利用率的可行性。结果表明,NOx传感器露点保护过程会导致30%以上的NOx排放量未被统计;在露点保护期间,超过90%的数据显示车辆速度低于54 km/h、发动机冷却液温度低于82℃、SCR入口温度低于245℃、SCR出口温度低于225℃。神经网络算法可有效修复露点保护过程中失效的NOx测量值,对发动机原始排放和车辆尾管排放的累计排放量误差都在4%以内。

国六自动挡乘用车GDI发动机高瞬态HC原排分析

针对GDI发动机在部分瞬态工况下HC排放较高的问题,对一辆装有GDI发动机的轻型车在底盘测功机上进行WLTC试验,通过采集单缸瞬态HC排放、缸内燃烧压力和ECU控制参数数据,研究了部分瞬态HC排放高的原因。试验结果表明:发动机冷却液升温过程对发动机的HC排放没有显著影响,在WLTC试验的各个驾驶速度段均出现了高HC排放;当发动机扭矩从高到低急剧变化时,可能出现缸内未断油但进气量急剧减少的情况,导致发生缸内失火或不完全燃烧,从而产生高HC排放;另外,当气缸内连续几个工作循环断油后再喷油时,会导致缸内过量空气系数偏离最佳范围,使缸内燃烧状况恶化,甚至发生失火或不完全燃烧,从而引起HC排放增加。

氢发动机SCR催化器的NO_(x)转化效率模拟

建立一维选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)催化器模型,采用稳态、瞬态小样试验标定SCR化学反应动力学机理,并分析SCR催化器对氢发动机排气中NO_(x)的催化还原过程。结果表明:入口O2体积分数对NO_(x)催化还原有抑制作用,但入口H2O体积分数对NO_(x)转化效率没有明显影响;当温度为250~400℃时,线性温升工况NO_(x)转化效率高于稳态工况且超过98%;氢发动机排气温度和原排NO_(x)体积分数随功率增大而增大,当功率大于60 kW且氨氮比等于1时,SCR催化器转化效率小于95%;增加氨氮比对NO_(x)转化效率的提高作用较小,这是由于在高温条件下增加的NH3倾向与O2反应。

基于EBF神经网络的引射器结构参数优化

为提高氢燃料电池引射器的性能,以额定工况下氢燃料电池引射器为研究对象,提出一种基于椭球基(EBF)神经网络模型和非线性序列二次规划(NLPQL)算法的引射器结构参数优化方法。基于正交试验,建立EBF神经网络模型,描述引射器结构参数与引射系数间的非线性关系;通过引射系数模拟值与代理模型预测值的对比以及复相关系数,验证了代理模型的精度;最后,应用NLPQL算法进行全局寻优,获得使引射系数最大的结构参数组合,并进行模拟验证。研究结果表明:基于EBF神经网络和NLPQL算法,提高了燃料电池引射器的引射系数,相对于正交试验方案最大值,引射系数提高了3.9%。基于正交试验设计和EBF神经网络的方法,可以扩大引射器结构参数研究范围和水平,节约CFD模拟计算时间。

基于重型柴油车远程监控数据的尿素喷射速率预测

基于一辆M3类重型柴油车的远程监控数据项,构建了尿素喷射速率预测模型,采用随机森林回归算法进行预测,对远程监控数据中缺少的尿素喷射速率的预测进行了研究。结果表明远程监控数据中存在多组高度相关的变量,其Spearman相关系数均超过0.85,基于此对模型的输入参数进行筛选。由于尿素供给以控制氨存储为目标,而氨存储的变化频率较低,逐秒的尿素喷射速率难以精确预测。不同周期内平均尿素喷射速率的预测结果显示,模型预测精度趋于稳定。当周期超过40 s后,预测精度趋于稳定。通过滑动窗口法验证了预测模型的泛化能力,在全部27个窗口中,决定系数R~2普遍高于0.96,平均绝对误差均控制在0.7%以内,均方根误差基本上低于1%,尿素喷射速率预测值与实际测量值吻合良好。

