微种群遗传算法在电控柴油机控制参数优化中的应用

针对电控柴油机控制参数虚拟优化中传统优化算法存在的一些问题,利用一种全局智能寻优方法——微种群遗传算法,并结合改进的发动机三维数值模拟程序KIVA3V,建立起一个发动机多参数优化软件平台.在该软件平台上,对带有BUMP燃烧室的电控柴油机的喷油时刻和喷油压力进行优化.结果显示,在平均有效压力为0.79MPa时,优化后的发动机排放与原机相比,NOx由4.11 g/(kW.h)降低到2.51 g/(kW.h),碳烟由0.267 g/(kW.h)降低到0.240 g/(kW.h),优化结果与优化试验数据基本吻合,说明微种群遗传算法非常适合发动机多参数优化问题的求解,优化结果可为实际燃烧过程的优化控制提供参考方案.

微种群遗传算法在HCCI燃烧模型动力学参数标定中的应用

介绍了一种新兴的高效全局寻优方法——微种群遗传算法,并采用该方法,同时结合CHEMKIN化学动力学软件中的SENKIN模块以及发动机零维单区模型,对新发展的正庚烷化学反应动力学简化模型(40种组分,62个反应)中的7个动力学参数进行了标定．模拟结果表明,标定后的简化动力学模型在当量比0．1～1．3,温度300～3000 K的范围,对着火时刻的预测与详细模型(544种组分,2 446个反应)吻合较好．

纳米流体在散热器管中的传热模拟

为研究纳米流体在汽车散热器中的传热能力,利用Pro/E和Hyper Mesh建立散热器扁平管的三维网格模型,再将其导入Fluent中,建立纳米流体在散热器管中的传热模型,以γ-Al_2O_3-EG纳米冷却液为研究对象,仿真模拟γ-Al_2O_3-EG在散热器管道中的传热状况,得到管道的温度分布,并结合数值计算获得纳米流体的性能参数及其变化趋势,研究纳米粒子对基液冷却性能的影响规律。结果表明:γ-Al_2O_3-EG纳米流体的最大雷诺数为1 237,在管道中层流流动;随着纳米粒子体积分数φ的增加,热流量Q先增大后减小,最大值为639.36 W;初始温度显著影响着纳米流体的传热系数h,当φ=1 vol%时,h40=h60×39.44%;体积流量fv由5 L/min增大至10 L/min时,努塞尔数Nu有最大增幅30.54%。

双燃料发动机温室气体排放预测和影响因素分析

基于柴油-天然气双燃料发动机测试台架中等转速(1500 r/min)下400,800,1200,1600 N·m 4个扭矩工况的试验数据,以发动机扭矩、喷油正时、喷油压力和天然气替代率为模型输入参数,以温室气体CO_(2)和CH_(4)排放值为模型输出参数,构建了基于粒子群算法优化的BP神经网络的温室气体排放预测模型。模型的预测结果显示:在测试集上CO_(2)和CH_(4)排放预测值的决定系数(R 2)分别为0.99762和0.99809,平均绝对百分比误差(MAPE)分别为0.97%和3.85%,模型具有良好的泛化能力和预测精度。基于构建的排放预测模型,采用平均影响值(MIV)算法分析了发动机在中等转速工况下扭矩、喷油正时、喷油压力和天然气替代率对CO_(2)和CH_(4)排放的影响,结果显示发动机扭矩对CO_(2)和CH_(4)排放的影响占主导地位,贡献率分别达到了71.8%和50.8%;当模型中发动机扭矩设定在小负荷工况,天然气替代率对CO_(2)和CH_(4)排放的影响权重最大。

