临界温度下循环喷油量对柴油机冷起动和排放特性的影响

为探明循环喷油量对小型农用柴油机冷起动特性和排放性能的影响规律,同时寻求其临界温度下的最佳循环喷油量,该研究以一款直列双缸高压共轨柴油发动机为研究对象,利用环境模拟舱整机试验平台,通过多次预试验测得海拔2000 m下,该机不开启预热装置能够成功起动的临界温度为-5℃。在此工况下,采用3次喷射方式,通过改变主喷油量研究循环喷油量对该机冷起动特性和排放性能的影响。结果表明:较大或较小的循环喷油量均会导致柴油机冷起动时间增加,甚至起动失败;随着循环喷油量增大,冷起动时间先减小后增加,循环喷油量为20 mg时冷起动时间最短,且HC、CO排放峰值均最低,分别为12984和3008 mg/L;增大或减少循环喷油量均会导致HC和CO排放峰值增加。循环喷油量较大时,CO排放峰值显著增加,并且峰值出现时刻提前。改变循环喷油量对NOx排放峰值有较大影响,循环喷油量为30 mg时NOx排放峰值最小,为368 mg/L。综合考虑,海拔高度2000 m,环境温度-5℃工况下该柴油机起动的最佳循环喷油量为20 mg。研究结果可为柴油机冷起动特性和排放优化提供支撑。

燃烧系统参数对商用车发动机燃烧和排放特性的影响研究

为改善商用车发动机性能,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟、正交设计等方法,针对某商用车的燃烧室结构参数设计了4种新方案,并选取油束夹角、喷雾锥角、主喷正时等3个喷油参数开展多因素影响研究。结果表明:燃烧室形状曲线向内收缩且最大半径增大的方案1燃烧室可提升缸内湍流特性,改善燃油浓度分布,使燃烧速度加快,油气混合更好,为最优方案。在喷油参数研究方案中,以碳烟(soot)排放为优化指标时,油束夹角对排放特性影响最大,最优匹配方案是油束夹角147°、喷雾锥角15°、主喷正时-1°,其缸内碳烟排放较原机下降13.91%,且NOx排放减少13.98%;以氮氧化物(nitrogen oxides,NOx)排放为优化指标时,主喷正时对排放特性影响最大,最优匹配方案是油束夹角160°、喷雾锥角25°、主喷正时-1°,其缸内NOx排放较原机降低37.79%。

不同海拔下甲醇替代率和主喷正时对RCCI发动机性能的影响

为探究不同海拔条件下甲醇/柴油反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition, RCCI)发动机的运行特性,该研究基于甲醇/柴油双燃料发动机试验台架,试验研究1 800 r/min、100%负荷和3 200 r/min、100%负荷下不同甲醇替代率、柴油喷射正时对发动机燃烧与排放性能的影响规律。结果表明:不同海拔条件下随着甲醇替代率的增加,缸压和瞬时放热率峰值逐渐升高,燃烧始点和燃烧中心前移,当量有效燃油消耗率(equivalent brake specific fuel consumption, ESFC)降低,有效热效率升高,NO_x和碳烟排放大幅降低,THC(total hydrocarbons)和CO排放增加。1 800 r/min、100%负荷工况下,甲醇替代率由0增至20%,0、1 000、2 000 m海拔下最大缸压平均增加1.72 MPa,瞬时放热率峰值平均升高25.08 J/(°),ESFC平均降低4.67%,有效热效率平均升高4.90%,NO_x和碳烟排放分别平均降低16.63%和50%,THC和CO排放量分别平均增加142.03、388.18 mg/kg。3 200 r/min下甲醇替代率由0增至7%,不同海拔高度下ESFC平均降低1.76%,有效热效率平均升高1.79%,NO_x和碳烟排放量分别平均降低8.17%和20.70%。海拔高度由0升至2 000 m,1 800 r/min、20%甲醇替代率与3 200 r/min、7%甲醇替代率下,瞬时放热率峰值分别降低4.80和8.08 J/(°),燃烧中心分别推迟1.44°和1.43°,有效热效率分别降低0.82%和0.68%,ESFC分别升高2.10%和1.99%,NO_(x)排放量分别减少10.61%和7.35%,碳烟排放分别增加26.54%和32.12%,THC排放分别升高29.88%和15.45%,CO排放量分别增加22.42%和18.15%。固定甲醇替代率后,随着柴油主喷正时提前,不同海拔条件下缸压和放热率峰值逐渐升高,燃烧中心向上止点靠近,ESFC逐渐降低,有效热效率升高,碳烟排放减少,NO_(x)、THC和CO排放增加。1 800 r/min、15%甲醇替代率下,主喷正时从-1.5°提前至-7.5°,不同海拔高度下ESFC平均降低8.27%,有效热效率平均升高9.08%,碳烟排放平均减少90.94%。为提升高海拔条件下甲醇/柴油RCCI发动机的热效率和燃油经济性,可以适当增大柴油主喷正时。研究结果可为不同海拔环境下甲醇/柴油RCCI发动机燃烧与污染物排放控制优化提供参考。