不同米勒循环对沼气机燃烧性能影响及优化研究

为了研究不同米勒循环对大功率沼气发动机在额定工况的燃烧和性能的影响,基于一台1.15 MW增压型沼气发动机及其仿真模型,通过变化进气门关闭正时,将沼气发动机由奥托循环改为不同米勒循环。仿真研究结果表明:在沼气发动机输出目标功率相同的情况下,随着早米勒的提前和晚米勒的推后,其缸内最大燃烧压力、最高燃烧温度、单缸排气温度、燃油消耗率及氮氧化物排放均降低明显,这表明早米勒循环和晚米勒循环对沼气发动机的燃烧和性能提升有较好的效果;随着早米勒的提前和晚米勒的推后,为了保证输出相同的功率,其增压压力需要提高,但其充气效率明显下降;随着晚米勒的加强,进气门关闭时刻进气倒流现象明显,容易出现进气回火现象,早米勒在进气门关闭时刻未发生任何进气倒流现象;相比晚米勒,早米勒更好的适宜预混增压型沼气发动机进气混合需求;所研究机型在ML-70时刻比原ML0时刻,其优点是爆发压力、燃气消耗率、氮氧化物排放分别下降3.74%、2.49%、23.58%,达到了降低爆震、提高效率、减小排放的目标。

重型柴油城市车辆实际道路冷启动排放特性研究

为研究车辆实际道路车载尾气检测设备(PEMS)测试排放评估方法,选取了1辆重型柴油城市车辆,分别进行3次不同载荷的实际道路PEMS测试。试验结果表明,以冷却液温度到达30℃、70℃界定发动机冷启动和热态,从累计排放量上看,虽然冷启动时长占比最大仅为6.8%,但是NOx排放在冷启动阶段达23.7%~82.4%,其排放不可忽略;分析冷启动阶段的窗口功率比、比排放和选择性催化还原技术(SCR)前温度的关系,提出基于国六b阶段的功基窗口法排放计算方法,冷启动阶段取所有窗口中的最大比排放值,热态以10%功率阈值以上为有效窗口,取有效窗口比排放的90%分位值作为热态排放,冷、热态分别设置权重系数为0.14和0.86,加权求和得到车辆实际道路行驶比排放。通过不同排放水平的3组试验结果分析,相比现行重型国六排放标准采用的设置功率阈值的功基窗口法,NOx比排放升高25%以上,所以将冷启动纳入计算的新的排放评价方法会加大排放测试的通过难度。

氢燃料电池引射器结构参数优化研究

针对影响氢燃料电池引射器性能的结构参数太多导致其难以优化的问题,以额定工况下氢燃料电池引射器为研究对象,提出一种基于两次正交试验设计的引射器结构参数优化方法。首先,建立CFD分析有限元模型,并进行试验验证,对影响引射系数的全部结构参数进行第1次正交试验,运用Fluent软件进行求解,通过极差分析确定各结构参数对引射系数影响的主次顺序;其次,对影响引射系数的主要结构参数进行第2次正交试验,应用极差分析法快速得到最优的结构参数;最后,对优化后的引射器进行模拟仿真,获得了最大的引射系数为2.455,并经试验验证了模拟结果的准确性。研究结果表明,经过两次正交试验设计,可以减少引射器结构优化的试验次数,提高燃料电池引射器的引射系数,为引射器结构参数的优化研究提供了参考,具有指导和借鉴意义。

基于自抗扰原理的燃料电池阳极压力控制研究

车用燃料电池在实际工况中容易产生供气波动、内部温度分布不均等问题导致阳极内部压力不稳定,严重影响了其市场化推广。通过控制方式的设计可以优化上述问题,针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极压力的仿真、跟随和控制等问题,论述了基于自抗扰原理的质子交换膜燃料电池死端模式阳极的建模过程,并在Simulink环境下通过仿真证明了基于自抗扰原理控制方式的有效性。仿真结果验证了该仿真系统的实用性和有效性,该仿真系统能够使质子交换膜燃料电池阳极压力有效跟随阴极压力,能够对温度、压力变化等扰动具有抵抗效果,跟随速度快,准确度高,超调极少。

基于车载远程监控的重型柴油车NO_(x)排放评估方法研究

对某重型车的实际道路行驶过程中远程排放监控的NO_(x)数据和PEMS设备测试数据对比分析。结果表明,两者的一致性较好,远程监控的NO_(x)数据用于表征车辆实际道路的NO_(x)排放特征具备可信性和可行性。基于远程排放监控数据,使用短行程重构PEMS法,建立车辆工况曲线重构方法和基于功基窗口法的排放评估模型,对车辆在实际道路上的排放进行评估计算,并与PEMS测试结果对比验证。研究结果表明,该短行程重构模型能有效识别车辆排放变化和超标情况,可以作为国六标准在用重型车NO_(x)排放监控的新方法和手段。