定容弹内煤制油喷雾及着火特性的可视化研究

煤制油的生产工艺成熟、来源广泛,有利于降低我国对石油进口的依赖。通过定容燃烧弹进行了可视化研究,分析了煤制油在不同环境条件下的喷雾和着火特性。研究结果表明,煤制油喷雾和柴油喷雾在不同工况下均表现出良好的一致性,喷雾发展趋势相同。当环境温度保持500 K不变,随着环境压力由3 MPa提高到6 MPa,煤制油喷雾的贯穿距减小了22.67%,而喷雾锥角增大了46.9%。随着环境温度的提高,大量燃油液滴在破碎后迅速汽化,故喷雾贯穿距和喷雾锥角均表现出明显的降低趋势。在高环境压力下,煤制油的着火时刻提前,火焰浮起长度由38.8 mm缩短至30 mm,并表现出良好的球形火焰形态。与柴油相比,煤制油喷雾的贯穿距较短而锥角较大。在500 K,6 MPa的环境条件下,煤制油和柴油的喷雾贯穿距分别为46.4 mm和49.6 mm,表明煤制油在实际使用时更不容易产生撞壁现象。

喷射策略对直喷氢气发动机燃烧与排放的影响

为了提高缸内直喷氢气发动机的热效率,利用三维软件CONVERGE建立氢气发动机单缸仿真模型,分析了不同喷射策略对缸内混合气形成、燃烧与排放的影响。结果表明:随着喷射压力的增大,喷射持续时间缩短,喷氢持续期内湍动能增大,有利于提高混合气均匀性,但喷氢结束后缸内湍动能迅速衰减,对混合气的混合影响作用变小。喷射压力为4 MPa时,缸内形成的分层混合气促进了燃烧进行,使CA50更接近压缩上止点,热效率增大,但升高的燃烧温度使得NO_(x)排放增加。随着喷射正时延迟,混合时间缩短,均匀性呈现下降趋势,利用活塞顶部凹坑可提高混合气均匀性,上止点前100°CA时热效率提高,延迟至上止点前80°CA,均匀性过低,缸壁聚集大量浓混合气使传热损失增加,热效率降低。

喷射压力和喷孔直径对柴油机混合燃料喷雾特性的影响

应用平面激光诱导荧光(PLIF)技术研究了喷射压力、喷孔直径对混合燃料喷雾特性的影响.结果表明:在相同的喷射压力下,混合燃料的挥发性越高,喷雾前锋贯穿距离和喷雾锥角(远场和近场)越大;随着喷射压力的提高,喷雾锥角增加,喷雾前锋贯穿距离呈现出一定程度的线性增长,但混合燃料挥发性对喷雾前锋贯穿距离的影响有所减小;在喷雾发展过程中,近场锥角呈现出先减小再保持在一个相对稳定的数值趋势,而远场喷雾锥角呈现先减小然后保持不变之后再增大的趋势,但全程远场喷雾锥角的变化不大;在相同喷孔直径下,混合燃料的挥发性越高,喷雾前锋贯穿距离越长,喷雾锥角越大,当喷孔直径从0.18,mm缩小到0.10,mm时,挥发性对喷雾锥角增长率的影响略有减小,随着喷孔直径的增大,喷雾前锋贯穿距离呈现出一定程度的线性增长,但喷孔直径对远场喷雾锥角的影响大于对近场喷雾锥角的影响.

适用发动机性能预测的先进机器学习方法

为了提高六缸重型柴油-天然气双燃料发动机的性能、减少污染物排放,使用反馈神经网络、支持向量机和高斯处理3种先进的机器学习方法来建立以发动机的转速、扭矩、柴油预喷提前角、柴油预喷比例和天然气替代率作为输入,以NO_(x)、CO_(2)和比油耗作为输出的预测模型,对比3种机器学习模型的预测结果。结果表明:高斯处理(Gaussian processing, GP)模型的预测精度最高,其输出变量的总体决定系数分别为0.960 1、0.991 9和0.993 5,相比于反馈神经网络(feedback neural network, FNN)和支持向量机(support vector machine, SVM),NOx预测精度分别提高3.7%和2.6%,CO_(2)排放预测精度提高约3%,比油耗(brake specific fuel consumption, BSFC)预测精度分别约提高4%和8%;GP模型预测NO_(x)、CO_(2)和BSFC的总体均方相对误差均小于0.13,总体平均绝对百分比误差均小于0.1%。

