基于OPTIMUS的柴油机配气正时及喷油提前角的优化

柴油机的配气正时与喷油提前角对其性能影响很大,最佳的匹配参数能够形成缸内良好的空燃比及较佳的燃烧效率,从而获得较高的动力性及较低的燃油消耗率。为得到不同工况下配气正时与喷油提前角的最佳组合,该文将增压直喷柴油机工作过程的SIMULINK仿真模型导入OPTIMUS多学科优化平台;以进气迟后角和排气提前角以及喷油提前角为优化设计变量,以柴油机的经济性和动力性为设计目标进行优化计算。额定工况下该发动机的优化结果是:进气迟后角为42°CA,排气提前角为60°CA,喷油提前角为16°CA。仿真和试验结果表明:模型设计合理准确,优化后柴油机动力性和经济性均有所改善,该研究可为柴油机的改进和优化提供参考。     

环模制粒机齿轮减速器动力学特性分析

环模制粒机的内部激励会引起整机振动,振动是导致环模与压辊使用寿命降低的主要原因。该研究针对环模制粒机振动大、关键部件使用寿命短等问题,以SZLH420型环模制粒机减速器为研究对象进行动力学分析与试验。首先基于累积势能法计算齿轮时变啮合刚度,建立斜齿轮传动动力学模型,采用解析法对传动系统进行模态分析和非线性动力学求解,求得最大振幅Y向(水平径向)为0.008 mm、Z向(轴向)为0.004 2 mm、转角为0.000 87°,并通过有限元仿真验证动力学模型和固有频率。最后进行主轴扭矩测试与斜齿轮振动加速度试验。结果表明,整机振动加速度频率与斜齿轮一致,故斜齿轮传动系统对整机振动具有重要影响,其主要振动频率在4.25、9.17、13.86、18.13、23.86、47.53 Hz附近;齿轮振动最大幅值Y向为0.006 mm、Z向为0.004 mm,与动态响应计算对应振幅最大差值不超0.002mm,验证了理论计算的准确性。研究结果可为环模制粒机性能的提高提供理论与试验依据。     

4100QB柴油机齿轮室盖声辐射效率试验研究

使用离散法对4100QB柴油机齿轮室盖的声辐射效率行了试验研究。对比了激励安装钢板和激励齿轮盖两种方式下所测声辐射系数的差异,探讨了激励点位置对齿轮室盖声辐射效率的影响;测量了3种不同结构的齿轮室盖声辐射效率,研究齿轮室盖结构变化对声辐射效率的影响规律,指出齿轮室盖刚度增加使600～1 000 Hz频率范围内的高声辐射效率区域变窄,声辐射效率降低,在1 000～2 000 Hz频率范围内使高声辐射效率区域变宽,辐射效率值增大。研究表明,在分析罩盖类零件的噪声问题时,需要重视结构变化对零件声辐射效率的影响。     

轻度混合动力车发动机Start/Stop系统控制策略

发动机怠速自动起停是轻度混合动力车的重要工作模式,它能避免发动机在怠速工况下运行,可减少燃油消耗及尾气排放。该文对集成起动机/发电机(ISG)轻度混合动力车发动机起动动力学和发动机Start/Stop系统控制策略进行了研究,同时在Matlab/Simulink中建立了整车控制器模型,在NEDC循环工况下对发动机和ISG电机的协调输出转矩进行了仿真分析,最后进行了发动机起动及整车转鼓对比试验。仿真及试验结果表明,Start/Stop系统能保证发动机在怠速工况下正常停机,通过Start/Stop系统的协调控制,发动机在整个循环工况下运转平稳,转矩输出值在低油耗区;和传统车相比,加装Start/Stop系统的轻度混合动力车HC和CO排放下降明显,百公里油耗由8.60L下降到7.30L,节油效果显著。     

柴油机怠速燃用小桐子油的燃烧噪声及其波动性

为了分析柴油机燃用小桐子油在怠速工况时的燃烧噪声及燃烧噪声的波动性,分别以柴油、柴油-小桐子掺混油、小桐子油、高温小桐子油为燃料,在单缸水冷四冲程柴油机上进行了怠速工况试验,测录了多循环的瞬时气缸压力,采用最高燃烧压力、压力升高率、压力升高加速度、气缸压力频谱曲线以及A声压级进行了对比。结果发现,柴油与掺混油、小桐子油与高温小桐子油的气缸压力频谱相似,柴油和掺混油的气缸压力级较大;对于同一工况,最大压力升高率越大且对应相位越迟,则燃烧噪声越大;18°供油提前角时,燃用高温小桐子油的A声压级低于柴油约7dB,21°供油提前角时低于柴油约5dB;燃用相同燃料,最大压力升高率的波动率降低均会减小A声压级的波动。     