直喷汽油机喷嘴积碳对喷雾的影响

利用纹影法,在定容燃烧弹中对直喷汽油机喷油器进行喷雾特性试验,对比了未积碳喷油器、积碳喷油器和物理清洗过的积碳喷油器在不同喷射压力下的喷雾形态、喷雾锥角以及贯穿距离.结果表明:积碳后喷油器雾化质量较差,喷雾锥角和贯穿距离明显小于未积碳喷油器的喷雾锥角和贯穿距离,提高喷射压力后这种差距有所缩小;积碳喷油器单束油束贯穿距离差别较大,积碳后喷油器流量显著降低,且随喷油压力的增加,积碳喷油器流量的变化更为显著;扫描电子显微镜显示喷油器各喷孔积碳程度不一致,经X射线能谱分析检测后发现,机油中的某些成分以及摩擦产生的金属碎屑对积碳的形成起到促进作用.

增压直喷汽油机起动怠速及混合气浓度对微粒排放的影响

在一台增压直喷(GDI)汽油机上,使用快速微粒光谱仪(DMS500)对排气中微粒排放分布进行了实验研究.结果表明:在发动机起动后数秒内微粒排放较高,随着暖机进行积聚态微粒排放减少,热机怠速工况排气微粒主要以核模态为主.随着过量空气系数λ减小缸内峰值压力增加,燃烧持续期缩短,缸内平均温度升高,燃烧后期缸内温度下降幅度增加,混合气氧含量降低,这些均促进了碳烟排放.采用稀混合气时,循环变动升高.低负荷时,积聚态微粒对λ变化较敏感;增加负荷和转速后,积聚态微粒数浓度有所降低,表现为随λ减小而增加的趋势.采用浓混合气时,排气微粒质量迅速增加.在实验工况,排气微粒的几何平均直径(GMD)和中位直径(CMD)基本在10,nm以内,λ为0.8时微粒的GMD和CMD值较大.

基于电控燃油喷射技术的柴油机全气缸取样系统的设计与开发

在CY6102BZLQ直喷柴油机上,开发了一套基于电控技术的全气缸取样系统．介绍了该系统各组成部分的结构和工作原理．系统通过电控技术,在取样过程中实验缸只进行1-2次喷油,取样机构和稀释系统迅速打开燃烧室空间并淬灭化学反应,气门停开机构适时关闭进、排气门．系统可实现模拟EGR、增压中冷、电控高压共轨燃油喷射等先进柴油机技术,是研究现代柴油机燃烧过程及污染物生成、演化历程的重要工具．

EGR对Atkinson循环汽油机性能的影响

在一台1．6L自然吸气汽油机上，开展了Atkinson循环和外部EGR对发动机燃油经济性与燃烧特性影响的试验．结果表明，与原机奥拓循环相比，Atkinson循环发动机在转速为2000r／min各负荷工况下，有效燃油消耗率降幅达4．3％．10．2％．在负荷为0．2MPa、0．4MPa和0．6MPa时引入外部EGR，可进一步降低有效燃油消耗率．同时随负荷增加，各负荷对应最低油耗的EGR率逐步提高．在采用最佳点火提前角时，外部EGR使Atkinson循环的火焰发展期延长，但是不同EGR率对应的CA50（累计放热率达50％时对应的曲轴转角）的位置变化不大．

一种基于稀扩散燃烧的BUMP燃烧室及其对柴油机碳烟和NO_x排放影响的实验研究

在壁面布置限流沿 (BUMP)后 ,撞壁射流从壁面被剥离 ,形成二次空间射流 ,可大大加快空气与流体的混合速率。基于此 ,设计了带有 BUMP的燃烧室 ,采用了可灵活控制喷油规律的 FIRCRI电控共轨式喷油系统进行了发动机实验。实验结果表明 :BU MP燃烧系统能显著降低 NOx 和碳烟排放 ,在平均有效压力为 0 .6 6 MPa(原机 5 0 %负荷 )时 ,烟度只有 0 .1BSU,NOx 为 42 0× 10 - 6;由于在缸内能够形成较均匀的混合气 ,缸内平均过量空气系数在 1.3～ 2 .0的范围内时 ,烟度一直保持在 0 .3BSU以下。实验还发现 BUMP的位置以及喷油定时对排放有重要影响。BUMP燃烧系统在降低 NOx 和碳烟排放方面显示了极大的潜力。