MULINBUMP复合燃烧系统多次脉冲喷油控制参数的优化研究Ⅱ:5次脉冲喷油控制参数的优化

利用基于微种群遗传算法和改进的KIVA程序搭建的发动机多参数优化模拟平台,开展了MULINBUMP复合燃烧系统多次脉冲喷油控制参数的优化研究。主要对5次脉冲喷射的喷油压力、喷油定时、各脉冲油量和脉冲间隔等11个参数进行优化。优化后发动机的油耗降低了25.4%,而NOx和碳烟排放值限制在预先规定的范围内,这说明微种群遗传算法非常适合发动机多参数优化问题的求解。分析优化结果发现,提高喷油压力联合递增式的喷油规律能够显著减少燃烧室内油滴数密度和缸套"湿壁"油量,促进均匀混合气的形成;精确控制后期脉冲喷油时刻,使后期喷油落在燃烧室内,可以充分利用燃烧室凹坑内的新鲜空气,提高燃烧效率。

喷射压力及环境背压对松油-柴油混合燃料喷雾特性的影响

为探究柴油/松油混合燃料的喷雾特性,基于高压可视化容弹试验台,通过高速摄影技术对掺松油的柴油混合燃料的喷雾过程进行试验研究,分析了喷射压力、背压和燃料物性的改变对喷雾宏观参数的影响。结果表明:混合燃料的喷雾贯穿距离先呈现一定程度的线性增长,然后增长幅度逐渐变小,喷雾锥角呈先减小再保持在一个相对稳定的数值趋势,但全程锥角变化不大;喷射压力从90 MPa升高至150 MPa,混合燃料的喷雾锥角和贯穿距离的平均增幅分别为9.2%和15%;背压从3 MPa增加到5 MPa,混合燃料的平均喷雾锥角增幅约2.6°,而贯穿距离降低11 mm左右,说明背压的改变对喷雾特性影响显著;将广安公式适当地修正可与混合燃料的贯穿距离相互吻合;向柴油中掺混一定比例的松油后,燃料的黏度降低,会引起喷雾锥角、贯穿距离和油束面积均小幅增大,增强燃料的油气混合。试验研究有助于改善柴油的雾化质量,可为柴油机代用燃料的筛选提供参考。

边界参数对HCCI发动机燃烧影响的模拟研究

为了研究边界参数对柴油均质压燃(HCCI)发动机燃烧过程的影响,应用CHEMKIN化学动力学软件包中的SENKIN程序以及正庚烷(n-heptane)氧化反应简化模型,模拟了不同进气温度、进气压力和当量比等边界参数对HCCI发动机燃烧及排放特性的影响。结果表明,在相同当量比条件下,增压可以拓宽HCCI发动机负荷工况范围,同时保持氮氧化物排放基本不变;过浓或过稀的混合气导致CO排放增加;混合气浓度分层增加NO排放。

进气氧浓度和喷油正时对柴油机低温燃烧特性影响的试验研究

在一台四缸增压直喷式柴油机上进行不同进气氧浓度和喷油正时对柴油燃料低温燃烧特性影响的试验研究。研究结果表明:降低进气氧浓度,缸内压力和放热率峰值迅速下降,放热率始点推迟,滞燃期延长,有效燃油消耗率增加,氮氧化物(NO_x)排放大幅降低,CO排放增加。当进气氧浓度较高时,碳烟排放变化较小,而随着进气氧浓度的进一步下降,碳烟排放急速增加。在相同的进气氧浓度下,随着喷油正时的提前,滞燃期先减小后增大,CA50逐渐向上止点靠近,最大压力升高率增大,燃油消耗率下降,NO_x和碳烟排放增大,CO排放减小。

