内燃机受热部件热疲劳模拟试验台的研究与开发

通过对内燃机受热部件热负荷、热应力和热疲劳损伤的分析,提出以试验的形式模拟受热部件的实际工作状况,实现对受热部件热疲劳强度、热疲劳寿命和可靠性的试验研究。为此,研究了受热部件热疲劳模拟试验台的组成和发展现状,分析了模拟试验台冷却系统、控制系统、温度检测系统、裂纹检测系统、应力应变检测系统和火焰检测系统的研究方法,对以后的研究具有一定的参考价值。

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%。

极寒条件下含氧燃料对柴油机冷起动特性的影响

针对柴油机存在低温冷起动困难甚至无法起动的问题,基于起动/发电机集成一体化技术柴油机,在高原低温发动机冷起动试验舱,研究-50号柴油A0(氧质量分数为0%)、A1(氧质量分数为2.05%)和A2(氧质量分数为4.40%)燃料在-43℃下对柴油机冷起动过程的影响和燃烧特性分析.结果表明:相比A0纯柴油,燃用A1、A2含氧燃料起动时间分别缩短了36.64%和42.71%;起动累计油量分别降低47.8%和60.6%;怠速运行前60 s内转速波动率分别降低25.3%和43.8%.燃用燃料氧质量分数越高,起动燃烧首循环的缸内压力、燃烧放热率、缸内燃烧温度和缸内压力升高率峰值越高,且燃烧重心前移,燃烧持续期越短;起动转速上升过程循环数越少,平均最大缸内压力越大,起动过程燃烧稳定性越好.

基于ADE优化的IPMSM全速域无传感器控制

为了实现内置式永磁同步电机(IPMSM)全速域的无传感器控制和切换速域的平滑过渡,提出了一种基于自适应差分进化(ADE)算法优化的复合控制方法。分别在零低速域、中高速域采用旋转高频电压注入法和滑模观测器法来对电机转速和转子位置进行估算,并在切换速域采用基于ADE算法的权重系数优化法来实现上述两种控制方法的平滑切换,从而实现IPMSM全速域无传感器控制。仿真结果表明:提出的复合控制方法能够实现电机全速域的无感控制和切换速域的平滑过渡,且具有良好的稳定性。

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。

考虑空穴效应的连杆小头摩擦副润滑特性与冲击影响研究

为改善连杆小头轴承润滑及活塞销冲击特性,基于粗糙峰接触理论、平均流量模型及弹流润滑理论,以某高压共轨4缸柴油机为研究对象,运用AVL EXCITE Power Unit软件搭建混合润滑活塞连杆组多体动力学模型,研究了考虑空穴条件下不同转速对连杆小头摩擦副润滑及冲击特性的影响规律。研究结果表明:标定功率转速2400 r/min下,在做功时刻1080°后峰值油膜压力达到最大值197.1 MPa,最小油膜厚度达到最小值1.8μm,而润滑油填充率在整个发动机循环过程中均低于0.12。在怠速800 r/min、最大扭矩转速1600 r/min、标定功率转速2400 r/min下,进气、压缩、做功、排气4个冲程过程中,空穴区域由连杆小头轴承下半区转移至上半区、再转移至下半区。转速升高会导致峰值油膜压力增大,最小油膜厚度减小,粗糙接触压力增大,活塞销Z向速度峰值加大,对连杆小头轴承冲击加重,在缸内最高燃烧压力时刻,800 r/min,1600 r/min,2400 r/min下的平均润滑油填充率均值为0.84,0.70,0.69,因润滑油填充率随转速的升高而降低,空穴程度加重。

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。

柴油机醛类非常规污染物化学动力学机理构建

基于5种不同性质燃料燃烧机理,利用反应路径分析法对甲醛和乙醛的生成进行分析,构建包含43种组分、63步反应的醛类非常规污染物化学动力学机理(醛类机理),并对比该机理预测值与试验值.结果表明:该机理能较好地预测柴油机在较宽当量比范围内的着火延迟时间、层流火焰速度和重要组分生成,还能准确预测柴油机的甲醛和乙醛排放;适当增加柴油机的进气温度、提高进气压力、提前喷油时刻和缩短喷油持续期,可有效减少甲醛、乙醛排放,而增大EGR率会导致二者排放显著增加;对甲醛排放影响最大的因素是喷油提前角,EGR率则对乙醛的影响最大.