基于NSGA-Ⅱ与RBF神经网络的DPF结构参数优化

为降低某型号柴油机颗粒捕集器(DPF)在运行过程中的流动阻力,并使其保持较高的捕集效率。采用试验设计方法抽取代表性样本集,并分析影响因素对DPF捕集性能影响的显著性。利用径向基函数(RBF)神经网络构建所选变量与目标函数映射关系代理模型,并结合第二代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)与结合熵权的优劣解距离排序法(TOPSIS)得到关于目标函数的一组最优解。结果表明:该型号DPF平均压降降低了14.58%,且DPF平均捕集效率保持99%以上。

农用柴油机钢活塞销孔-销的摩擦副润滑特性分析

为解决钢活塞销孔-销摩擦副因同种材料摩擦配副问题以及钢材密度大和导热性能差所带来的润滑特性差的问题,该研究以D25TCIF农用柴油机钢活塞为对象,建立钢活塞连杆组传热模型和热弹性流体动力学模型,并开展钢活塞温度场测试试验与仿真验证。结合单因素扫值法和Box-Behnken多因素优化算法分析了销孔轴承间隙、销孔表面粗糙度和销孔指数型线内外半径增量变化对销孔轴承润滑特性的影响。结果表明:销孔结构对轴承的润滑特性有很大影响,销孔指数型线内半径增量的影响最大,而外半径增量的影响较小。最优参数组合为销孔轴承间隙0.021 mm、销孔表面粗糙度0.798μm、销孔指数型线内半径增量0.008 mm、销孔指数型线外半径增量0.010 mm,此时预测的最小油膜厚度为0.979μm;最大粗糙接触压力为249.406 MPa,与该方案下仿真值的相对误差小于5%。该研究优化方法效果好,且预测准确,可为后续的钢活塞销孔结构设计提供理论依据。

36MnVS4和46MnVS5连杆裂解性能差异性研究及质量缺陷分析

针对高强度的36MnVS4和46MnVS5两种裂解连杆用非调质材料,开展了连杆裂解加工性能的对比分析,探究了影响连杆裂解质量的原因,并对连杆裂解加工的边界作出了优化,分析了连杆结构对裂解加工性能的影响。根据连杆实际裂解加工特性,设置了有限元模拟的边界条件。通过分析裂解槽根部的主应力和塑性应变的分布特征,获得了不同材料连杆的裂纹萌生位置;用ABAQUS和FRANC3D两个有限元软件模拟了连杆裂解的裂纹扩展过程,并进行了对比分析;优化了36MnVS4材料裂解加工的加载速度;分析了连杆结构对裂解性能的影响。研究结果表明:在相同边界条件下,46MnVS5材料裂解性能较好,裂纹萌生位置趋向于唯一,缺口敏感性低、断裂脆性较好、裂解速度较快,所需的裂解载荷更大;在25 mm/s的加载速度下,36MnVS4材料的裂解性能得到优化;理论断裂面面积较小的连杆结构裂解性能相对较好。