一个新的用于HCCI发动机燃烧研究的正庚烷化学反应动力学简化模型

提出了一个新的适用于HCCI发动机燃烧研究的正庚烷化学反应动力学简化模型,包含44种组分和72个反应。由四个子模型组成:低温反应子模型是在Li等人模型的基础上,定义具体的醛类(RCHO)产物和小分子碳氢产物(Rs)而构建;增加了用于链接低温反应向高温反应过渡的大分子直接裂解成小分子反应子模型;高温反应子模型是在Griffiths等人模型的基础上,去除了无关的基元反应,增加两个关于CO和CH3O的氧化反应而构建;此外,还采用了Golovitchev简化模型中NOx生成子模型。新模型能够模拟正庚烷HCCI燃烧的冷焰和热焰反应以及NOx生成的整个过程,与详细模型计算结果吻合较好。CPU计算时间是详细模型的1/1000,为CFD多维模型与化学反应动力学模型相耦合的燃烧计算提供了可行的途径。

正丁醇-柴油低温燃烧碳烟前驱物生成机理

以正庚烷-正丁醇-多环芳香烃-甲苯简化机理作为正丁醇-柴油混合燃料燃烧化学反应动力学机理,应用计算流体动力学软件耦合化学动力学机理建立三维数值模型,研究了正丁醇掺混比例和EGR率对正丁醇-柴油混合燃料低温燃烧碳烟前驱物(苯(A1)、萘(A2)、菲(A3)和芘(A4))生成的影响.结果表明:碳烟前驱物主要在预混燃烧阶段生成.随着正丁醇掺混比例的增加,A1、A2、A3和A4的生成时刻延迟,A1的最终生成量先增加后减少,A2、A3和A4的最终生成量减少.随着EGR率的增加,A1、A2、A3和A4的生成时刻延迟,A1的最终生成量增加,A2、A3和A4的最终生成量先增加后减少.A3的最终生成量峰值所对应的EGR率随着正丁醇掺混比例的增大而减小.

松油掺混燃料的喷雾及燃烧排放特性试验

为探究松油作为柴油机替代燃料的可行性,在定容弹中结合高速摄影技术对松油掺混比例为20%,、40%,和50%,的柴油/松油混合燃料在不同喷射压力及背压下的宏观喷雾特性进行可视化研究;同时基于一台4缸涡轮增压柴油机,研究掺混燃料在不同负荷下的燃烧和排放特性.结果表明:随喷射压力及背压的改变,4种燃料喷雾特性的变化规律一致;相同条件下松油掺混燃料的喷雾锥角、贯穿距及油束面积均比柴油大,且松油掺混比越大,雾化效果越好.在试验负荷范围内,松油掺混燃料的有效燃油消耗率、最大压力升高率比柴油略大;在全负荷工况下50%,掺混燃料的转矩较柴油仅降低2%,表明松油可提供与柴油相当的动力输出.掺混燃料在低负荷时的NO_x、CO和THC排放均高于柴油,中、高负荷时掺混燃料的CO及THC排放低于柴油,NO_x排放与柴油差别不大;通过增加松油掺混比例可以大幅降低碳烟的排放.

适用于HCCI的正庚烷化学动力学简化模型的研究和比较

利用敏感性分析、主要组分分析以及准稳态假定3种方法,将含有44种组分和72个反应的SKLE正庚烷简化模型再简化到40种组分和56个反应;简化后的模型对滞燃期的预测结果与LLNL详细模型非常接近,与激波管实验结果基本吻合,适用于HCCI发动机的多维模型的计算.与其他模型比较发现,Patel等人的模型缺少在低温区起关键作用的反应,即二次加氧反应(.QOOH+O2.OOQOOH),而Tanaka等人的模型缺少了CO的主要生成历程;在HCCI发动机典型工况范围内,SKLE简化模型预测着火时刻与LLNL详细模型吻合最好,Tanaka等人模型和Patel等人模型表现稍差,说明构建简化动力学模型时必须保证低温反应路径主干完整,同时不能忽略CO的主要生成历程.

