基于子模型的主轴承螺纹疲劳强度分析方法

针对气缸体主轴承螺纹疲劳强度分析与开裂失效问题,基于气缸体主轴承壁疲劳试验构建了虚拟仿真模型,计算获得主轴承壁的应力分布。在此基础上,结合气缸体主轴承壁疲劳试验结果,重新划分网格建立了精细化的主轴承螺纹联接子模型。综合考虑应力梯度、平均应力和表面粗糙度等因素,基于临界平面法和Haigh图建立了主轴承螺纹疲劳强度模型,进行了疲劳强度评估和失效机理分析。结果表明,主轴承螺纹与螺栓联接前几扣的安全系数在螺栓预紧力产生的平均应力影响下逐渐增大,最后一扣位置处安全系数最小为0.8,与试验中开裂位置基本吻合,其开裂原因为模拟气体力主导的应力幅超出材料和结构承载能力。

空穴效应对连杆小头轴承润滑及动力学特性的影响

将热弹流理论与活塞连杆组柔性多体动力学分析结合,利用AVL EXCITE软件建立连杆小头轴承润滑模型,并以油膜压力、轴心轨迹及润滑油填充率确定连杆小头轴承空穴位置,研究空穴效应对连杆小头轴承润滑及动力学特性产生的影响。结果表明,在发动机整个循环工况中连杆小头轴承一直存在空穴现象。考虑空穴后平均峰值油膜压力降低了6.5 MPa,平均油膜厚度降低了1.35μm,活塞销相对连杆小头轴承的速度及加速度分别增大了1.57μm/s和0.25μm/s^(2),连杆小头轴承润滑性能减弱,所受冲击增大。

基于稳态有限元法的组合式活塞疲劳寿命分析

活塞作为柴油机关键部件之一,通过台架试验评估其使用寿命成本昂贵,因此为分析某型号国产研制改进后的柴油机活塞在热-机负荷作用下的疲劳寿命,以该V型增压柴油机的活塞为研究对象,建立活塞连杆机构装配体有限元模型,计算了活塞在热载荷下的温度分布和热-机耦合作用下的应力分布。在此基础上,将实测的柴油机命。计算结果表明,由于活塞头部工作环境恶劣、头部和裙部的接触面受螺栓预紧力挤压,使得活塞的短寿命区出现在燃烧室侧壁面与活塞裙顶部截面突变处;活塞裙部疲劳寿命满足厂商设计使用寿命45000 h,活塞头部仅在特定存活率下满足设计使用寿命45000 h。

基于流固耦合共轨高压油管振动特性研究

为了研究流固耦合作用下共轨系统高压油管的振动特性,建立了高压油管的有限元模型。首先根据输液管道动力学方程,利用ANSYS软件分析管道附加流体质量下的湿模态特性;然后以均方根(root-mean-square)量化时程内的振动能量,研究流固耦合作用下管道不同弯头的振动响应,不同燃油脉动率、压力及激励频率对管道流致振动的影响,最后对比了共振频率下管道增设管夹前后的振动特性。结果表明:流固耦合下管道固有频率下降,在高阶模态下降率较明显,附加质量系数超0.13;不同弯头振动差异较大;振动能量与燃油脉动率呈正相关,与压力大小并无直接关系;接近自振频率下管道发生共振,振幅会急剧增大至超标;并且增设管夹后共振现象消失,振动能量下降率超90%。

基于UG的发动机轻量化设计与节能优化研究

机体轻量化是优化发动机能量利用的主要手段之一.为合理节约能源利用量,针对基于UG的发动机轻量化设计与节能优化方法展开研究.设置UG/Post Builder后置处理器,针对相关参数进行求解,完成基于UG的发动机设计模块开发.控制机体壁厚,在此基础上减少螺栓个数,并改用轻量化曲轴箱,在保证机体高压密封状态的同时,完成发动机组件的轻量化设计.仿真实验结果表明,依照轻量化方法所设计的发动机机体自重相对较小,不会因机体过重而造成能源过量消耗的问题.