振荡条件下金属颗粒对气液两相流动与混合特性影响的试验研究

为进一步提升柴油机活塞腔的换热性能,通过加入金属颗粒来提升振荡状态下的两相混合程度。采用振荡流动试验方法,结合数字图像处理技术,研究金属颗粒在振荡状态下的运动学特性和两相振荡流动特性,进一步讨论转速、充液率对金属颗粒运动和最大气泡直径和混合率的影响。结果表明:转速是影响气液两相流振荡流动效果的主要因素。随着转速的增加,金属颗粒到达方腔上壁面时间缩短,瞬时速度增大,相对于270 r/min,330 r/min冲击上壁面的平均速度变化率增加133%,冲击壁面的强度增加。相对于25%充液率,75%充液率的金属颗粒冲击上壁面的最大瞬时速度降低68%,充液率过高,降低颗粒冲击上壁面强度。50%充液率左右和高转速条件下,颗粒冲击壁面强度降低,但气液两相流混合程度最好。

增程式电动汽车动力系统一体化冷却传热分析

以一款增程式轻型卡车为研究对象,对增程式动力系统的发动机和电机采用一体化冷却系统设计。在预设的运行工况,通过试验测试,计算出工况点增程器和电驱系统的散热需求,对冷却液和冷却水泵进行选型匹配。结合试验测试建立了增程器和电驱系统冷却回路一维仿真模型,对比分析了电驱系统冷却管道串联与并联的冷却效果与能耗情况,验证了驱动电机冷却液帮助发动机冷起动的可行性。研究结果表明:通过试验测量散热量选择到的电子水泵,能更加高效准确地控制冷却液流量,冷却效果更好。冷却系统一维仿真分析中能从温升曲线直观看到并联冷却管路冷却效果更好,并联管路中的电磁阀根据工况不同控制开口大小,比串联管路统一控制冷却液流量冷却更高效。并联冷却管路中驱动电机冷却时快速产生热量,在与发动机冷起动时进行热交互可以帮助发动机快速暖机,改善发动机冷起动排放差、动力弱的情况。

柴油机活塞环组动力学特性分析及多目标优化设计

以一款非道路柴油机为研究对象,结合实测活塞温度场建立了活塞环组动力学仿真模型,并通过漏气量和机油耗试验研究验证了模型的准确性。通过正交试验设计进行析因分析,选定顶环开口间隙、二环侧隙、顶环和二环切向弹力作为决策变量,引入支持向量机的帕累托多目标优化算法,以降低柴油机漏气量和机油耗为优化目标,通过K-means聚类算法得到3种优化方案。与原机相比,方案A的漏气量降低了3.69 L/min,降幅达23.50%,而机油耗只减少了0.27 g/h;方案B的漏气量和机油耗分别降低了2.55 L/min和0.49 g/h;方案C的漏气量只减小了1.39 L/min,但机油耗降低了0.44 g/h,降幅达12.05%。研究结果表明适当减小顶环开口间隙和二环侧隙和合理的切向弹力可以有效减小漏气量和机油耗,优化结果可为高效清洁的柴油机活塞环组设计提供理论依据。

农用柴油机活塞环组机油消耗和窜气的灰色关联分析与预测

活塞环组的润滑和密封性能直接影响柴油机的动力性、经济性和排放特性,机油消耗量(lube oil consumption,LOC)和窜气量(crankcase blow-by,CB)是评估活塞环组润滑和密封性能优劣的主要指标。为探究影响农用柴油机活塞环组LOC和CB的影响因素及LOC和CB对影响因素的敏感程度,该研究提出农用柴油机活塞环组LOC和CB的多影响因素系统分析及预测方法。以YNF40农用柴油机为对象,首先搭建柴油机LOC和CB测试台架,建立活塞环组运动学与动力学仿真模型并验证模型的精确度和可靠度,然后采用灰色关联分析(grey relation analysis,GRA)得到不同影响因素的灰色关联度(grey relational grade,GRG),并基于此进行影响因素敏感性分析,最后基于BP神经网络建立不同转速工况下LOC和CB瞬态变化的时间序列预测模型。多因素GRG分析结果表明:对活塞环组LOC和CB影响最敏感和最不敏感的因素分别是活塞第一环槽下边缘倒角和活塞第三环槽背隙,其对应的GRG分别为0.89279和0.58361,得到目标与影响因素敏感程度的降序排列为:第一环槽下边缘倒角、顶环开口间隙、第一环槽下侧环岸间隙、第二环槽侧隙、第二环槽下边缘倒角、第二环开口间隙、第三环槽上边缘倒角、油环开口间隙、第二环槽上边缘倒角、第一环槽背隙、顶环切向弹力、第三环槽上侧环岸间隙、顶环环槽下侧轮廓倾角、第二环槽下侧环岸间隙、第一环槽上侧环岸间隙、配缸间隙、第三环槽侧隙、第一环槽上边缘倒角、顶环环槽上侧轮廓倾角、第一环槽侧隙、第二环槽上侧环岸间隙、第三环槽下边缘倒角、第二环槽背隙、第三环槽下侧环岸间隙、顶环上端缩减量、第三环槽背隙。LOC和CB随活塞第一环槽下边缘倒角和活塞第三环槽背隙变化的平均标准差分别为2.81、3.90和0.003、0.209。各影响因素与LOC和CB的GRG越大,LOC和CB随影响因素变化的平均标准差越大,对影响因素越敏感。BP神经网络时间序列预测结果表明:预测值与真实值的变化趋势较一致且都分布在95%置信带以内,模型具有较高的预测精度。研究结果可为农用柴油机提高热效率、减少和控制碳排放提供有效指导。