柴油机多脉冲喷射预混燃烧过程多维数值模拟

建立了三维CFD耦合化学反应动力学模型,对柴油机缸内多脉冲喷射形成的预混燃烧过程进行了模拟,结果表明:该模型能够较准确地预测缸压曲线、着火时刻、NOx和CO2排放,能够预测着火位置、燃烧中间产物和有害排放物的生成历程。多脉冲喷射预混燃烧产生的NOx、CO和未燃HC排放主要来源于靠近缸壁余隙内,要提高这种燃烧方式的效率和降低排放,关键是要减少燃油附壁。

MULINBUMP复合燃烧系统多次脉冲喷油控制参数的优化研究Ⅰ：发动机参数优化模拟平台的建立

在MULINBUMP复合燃烧系统多次脉冲喷油控制参数的优化过程中,利用一种高效全局智能寻优方法——微种群遗传算法,并结合发动机三维数值模拟程序KIVA,建立起一个发动机多参数优化模拟平台。为提高模拟精度对标准的KIVA程序进行了改进,引入KH-RT雾化模型、层流和湍流多重特征时间尺度燃烧模型、Han和Reitz传热模型以及Hiroyasu和Nagle碳烟排放模型来模拟柴油机多次脉冲喷雾、燃烧、壁面传热及排放过程,同时增添改进的Shell自燃模型来模拟着火过程。计算结果表明,采用改进的KIVA程序计算的喷雾贯穿距、缸内压力、着火时刻、燃烧放热率以及NOx和碳烟排放更接近试验结果;用改进的KIVA程序能够较好地模拟柴油机多次脉冲喷雾和燃烧过程,为进一步利用三维数值模拟计算来指导多脉冲喷油控制参数的优化奠定了基础。

正庚烷化学动力学简化模型的构建及优化

提出了一个新的适用于HCCI发动机燃烧模拟的正庚烷化学反应动力学简化模型(40种组分和62个反应)。由三个子模型组成:低温反应子模型是在Li等人模型的基础上,定义具体的醛类(RCHO)产物和小分子碳氢产物(Rs)而构建;增加了用于链接低温反应向高温反应过渡的大分子直接裂解成小分子反应子模型;高温反应子模型是在Griffiths等人模型的基础上,去除了无关的基元反应,增加两个关于CO和CH3O的氧化反应而构建。另外,采用遗传优化技术对模型动力学参数进行调整。计算表明,新模型能够在当量比0．2-1．2,温度从300-3000 K的范围内精确模拟正庚烷HCCI燃烧时冷焰和热焰反应过程,与详细模型(544种组分和2446个反应)计算结果吻合较好。

柴油/PODE_(3-4)混合燃料喷雾特性的试验

基于高压可视化定容燃烧弹试验台,利用高速摄影技术和激光粒度仪对柴油/PODE_(3-4)混合燃料喷雾特性进行研究,分析了燃料物性、喷射压力和喷孔直径对混合燃料宏观与微观特性的影响.结果表明:混合燃料的喷雾贯穿距离大于纯柴油,并呈现先增大后趋于稳定的趋势;在高喷射压力下,相比纯柴油,混合燃料的喷雾贯穿距离增幅较为明显,但平均喷雾锥角增长幅度较小;增大喷孔直径,混合燃料与纯柴油的喷雾锥角和喷雾贯穿距离都增大;喷射压力升高,混合燃料的索特平均直径(SMD)都下降,柴油下降幅度最小,D_v90降幅较为明显,说明在喷射压力影响下,大液滴更容易破碎成小液滴;随着喷孔直径增大,混合燃料的SMD、D_v10、D_v50和D_v90都呈上升趋势,说明较大的喷孔直径不利于混合燃料喷雾特性的改善.