甲醇-柴油反应活性控制压燃发动机排放特性与经济性预测及优化

基于甲醇-柴油双燃料反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)发动机台架试验数据,建立了基于粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)优化BP神经网络的甲醇-柴油RCCI发动机排放特性、经济性预测智能模型,以发动机负荷、甲醇替代率、EGR率为输入参数,NO_(x)、烟度、CO、THC排放和当量有效燃油消耗率为输出,预测模型的决定系数(R^(2))分别为0.99,0.97,0.99,0.98和0.96,平均绝对百分比误差(mean absolute percentage error,MAPE)为6.46%,0.56%,3.12%,1.21%和0.3%,表明构建的PSO-BPNN模型能够有效预测甲醇-柴油RCCI发动机的NO_(x)、烟度、CO、THC排放和经济性。基于偏最小二乘回归(partial least squares regression,PLSR)分析了不同控制参数对发动机污染物排放和经济性的相关性,将PSO-BPNN预测模型与NSGA-Ⅱ算法相结合,以NO_(x)、烟度和当量有效燃油消耗率为目标对负荷、甲醇替代率和EGR率进行协同优化,将最优控制参数组合标定至双燃料发动机的控制系统进行试验验证。结果表明:优化后烟度变化不明显,NO_(x)排放平均降低39.6%,当量有效燃油消耗率平均降低2.6%。

喷油压力对柴油喷雾两阶段着火的影响

基于流动式定容燃烧试验装置以及CONVERGE三维仿真模型,研究了冷起动工况对应缸内上止点环境下喷射压力对柴油自由射流的喷雾宏观特性及两阶段着火转化过程的影响.结果表明:在冷起动工况条件下,低喷射压力(20 MPa)条件下的液相贯穿距略大;随着喷射压力的增加,气相喷雾贯穿距增大,气/液相喷雾锥角增大,表明在喷雾体头部区域形成较大的混合气区域;不同喷射压力条件下,喷雾内的局部温度及局部当量比分布规律相似;但随着喷射压力的增大,高温低当量比区域面积增大,促进了低温反应的进行.另一方面,较高的喷射压力使得喷雾流速增大,抑制了喷雾低温核心区域CH_(2)O和热量的累积,进而恶化了低温反应阶段向高温反应阶段的过渡,使高温着火准备过程延长.最终导致高温着火滞燃期随喷射压力升高呈现先减小后增大的变化趋势.

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。

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。

非道路柴油机冷却水套流动传热分析与优化

冷却水套作为柴油机的核心结构,其流动与传热特性直接影响着柴油机的可靠性和使用寿命。以某两缸高压共轨柴油机为研究对象,为了解该发动机冷却水套流动与传热性能,以水套速度场、温度场、换热系数等空间分布参数为判据,重点对冷却水套关键区域的流动和传热特性进行分析,同时提出优化方案。仿真结果表明:发动机整体冷却液流动性差,平均流速低于0.5m/s,缸体进气侧冷却水套上部出现了流动死区;通过对冷却系统性能参数和冷却水套结构进行优化,冷却水套进出口压力损失减小,整体冷却液平均流速较原方案提高了173.91%,整体平均换热系数较原方案提高了41.93%,整体冷却水套流动均匀性得到改善。

基于缸套失圆的活塞环结构参数对密封与摩擦性能的影响研究

以某非道路高压共轨柴油机为研究对象,采用仿真和测试相结合的方法,建立了整机耦合装配模型与活塞环组动力学模型,研究了干式缸套的失圆变形。在考虑缸套失圆变形的基础上,研究了活塞环结构参数对窜气量、机油消耗量和摩擦损失的影响,并通过正交设计方法进行了活塞环径向弹力、开口间隙和侧向间隙对窜气量、机油消耗和摩擦损失的影响研究。研究结果表明,活塞环结构参数中,二环径向弹力、二环开口间隙和顶环侧向间隙对窜气量的影响最大,油环径向弹力、二环开口间隙和顶环侧向间隙对机油消耗量的影响最大,油环径向弹力、油环开口间隙和油环侧向间隙对摩擦损失的影响最大。

连杆小头摩擦副间隙形状对活塞销润滑及冲击特性的影响

为改善柴油机全浮式活塞销与连杆小头间的润滑与冲击特性,基于弹流润滑理论和粗糙峰接触理论,采用测试与仿真分析方法,运用AVL Power Unit建立活塞连杆组柔性多体动力学模型,研究不同抛物型线和三角型线方案连杆小头衬套对连杆小头轴承润滑与活塞销冲击特性的影响。结果表明:在润滑与冲击特性方面,效果最好的是抛物型线衬套,而三角型线衬套由于平均间隙较大,不能形成有效的润滑,润滑与冲击特性相对较差,其中抛物型线相比直线型线最小油膜厚度最小值平均增加了0.104μm,峰值油膜压力最大值平均降低了8.29 MPa,峰值油膜压力平均值平均增加了7.62 MPa,峰值粗糙接触压力最大值平均降低了77.19 MPa。综合连杆小头轴承润滑与活塞销冲击特性,采用最大径向切削量为12μm的抛物型线衬套是最优的连杆小头衬套型线方案,对连杆小头轴承润滑与活塞销的冲击性能改善较大,其中最小油膜厚度的最小值增加了0.170μm,峰值油膜压力最大值减小了8.28 MPa,峰值粗糙接触压力最大值降低了119.49 MPa,进气冲程前期和排气冲程后期活塞销加速运动阶段相对于连杆小头的纵向加速度峰值分别减小了0.33 mm/s~2和0.24 mm/s~2。