径向密封泄漏作用下喷射策略对柴油转子发动机燃烧过程的影响

为进一步提升柴油转子发动机的性能,对柴油转子发动机缸内燃烧过程进行了研究。此外,考虑到转子发动机在实际工作过程中难以避免的径向泄漏,建立了一种考虑径向密封泄漏的周边进气转子发动机三维动态计算模型,并对模型进行了验证。结合该计算模型,研究了柴油喷射时刻和喷射持续期对燃料分布及燃烧过程的影响。结果表明:当喷射时刻为上止点前80°曲轴转角且喷射持续期为50°曲轴转角时可获得较好的燃烧和排放特性。与原方案相比,缸内峰值压力提升了11.38%,碳烟和CO生成量分别降低了78.71%和92.72%,NO_(x)和CO_(2)生成量有所增加。

缸盖螺栓连接副结构对柴油机铝合金缸体缸孔变形的影响

通过建立缸盖-缸垫-缸体耦合模型,采用数值仿真方法,研究了柴油机铸铁缸体和铝合金缸体在施加相同缸盖螺栓预紧力时,改变螺栓孔设计参数对缸孔关键截面失圆变形和平均圆度、圆柱度、同轴度和漏光率4个评价指标的影响。研究发现,铸铁缸体和铝合金缸体的关键截面在傅里叶变换下变形趋势基本一致,除了漏光率基本不变外,平均圆度、圆柱度、同轴度分别增大了54.40%、38.39%、27.08%;对于铝合金缸体,减小沉孔和螺栓孔比值能减小各截面的综合变形,同时平均圆度、圆柱度、同轴度也会减小,但处于螺纹主要受力段以下的截面在傅里叶四阶变形的极值相位角一致性变差;保持沉孔深度不变,适当增加螺纹旋合长度方案下缸体缸孔平均圆度、圆柱度、同轴度下降速率最明显;保持螺纹不变,减小沉孔深度方案下缸体缸孔平均圆度、圆柱度、同轴度的值最小,相较于原始缸体分别下降了32.74%、31.24%、39.34%。

销孔铜套结构参数对活塞疲劳寿命的影响分析

为了减小热机载荷对活塞疲劳寿命的影响,以一款非道路柴油机为研究对象,建立了活塞疲劳寿命模型,并通过活塞温度场试验验证了模型的准确性。通过单因素试验确定了不同因素的取值范围,并利用Plackett-Burman试验设计分析了各个因素对活塞热–机耦合应力的影响权重及分布规律。将影响权重较大的因素引入Box-Behnken多因素优化算法,以提高活塞疲劳寿命为优化目标,得到销孔铜套最优结构参数。综合研究表明,优化后的方案与原方案相比,热–机耦合应力降低了56.86 MPa,降幅达28.75%;活塞疲劳寿命提高了6.46×109次,提高幅值为448.61%。合理增加铜套水平椭圆度、内侧直径增量、摩擦副之间的摩擦系数和铜套–销间隙,可以有效减少活塞热–机耦合应力,提高活塞的疲劳寿命。