基于进气节流耦合后喷策略的柴油机排气热管理

为研究柴油机颗粒物捕集器(diesel particulate filter,DPF)再生升温过程中排气热管理策略对柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)入口温度、发动机性能及污染物排放的影响,该研究分别选取低速低负荷、低速中负荷及中速低负荷工况,通过试验研究进气节流和喷油控制参数对DOC入口温度、燃油经济性及排放性能的影响。试验结果表明:通过进气节流、推迟后喷正时和增大后喷油量能够有效提高DOC入口温度,主喷正时和喷油压力对DOC入口温度的影响较小。基于Box-Behnken试验设计与响应曲面法对低速低负荷工况下进气节流耦合后喷策略的排气热管理策略进行多目标优化,以进气量、后喷正时和后喷油量为因子,DOC入口温度、有效燃油消耗率(brake specific fuel consumption,BSFC)、氮氧化合物(nitrogen oxides,NOx)和烟度排放为优化目标。响应曲面分析结果表明:各因素对DOC入口温度的影响程度从大到小为进气量、后喷油量、后喷正时;对BSFC和NOx排放的影响程度从大到小为后喷油量、后喷正时、进气量;对烟度排放的影响程度从大到小为进气量、后喷油量、后喷正时。当后喷正时为上止点后30℃A、进气量为87 kg/h、后喷油量为6 mg时,DOC入口温度达到最高,此时BSFC为275.4 g/(kW·h),NOx及烟度排放分别为7.38 g/(kW·h)和1.85 mg/m^(3)。优化后最佳进气量、后喷正时和后喷油量分别为87 kg/h、29℃A和5.4 mg,与优化前相比,DOC入口温度提升43.9℃,BSFC增加31.8 g/(kW·h),NOx和烟度排放分别降低18%和29%。研究结果可为DOC入口温度优化控制提供参考。

排气道压力波动对发动机二冲程减压制动性能的影响

为分析排气管内压力波动对发动机二冲程制动功率的影响,以某重型柴油机为研究对象,利用GT-Power建立发动机二冲程制动一维模型,通过修改排气型线开展排气道压力波动对制动性能影响的研究。结果表明:第二次减压制动(the second compression release braking,2nd CRB)相位开启时的压力波动会影响到其他气缸的排气回流,进而影响发动机的制动功率。进一步对排气管进行三维流场计算,证明了其他气缸2nd CRB相位排气门开启时的压力波传递对排气回流阶段排气回流的影响。最后通过试验设计(design of experiment,DoE),结合响应面拟合和粒子群算法对排气管几何尺寸进行优化,优化后该柴油机二冲程减压制动模式下2100 r/min工况的最大制动功率可达到395.08 kW。

高压油泵阻尼孔对燃油系统压力特性的影响研究

为实现更高的热效率和更优的排放,柴油机的喷射压力不断提高。阻尼孔作为高压油泵等压出油阀的关键结构,对燃油系统的压力特性有重要影响。本文研究了阻尼孔大小对喷油器的喷射特性以及高压油管压力波动特性的影响,结果表明:随着阻尼孔由0.1 mm增大至2.0 mm,喷油器喷油持续期相对缩短,循环喷油量减小,这是不同阻尼孔对应的高压油管残余压力大小不同,以及不同阻尼孔大小对系统压力调节的速度不同的结果;此外,阻尼孔较小(0.1 mm)时,燃油系统存在二次喷射现象,而阻尼孔过大(3 mm)时,系统内还会存在零压区,即存在穴蚀的风险;对高压油管残余压力的频谱分析发现,阻尼孔较小时,高压油管内压力脉动与出油阀的运动存在较强的相关性,而阻尼孔较大时,压力脉动与回油阀的运动相关,即供油系统中多种阀件的运动是高压油管压力脉动的主要原因。