柴油机DPF孔道内积碳层的运动及分布特性

为研究积碳层对柴油机颗粒捕集器(DPF)堵塞失效的影响,采用连续流体介质与固体颗粒层离散元耦合的方法,结合DPF可视化试验加以验证,研究DPF孔道内不同形状、尺寸和厚度的积碳层运动以及分布.结果表明:积碳层表面积越大,发生拥塞的位置越靠近孔道后段;圆形轮廓的积碳层易于相互堆叠,三角形轮廓的积碳层拥塞段会集中于孔道中段,正方形轮廓的积碳层拥塞段的结构较为稳定.积碳层长度与DPF进口孔径比例为0.5时,拥塞段的密度与长度会明显增加,但是拥塞段的稳定性会降低.随着积碳层厚度增加,拥塞段的位置会靠近孔道前段.

碳烟边缘茚型五碳环与活性O的氧化反应机理研究

针对碳烟在火焰中的氧化,本文利用DFT方法研究活性O氧化碳烟边缘茚型五碳环结构的反应机理.在B3LYP/6-311G(d,p)和M06-2X/cc-p VQZ的计算水平下,探究活性O与C_(13)H_(9)自由基的详细反应路径,并基于TST计算各基元反应在500~3 000 K温度范围内的速率常数.结果表明:活性O与C_(13)H_(9)自由基形成的C_(13)H_(9)O,进一步热解后将产生CHO、CO和具有四碳环结构的PAHs.CHO的生成高度依赖温度和反应位点,其反应需克服402.7 kJ/mol的限速步能垒.C_(13)H_(9)O热解的氧化产物主要为CO.M1和M2热解释放CO的主反应路径为路径3和12,并产生具有四碳环结构的CS9,对应的限速步能垒分别为167.9 kJ/mol和153.8 kJ/mol.C_(13)H_(9)O热解的起始反应主要为C—C键断键和H转移反应,其中C—C键断键的反应路径更易发生,且反应速率也更快.

柴油机螺旋进气道直流段的正交优化设计

通过构建YN33柴油机气道-气门-燃烧室计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)模型,以涡流比和进气量作为评价指标,对柴油机螺旋进气道直流段的直流段上偏角、直流段下偏角、直流段长度这3个关键结构参数进行正交优化设计。结果表明:直流段长度对缸内涡流比、进气量的影响最大;直流段上偏角、直流段下偏角及直流段长度3个参数,分别取值82°、85°和69 mm时,可使缸内涡流比和进气量相对原机分别提高26.02%与5.50%;在此条件下,放热率峰值和累积放热量与原机相比分别增加了4.92%和8.29%。

极限碳载量下催化型柴油机颗粒捕集器再生特性研究

基于某高压共轨柴油机搭建了三维催化型柴油机颗粒捕集器(catalytic diesel particulate filter,CDPF)模型,研究了极限碳载量下不同结构CDPF的再生特性,分析了不同极限碳载量条件下灰分量及灰分分布系数对不同结构CDPF再生特性的影响。结果表明:极限碳载量下对称孔道结构(symmetrical cell technology,SCT)和非对称孔道结构(asymmetric cell technology,ACT)CDPF最高温度峰值随着极限碳载量增加而上升,不同结构CDPF压降随着极限碳载量的增加而上升且差距明显。随着极限碳载量的升高,CDPF载体温度及碳烟再生速率上升迅速且峰值明显增高。极限碳载量下,CDPF压降及载体最高温度随着灰分量的增加而上升,不同结构CDPF压降特性差异较大,SCT结构载体最高温度高于ACT结构,CDPF碳烟再生速率随灰分量的增加先上升后下降,在灰分量高时碳烟再生速率上升快且峰值高。极限碳载量下,相同灰分分布系数的不同结构CDPF压降差距明显,SCT结构压降整体高于ACT结构,不同结构CDPF碳烟再生速率和载体温度均随灰分分布系数的增加先上升后下降。