增值肥料和稳定性肥料的应用研究进展

增值肥料和稳定性肥料不仅具有促进作物生长的功能,而且可以有效减少氮素损失、提高氮肥利用率、减轻环境污染。介绍了增值肥料和稳定性肥料的分类及其主要产品的特点,综述了目前对两种肥料的研究及其应用中存在的问题,展望了绿色高效增值肥料和专用稳定性肥料的发展方向,旨在为绿色智能、作物响应型肥料的研发提供参考。

非道路涡轮增压柴油机高原适应性研究

为改善非道路柴油机高海拔条件下功率下降、经济性及排放性能恶化、高速增压器超速等问题,利用柴油机高原环境模拟台架试验结合一维仿真研究了0~4000 m海拔环境下增压器运行特性、柴油机综合性能参数等随海拔高度的变化规律及影响机理。针对柴油机的变海拔性能恢复目标,通过对增压系统进行参数计算和选配,提出一种带有废气旁通阀的两级涡轮增压匹配方案。研究结果表明:变海拔条件下,非道路柴油机各性能参数呈现非线性变化,在转速800~2800 r/min全负荷工况下,柴油机动力性、经济性变化梯度呈现出先减小后增大的“浴盆形”趋势。在0~2000 m海拔环境下,柴油机转矩降幅达4.3%,有效燃油消耗率降幅达6%。随着海拔升高,中冷前温度与涡前温度逐渐升高,增压压力与涡前压力逐渐降低,CO、全碳氢和NOx排放升高。匹配两级增压系统后,对比原机4000 m海拔运行工况,柴油机功率平均升高14.9%,有效燃油消耗率平均降低11.8%,实现了非道路柴油机的高海拔性能恢复目标。

大气压力/VNT/EGR对车用柴油机性能与排放的影响

为了研究可变喷嘴涡轮增压(VNT)技术、排气再循环(EGR)技术及大气压力三者共同作用对车用柴油机性能与排放的影响,利用大气压力模拟装置开展了相应的试验研究,基于响应曲面法以响应曲面图的形式分析研究VNT喷嘴环开度、EGR阀开度及大气压力3个参数交互作用对柴油机性能与排放的影响。结果表明:随着大气压力的降低及EGR阀开度的增大,柴油机动力性下降,经济性恶化。当VNT与EGR耦合时,在最大转矩工况,在EGR阀关闭及开度较小时,随着VNT喷嘴环开度的减小,转矩呈现增大的趋势,有效燃油消耗率逐渐降低;而在EGR阀开度较大及全开时,随着VNT喷嘴环开度的减小,转矩降低,油耗升高。在标定功率工况,无论EGR阀置于何种开度,随着VNT喷嘴环开度的减小,转矩均增大,油耗均降低。随着大气压力的升高,NOx比排放升高,烟度降低。当VNT与EGR耦合时,在不同的运行工况下,NOx比排放与烟度表现出不同的变化趋势。欲获得良好的整机性能,针对不同的运行工况,需要合理匹配VNT喷嘴环开度与EGR阀开度。

柴油转子发动机的全可变配气系统优化

柴油转子发动机作为动力源头在农业领域中被广泛运用,为使其配气端口的设计与优化向系统化发展,进一步提升转子发动机的性能,提出了配气端口参数化设计及优化方法。根据柴油转子发动机的特性,建立配气端口曲线方程,采用6个配气参数构建转子发动机全可变配气的参数化模型和一维工作过程仿真模型。采用单因素扫值和响应面法,建立了功率及燃油消耗率的回归模型。以功率和燃油消耗率为性能指标,采用NSGA-II方法对全可变配气端口系统进行了多目标优化。研究结果表明,采用单因素扫值和响应面法相结合的方法,响应面回归模型的相关性系数大于0.95,具有良好的准确性与预测性;优化后,进气端口向前移动19.21°曲轴转角(Crank Angle,CA),进气口持续期增大了78.40%,端口宽度扩大了58.89%;排气端口向后移动19.92°CA,持续期不变,端口宽度扩大了46.60%;功率增加了1.07 kW、提升了25.36%,燃油消耗率降低了104.46 g/(kW·h),降低了20.01%。该研究可为转子机配气系统的设计与优化提供参考依据。