低温等离子木质钙钛矿柴油机尾气净化器设计与试验

为有效提高低温等离子体(non-thermal plasma,NTP)协同木质钙钛矿型催化剂净化柴油机尾气的效能,首先,设计了以刚玉管和木质钙钛矿型催化剂为介质的介质阻挡放电反应器(dielectric barrier discharge,DBD),建立了DBD反应器的二维仿真模型,采用COMSOL软件等离子体模块计算DBD反应器不同参数条件下活性物种的数密度,通过分析得出较优的反应器内部参数;其次,设计了低温等离子木质钙钛矿柴油机尾气净化器总体结构,建立了基于压力损失的数值模型,分析不同DBD布置形式对排气背压的影响;最后,搭建发动机台架以对该净化器的净化性能进行试验验证。研究结果表明:当净化器输入电压为15 kV,填充率为30%,DBD并联个数为20,反应器长度为0.16 m时,尾气净化器的排气背压满足国标要求,可实现碳烟颗粒物(particulate matter,PM)、NO_x、CO和HC的同时净化。当发动机转速为2 600 r/min、发动机负荷为50%时,净化器对PM、NO_x、CO和HC的净化效率分别为92%、64%、72%和61%。该研究结果可为NTP协同催化在净化汽车尾气净化领域的应用提供理论参考。

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。

柴油机活塞燃烧室疲劳开裂失效机理研究

以2种不同结构的柴油机活塞为研究对象,在相同的试验条件下进行发动机疲劳耐久可靠性台架试验,直至2种活塞分别开裂失效。试验结束后,采用金相显微镜和扫描电子显微镜对活塞的微观组织和裂纹形貌进行表征,并结合有限元模拟对活塞燃烧室的开裂失效机理进行研究。研究结果表明:活塞在机械或热机耦合载荷作用下,燃烧室底部会出现较高的拉应力,而机械载荷的周向应力最大值出现在销孔方向的燃烧室底部;活塞运行时间越长,活塞材料越容易发生“过时效”,从而导致活塞的强度和硬度明显下降,引发开裂失效风险;通过将活塞内冷油腔位置向上移动,并根据燃烧室形状将内腔顶部进行等壁厚随形设计,可以降低燃烧室部位的机械及热机耦合应力,有效提高活塞服役寿命。

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。

预喷耦合EGR对重型柴油机燃烧和排放的影响

数值研究了预喷和预喷耦合废气再循环(EGR)对重型柴油机大负荷工况下燃烧和排放的影响.通过优化预喷参数和耦合的EGR率,提高了指示热效率,并降低了NO_(x)排放.结果表明:在柴油机大负荷工况下,与单次喷射相比,仅使用预喷方案可使指示热效率提升,碳烟排放下降,但会导致NO_(x)排放恶化.将预喷方案和EGR策略耦合,采用预喷比例为20%配合EGR率为10%~20%,可以保证良好的燃烧相位,在提高指示热效率的同时,降低缸内局部高温和NO_(x)排放.最终选取预喷(预喷比例为20%+预-主喷间隔为8°CA)并耦合EGR策略(EGR率为20%)作为最优方案.该方案使NO_(x)排放较原机下降57.4%,指示热效率提高2.28%.

柴油机复式油气分离器设计与试验验证

设计了一款新型复式油气分离器,采用迷宫式结构作为粗滤组件、滤网作为精滤组件。设计开发了油气分离器部件性能试验台,通过正交试验设计方法设计多方案油气分离器,并基于部件试验台进行多方案性能试验测试。最终设计出满足要求的复式油气分离器,并通过整机试验验证其性能。结果表明,油气分离器综合性能影响因素由强到弱依次为滤网层数、滤网目数、过滤孔孔径、孔数、孔板间距。整机试验发现在300 L/min窜气量下分离效率达到了92.6%,压力损失小于3 kPa,满足发动机使用要求。

柴油机SCR装置自抗扰控制器非线性反馈增益研究

为提升柴油机选择性催化还原(简称SCR)装置在瞬态工况运行时的排放控制品质,本文针对SCR装置设计了一种非线性自抗扰控制系统并基于改进粒子群算法对非线性反馈增益开展了寻优工作。研究结果表明,与前期的非线性反馈增益相比,经改进算法整定后的非线性反馈增益提升了控制系统的鲁棒性,而且经整定后的非线性反馈增益可使得NOx排放控制的准确度提升1.5%,可使过渡过程时间缩短11%。