现代柴油机排气微粒生成历程及理化特性

为保护环境和人体健康,对现代柴油机的重新认识和研究势在必行．利用全气缸取样系统对不同工况下的柴油机燃烧过程中的微粒生成历程、微粒形貌及基本粒子化学成分进行了研究．结果表明,微粒质量浓度曲线呈单峰状,峰值出现在上止点后约20℃A ATDC．在燃烧后期,约70%～80%碳微粒被再次氧化；此后微粒质量浓度接近于排放水平．微粒形貌呈现出链状结构．链状粒子由直径为10～30 nm准球状的基本粒子连结而成,主要由碳元素构成,并包含少量如氧、氮和硫等其他元素。

BUMP燃烧室的稀扩散燃烧机理

开发了BUMP燃烧室并进行了对比实验,发现BUMP燃烧室中可以形成稀的扩散燃烧氛围,使NOx和碳烟排放同时降低．喷射定时3°CA ATDC时,烟度排放降低了约70％,NOx排放与对比燃烧室相当．CFD模拟研究表明,不同的喷射定时下,燃油到达燃烧室壁面时的混合和燃烧状态不同,只有油束在滞燃期内到达燃烧室壁面,由限流沿(BUMP环)扰动形成的二次空间射流才能充分形成,稀扩散燃烧才能明显发生．

单液滴撞击不同黏度液膜特性研究

为了更好地理解单液滴撞击不同物性流体湿壁面现象,采用激光诱导荧光(laser induced fluorescence,LIF)方法研究了不同入射液滴韦伯数、无量纲液膜厚度及液膜黏度对撞壁现象的影响规律.研究表明,液滴撞击后液膜可分为稳定冠状、飞溅冠状和剧烈飞溅冠状3种形态,入射液滴韦伯数越大,液膜形态变化越剧烈.相同液膜黏度和无量纲液膜厚度下,无量纲冠顶高度随入射液滴韦伯数的增大而升高,且韦伯数越大,到达冠状顶点所需时间越长,冠状维持时间越久.保持入射液滴韦伯数和无量纲液膜厚度不变,随液膜黏度升高,无量纲冠顶高度降低,且到达冠状顶点的时间提前,冠状维持时间缩短;保持入射液滴韦伯数和液膜黏度不变,随无量纲液膜厚度增加,无量纲冠顶高度先升高后降低,但冠状达到顶点的时间以及冠状维持时间均持续增加.相同无量纲液膜厚度和液膜黏度下,无量纲冠顶直径随入射液滴韦伯数的增大而增大.保持入射液滴韦伯数和无量纲液膜厚度不变,无量纲冠顶直径随液膜黏度升高而降低;保持入射液滴韦伯数和液膜黏度不变,无量纲冠顶直径随无量纲液膜厚度的增大而降低.根据试验数据拟合出了冠状形态的临界韦伯数与无量纲液膜厚度的关系式,以及无量纲冠顶高度和冠顶直径与入射液滴韦伯数的关系式.

生物柴油替代混合物化学动力学模型构建及路径分析

以癸酸甲酯(C11H22O2)和正庚烷(nC7H16)作为生物柴油替代混合物,通过相对分子质量、低热值以及含氧量与实际生物柴油对比确定两种组分按摩尔比1:1混合,并在此基础上构建了一个由691种组分、3226个基元反应组成的生物柴油替代混合物的化学动力学机理.在激波管条件下该机理计算的着火延迟与实验数据吻合很好;在发动机条件下该机理计算的缸内压力与实验值吻合很好,CO、未燃碳氢和NOx与实验结果趋势一致.此外,本文还对替代混合物的低温反应动力学过程进行了分析,结果表明癸酸甲酯脱氢产物主要为MD2J和MDMJ.MD2J在低温阶段的主要消耗途径除了加氧之外,还有与正庚烷基(C7H15-1)第一次加氧产物(C7H15O2-3)进行交叉反应;发生分解反应生成MP2D及与氧发生脱氢反应生成MD2D.另一种主要脱氢产物MDMJ在低温阶段的主要消耗途径为通过同分异构转化为MD2J和MD3J.