柴油机活塞顶面热状态变化规律试验研究

为了探究活塞顶面热状态变化规律,以某型增压中冷柴油机为试验对象,采用薄膜热电偶测温法和引线式传输系统对发动机过渡工况下活塞顶面测点瞬态温度场变化规律进行了试验测试研究,并对试验数据计算得到标定功率工况点和最大转矩工况点活塞顶面不同位置测点温度值。研究结果表明:在过渡工况下活塞温度场发生剧烈变化,其中冷启动过程活塞温度变化幅度最大,达到180 ℃;其次是急加速过程活塞温度变化幅度达到140 ℃。急减速工况下活塞各测点温度先迅速升高,约20 s时达到最大值,4个测点A、B、C、D分别为346、341、314、343 ℃,然后温度缓慢降低,约60 s后趋于稳定。在标定功率工况点,活塞顶面最高稳定温度为331 ℃,顶面各测点温差31 ℃;在最大转矩工况点,活塞顶面最高稳定温度为336 ℃,顶面各测点温差29 ℃。

活塞结构对其传热及强度的影响分析

以一款满足国Ⅴ排放限值的高压共轨柴油机活塞为研究对象,采用硬度塞测温法试验测试分析了标定功率工况下活塞稳态温度场分布和热负荷的大小,结合温度场试验测试结果建立了内冷油道与活塞的流固耦合传热数值仿真模型,仿真分析了活塞销座长度、销孔直径、火力岸高度、同侧回油孔中心间距4个活塞结构参数对活塞传热与结构强度的影响。研究结果发现,活塞的火力岸、内冷油腔、回油孔和销孔处的热流密度较大并出现应力集中。选择活塞销座长度、销孔直径、火力岸高度、同侧回油孔中心间距4个参数,进一步研究活塞结构对其传热及结构强度的影响特征。结果显示,活塞的每个结构参数值改变不仅会较大程度地改变该处的传热性能和应力分布,还会导致其他关键点的应力和温度发生改变,这使得活塞结构修改需更加谨慎。适当增加销座长度、销孔直径和火力岸高度,减小同侧回油孔中心间距,可以改善活塞的受热,也可以降低活塞的整体应力。

稳定和过渡工况下柴油机活塞顶面瞬态热负荷变化规律

发动机活塞热疲劳失效主要有稳定工况下周期性热冲击导致的高周疲劳失效和在冷启动、急加速、急减速等过渡工况下热冲击引起的低周疲劳失效两种形式。为探究柴油机活塞在不同工况下活塞的热负荷变化情况,该文以一款非道路用高压共轨柴油机为研究对象,基于活塞顶面瞬态温度试验测试结果,采用热-机解耦方法建立了稳定工况及冷启动、急加速和急减速等过渡工况下的活塞热负荷有限元仿真计算模型,分析了发动机在稳定工况、冷启动、急加速和急减速过程中活塞的热负荷变化规律。研究结果表明:稳定工况下活塞的热负荷波动现象仅出现在活塞顶面、火力岸和第一环槽位置,且热负荷波动幅值随着距离活塞表面深度的增加而逐渐减小,温度波动深度范围为3 mm;活塞周期性瞬态热应力波动主要发生在活塞顶面,其他区域波动较小,热应力波动深度范围为5 mm,最大热应力波动幅值出现在燃烧室喉口区域,达到32.3MPa。过渡工况下活塞的热负荷变化较大,其中:冷启动过程中活塞的热应力出现跳跃性急剧升高,随后又快速降低的现象,活塞热负荷的变化幅度较大,温度、热应力和热应变分别达到200℃、42 MPa和0.3 mm;急加速过程中活塞温度场、热应力和热变形都急剧升高,虽然活塞的温度和热应变的变化量相对较小,为140℃和0.12mm,但活塞燃烧室喉口热应力变化幅值达到93 MPa,易造成活塞热疲劳失效,从而对活塞可靠性和耐久性产生较大影响;急减速过程出现活塞各测点先短暂升高、后缓慢小幅度降低、并在200 s后趋于稳定的现象,急减速过程中活塞的温度、热应力和热应变的变化幅度均较小,最大变化量分别在30℃、10MPa和0.02 mm以内。研究结果可为高强化柴油机铝合金活塞设计提供参考。