单缸柴油机一体式净化消声器设计与性能试验

为了通过机外净化的方式降低柴油机排放,基于单缸柴油机的工作特点,融合一体式净化消声器的设计要求,研制了一种单缸柴油机用一体式净化消声器。通过数值模拟与试验相结合的方法,对设计的一体式净化消声器的催化性能、声学性能、空气动力性能以及结构性能展开研究,提高催化器转化效率和使用寿命,同时满足消声作用。整机性能试验表明:安装优化后的一体式净化消声器,整机噪声略小于原机消声器,整机八工况排放CO、HC、PM分别为0.94、0.46、0.40 g/k W·h,相比于仅采用机内净化的样机分别降低了85.4%,70.5%,28.6%,劣化试验后柴油机排放满足非道路柴油机国Ⅲ要求;一体式净化消声器采用优化结构,与原结构相比,由于排气气流均匀流经催化器,CO、HC和PM的转化效率分别提高了21.0%、25.8%和7.0%。该研究可为单缸柴油机的机外净化研究提供参考。     

小型涡流室柴油机供油与燃烧系统协同匹配

小型涡流室柴油机的供油与燃烧系统优化是满足不断加严排放法规的基础。该文以某170F涡流室柴油机为研究对象,运用模拟计算与试验结合的方法,对其供油及燃烧系统开展研究。借助工程软件构建了供油系统仿真模型,通过设计长型短结构喷油器、优化供油系统参数,来提高喷油压力和优化喷油特性;利用FIRE软件对燃烧过程进行模拟,找出了喷油油线在涡流室内位置及燃烧室容积比的最佳范围。柴油机优化后整机初次试验气体比排放低于国家第三阶段排放限值,CO和HC+NOX分别较原机下降了72.8%和21.3%(八工况循环),标定工况烟度由原机4.5下降到1.2 BSU,有效燃油消耗率较原机下降了约16.1%。该研究工作为小型涡流室柴油机性能提高和节能减排提供了参考。     

利用缸盖振动信号检测发动机功率的试验研究

用发动机缸盖的振动信号进行了发动机功率检测试验。基于LabVIEW建立的虚拟仪器系统，运用加速度传感器测定了发动机从怠速急加速到高速过程中的缸盖振动信号，对发动机怠速段、高速段的振动信号进行了频谱分析，同时对比分析了低频振动信号与发动机转动时测得的脉冲信号。结果表明，发动机缸盖振动加速度信号中低频振动信号的周期与发动机转动周期有确定的对应关系，用低频振动信号峰值点可以分离出发动机的转速，从而可根据无负荷测功角加速度原理得出发动机不同转速下的有效功率值，因此利用发动机缸盖振动信号进行功率检测的方法是有效可行的。     

油菜机械直播铲锹式种床整备机振动特性分析与结构改进

针对油菜机械直播铲锹式种床整备机作业时机组振动大,易导致关键零部件磨损、降低整机可靠性的问题,该研究利用Coco-80动态信号测试分析系统对机组在怠速和田间作业工况下的振动加速度进行测试,采用时域和频域分析相结合的方法,确定了两种工况下不同位置测点的振动加速度大小及机组主要激振源,并以此为依据提出了通过优化曲柄相位角排列方式降低整机所受合惯性力、合惯性力矩,减小铲锹式种床整备机振动的方案。进一步地,基于质量代换法建立了整机共10组曲柄摇杆机构的惯性力、惯性力矩受力模型,运用MATLAB软件分析得出整机受到合惯性力、合惯性力矩最小的曲柄相位角排列方式,在此排列方式下,整机合惯性力基本平衡,绕x、y轴的合惯性力矩绝对值均值分别降低了37.40%、30.09%。对改进后的机组在振动较大处采集加速度时域信号,与改进前相比,测点振动总量在怠速和田间作业工况下分别降低了36.42%、31.97%。该研究可为基于平面连杆机构群的农业机械减振研究提供参考。     