高压直喷喷射器喷射规律与针阀升程同场测试方法研究

提高直喷式发动机的效率及减小其排放,需要充分了解喷射器瞬态燃料的注入过程。为揭示高压直喷(High Pressure Direct Injection,HPDI)喷射器燃气针阀的动态特性,文章通过多参数同场同时试验,研究针阀运动特性及其影响规律。测试结果表明:气体喷射压力和喷射脉宽是影响针阀运动特性的主要因素;随着喷射压力的增大,燃气针阀的提升速度增快;在相同的注入压力下,随着注入时间的增加,针阀的位移曲线由三角形变为梯形;由于燃料喷射过程中喷射器内部节流位置发生变化,喷射规律曲线与针阀运动曲线呈非线性对应关系。本研究结果可为HPDI喷射器的设计提供标定依据。

径流涡轮机流道壁面冲蚀特性及对性能的影响

碳颗粒作为内燃机燃烧的固有产物,随主流运动时会对涡轮机壁面产生冲蚀,在长时间运行后对性能产生影响。通过两相流数值仿真手段对某径流式涡轮机的壁面冲蚀特性进行了分析,并研究了多种关键参数对涡轮机冲蚀率及性能的影响规律。研究结果表明:颗粒尺寸会对壁面冲蚀分布特征产生影响,对性能的影响呈非线性变化规律;颗粒排放裕度和膨胀比对性能变化率的影响呈线性关系;涡轮机转速的变化对效率变化率的影响呈线性关系,对相似流量变化率的影响呈先快速增加后持续下降的规律。颗粒尺寸和涡轮机工况是影响涡轮机性能变化率的显著因素,比颗粒排放裕度及膨胀比对效率变化率和相似流量变化率的影响分别大5~7倍和19~24倍。

发动机碗形塞结构对密封压力的影响研究

针对碗形塞密封泄漏问题,设计压装试验,与有限元计算相互验证;基于ANSYS工具,在二维模型的基础上,通过仿真计算具体探明并详细分析了碗形塞锥面过盈密封的密封质量与碗形塞结构参数的关系。结果表明:密封面最大压力随碗形塞半径增大而减小,随厚度增大而增大;基于不同过盈量,碗形塞锥面过盈密封可分为上边缘线密封、面密封、下边缘密封3种密封状态;对于D75碗形塞,锥度为1∶20时的最优过盈量区间为0.10~0.14 mm;锥度越大,最优过盈量区间越大。在此基础上,将各规格碗形塞改为锥度1∶10,优化了过盈区间及密封压力,并提出了一种可以增大密封压力和改善压力分布的弧面密封形式。

风冷柴油机高负荷轴流冷却风扇气动优化

针对某型风冷柴油机的具有负预旋前置导叶的冷却风扇,考虑导叶和转子的耦合效应,基于多项式代理模型和第二代非支配排序遗传算法实施了冷却风扇多目标气动优化。优化后的效率和全压在近失速工况分别提升1.19%、4.78%,在设计工况分别提高0.29%、3.16%。采用Sobol全局敏感性分析辨识了关键设计变量,结合优化前后流场变化,获得了风扇气动性能提升的流动机理:导叶叶根安装角的减小和转子叶根安装角的增大,共同减小了转子进口攻角,从而增大风扇等熵效率,并弥补了因欧拉功减小所致的全压降低;转子叶顶安装角减小,在削弱叶根与叶顶扩压不平衡度的同时补偿了全压的损失。

颗粒冲蚀使径流涡轮机性能劣化的数值仿真

涡轮增压器径流涡轮机作为车用柴油机提升性能和控制排放的关键零部件,长期受到尾气颗粒的高速冲蚀,会造成流道壁面粗糙度增加以及性能劣化.以某65K径流涡轮机为研究对象,基于两相流数值仿真方法,研究了流道壁面冲蚀特性的形成机理,并且基于牵引商用车的实际路谱研究了冲蚀对其性能劣化的影响规律.结果表明:流道壁面的局部冲蚀强度与蜗壳几何结构的非对称性密切相关,并在蜗舌位置表现出最高的冲蚀率;在运行时长为50 000 h内,涡轮机整机效率和相似流量相对变化率仿真预测值分别为-3.5%和1.1%,其中前10 000 h内的劣化率分别占总劣化率的56%和70%;基于牵引车实际路谱的计算结果,发展了涡轮机性能劣化随时间增长的经验公式.