小功率非道路用柴油机燃烧过程优化与降噪

为了保证4D29G31非道路用柴油机动力性、经济性以及有害物排放等满足限值要求的同时,降低燃烧噪声和降低整机噪声,该研究对缸内燃烧过程进行优化。通过对油嘴凸出量、喷油嘴孔数、喷孔直径和涡流比优化匹配,改善缸内油气混合和燃烧过程;通过对动态供油提前角的优化,缩短滞燃期,进而抑制快速燃烧期内的燃烧速率和压力振荡。各参数优化匹配后,标定工况下柴油机的最高燃烧压力和压力升高率与原机相比分别下降了18%和44.9%,整机噪声降低了0.73 dB;最大扭矩工况下柴油机的最高燃烧压力和压力升高率与原机相比分别下降了39%和40%,整机噪声降低了1.07 dB。研究可为小功率非道路用柴油机通过缸内燃烧过程优化降低噪声提供技术参考。     

基于DPF主动再生温度需求的柴油机进气节流控制策略

为得到DPF主动再生温度控制的全工况区域内进气节流控制策略,选取大、中、小负荷下的3种典型工况研究进气节流阀开度对柴油机泵气损失、排气热状态、缸内燃烧及排放特性的影响规律。台架稳态试验结果表明:随着节流阀开度的减小,节流作用增强,各工况下进气量逐渐降低,过量空气系数减小,最大燃烧压力下降,比油耗、CO、NO_X及烟度排放升高;但进气量的减少使得燃烧始点推迟,滞燃期延长,缸内燃烧温度及排气温度升高,抑制了HC的生成。当进气节流阀开度减小至20%时,低速小负荷工况进气流量减少率较大,排气温度提升更为显著,增幅可达62.7%,而高负荷工况排温略有升高,但泵气损失较大,增幅高达19.2%,严重恶化了发动机的经济性。因此该文综合3种代表工况下的排温提升潜力及主要性能变化规律,将A、B、C工况进气节流阀开度分别控制在35%~45%,50%~60%和70%~80%范围内,并依据排温分布特点得出发动机全工况范围内进气节流控制策略,即小负荷工况采用较小的节流阀开度,随负荷增大节流阀开度增大直至全开。     

货车怠速工况下噪声源识别及其控制

为了消除货车怠速工况下出现的异常噪声,利用声强法和消去法进行了噪声源识别,结果表明：噪声主要频率范围为288～344 Hz,进气口空气辐射噪声和空气滤清器壳体表面辐射噪声是其主要噪声源,空气压缩机是其根本来源。在此基础上,提出了在空气压缩机进气管道中增加扩张式进气消声器的改进措施,基于有限元方法的进气系统传声损失分析结果和消声器样件的实际装车试验结果均表明：消声器具有良好的降噪性能,增加消声器后,典型测点的噪声在25～1 600 Hz频带范围由77.48 dBA降低至73.21 dBA。异常噪声被有效消除,声品质得到明显改善。     

小功率非道路用柴油机动力、经济及排放特性

为提高小功率非道路用柴油机的动力性、经济性、降低有害物排放,开展了柴油机缸内燃烧过程的试验研究。该文以非道路用N490直喷柴油机为样机,通过对燃料喷射系统参数优化,提高喷油压力和优化喷油特性;通过对配气定时调整,提高柴油机常用转速下的充量系数;通过对燃烧室结构的优化设计,改善缸内油气混合。柴油机经优化后,性能得到大幅提升,柴油机在标定工况、最大扭矩工况燃油消耗率分别下降了3.0%、2.43%,不透光烟度分别减少了14.6%、10%;整机的CO、NO_x+HC、颗粒(PM)与原机相比分别下降了34.7%、21.5%、34.9%,排放达到了非道路国三排放标准限值要求。通过对燃料喷射系统、进气系统与燃烧室的优化匹配,完全可以在降低有害物排放的同时,提高柴油机的经济性。试验研究可为提升非道路用柴油机性能并满足国三排放法规提供技术参考。     

基于声阵列技术的柴油机噪声源识别

为了准确识别某柴油机的噪声源,为进一步的低噪声改进指明方向,综合采用Beamforming(波束形成)和SONAH(统计最优近场声全息)2种阵列的声源识别方法对该柴油机噪声辐射最突出的进气侧噪声源进行识别。结果表明:噪声贡献量较大的1 650~2 200 Hz频率范围内对应的噪声源为进气总管、汽缸盖罩,920~1 450 Hz对应喷油器,而760~776 Hz和920~936 Hz分别对应油泵传动轴和油泵调速器。进一步的声贡献量分析结果显示:进气总管对该发动机进气侧辐射噪声的声功率贡献量达15.38%,喷油器、油泵调速器声功率贡献度量分别为5.47%和5.11%;汽缸盖罩和油泵传动轴声功率贡献量分别为4.85%和4.26%。综上,结合Beamforming和SONAH在不同频段内具有高分辨率的优点,可以在宽频带内进行声源识别,且试验实现简单,操作方便。     

低排放轻型车用柴油机结构及燃烧系统的优化

在现有4F20机械式燃油系统柴油机基础上,从机械系统和燃烧系统优化匹配、后处理系统选型等方面入手,进行了满足国Ⅳ排放标准的经济型轻型车用柴油机开发。机械系统设计中,对机体和缸盖的加强筋和冷却水套进行合理布置,有效提高整机刚度和缸套冷却效果,减少变形,并设计了结构紧凑、传动可靠且运转平稳的新型齿轮传动系统。燃烧系统升级优化方面,由直列泵式机械燃油供给系统升级为高压共轨电控燃油喷射系统,重新设计燃烧室形状的同时将压缩比从19.7降低为17.5,并优化燃油油束在燃烧室内的分布。通过燃油喷射、增压与废气再循环参数的协同标定改善了柴油机燃油经济性和排放性能。选用容积占有率为25%和75%的2级氧化催化转化器,对一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、可溶性有机成分(soluble organic fractions,SOF)和颗粒(particulatematter,PM)的净化效率分别达90%、85%、90%和20%。柴油机配套NHQ6492V3型SUV后整车排放测试结果显示:CO、NOx、总碳氢(THC)+NOx和PM排放分别为0.36、0.259、0.328和0.029g/km,距国Ⅳ排放限值有20%以上的裕度,综合油耗为7.217L/(100km),满足2015年即将实施的中国乘用车燃料消耗第3阶段法规限值。     

用曲轴箱增压改善单缸四冲程柴油机性能研究

针对单缸四冲程柴油机保有量大，应用范围广，而又普遍存在油耗、排污相对偏高的问题，结合单缸四冲程柴油机工作原理及结构特点，在X195柴油机空气滤清器、进气管和曲轴箱之间增设一个带单向阀片的节能增压装置，利用曲轴箱内容积的变化(靠活塞的工作反面泵气)，把进入空气滤清器的清洁气体和从气缸内漏入曲轴箱内的气体一齐压入气缸，使发动机的充气效率得到提高，漏入曲轴箱内的可燃气体再次利用，从而达到降低油耗，减少排放污染的目的。增设的节能增压装置安装方便、结构简单、工作可靠、制造成本低、不需要单独设置驱动机构。X195柴油机安装节能增压装置前、后的性能对比试验，在云南金马柴油机总厂发动机试验室按照国标、部标的规定进行。实验证明，在不消耗原机功率，不改变原机任何结构的前提下，安装节能增压装置的发动机提高了功率，降低了油耗，减少了排放污染，该节能增压装置对改善单缸四冲程柴油机的性能是行之有效的。     

发动机燃用生物柴油的可靠性

进行了柴油机燃用B5生物柴油的1 000 h可靠性台架试验,测量了可靠性试验前后发动机的燃油消耗、机油消耗、功率、扭矩、活塞漏气量、排气温度等参数,进行了发动机润滑油的色谱分析以及发动机的主要零部件的拆检和分析。试验结果表明：可靠性试验后发动机的燃油消耗和机油消耗均有所增加,活塞漏气量有所升高,功率、扭矩和排气温度略有下降;B5生物柴油与柴油的CO等气体排放相差不大;发动机喷油器、气门、活塞顶面等主要零件部存在积碳,活塞环与气缸套等零件磨损正常。     

基于窗口观测的电控柴油机判缸控制的优化分析

柴油机起动初期控制时序的建立过程(判缸控制)直接决定其起动过程的长短,判缸控制是电控柴油机管理系统中最核心的部分。为了缩短判缸时间,提高控制系统的可靠性,该文根据目标柴油机的发火顺序设计了电控系统的转速信号与相位,采用了2套转速计算装置;基于有限状态机,提出了窗口观测联合判缸方法,并开发了电子控制单元(electronic control unit,ECU)复杂驱动层的联合判缸驱动控制软件。试验结果表明该策略是有效可行的,发动机的起动成功率提升10%,达到100%,正常起动成功的时间由1.5 s缩短到1 s以内,改善了电控柴油机的起动性能。该控制策略的实现完善了电控柴油机的时序控制功能,提高了柴油机的电控水平。