柴油机工作循环热力过程的(火用)分析

利用(火用)分析方法,分析了柴油机工作循环热力过程中诸多不可逆因素所产生的(火用)损失,并对减少这些(火用)损失的方案和措施进行了讨论,提出了改善燃烧过程,减小换气系统流动阻力、降低燃气对壁面的传热、利用废气涡轮回收排气(火用)和减少摩擦等降低循环过程(火用)损失的主要措施,为柴油机循环效率的提高指出了发展方向。     

基于物质流和能量流分析的循环农业园产业链优化

通过物质流和能量流分析产业链运行状况和存在问题,优化资源配置方案,促进农业园区生态保护和资源环境的永续利用。该文通过物质流和能量流分析方法,以天水国家农业科技园区为例,基于适当的指标体系评价园区循环发展状况,提出园区产业链的调整思路。结果表明:1)园区资源产出率为0.54万元/t,能源产出率为2.60万元/t,资源综合利用效率偏低,资源配置不合理,产业耦合程度较低,经济发展与生态保护难以兼顾。2)引进食品加工业,推进光伏发电、生物天然气工程和生物质成型燃料加工工程,使园区的资源产出率提高为0.67万元/t,能源产出率提高为3.35万元/t,促进了园区循环经济的发展。3)从供给侧调整,用市场需求决定经济导向,加强园区科技创新力度,做好示范和推广。这一方法对国内其他产业园区循环经济的发展、规划和评价有一定的借鉴意义。     

柴油机侧卷流和分卷流燃烧系统性能测试与分析

侧卷流燃烧系统（Lateral Swirl Combustion System,LSCS）和分卷流燃烧系统（Separated Swirl Combustion System,SSCS）均是利用特殊设计的燃烧室壁面导流结构来引导缸内喷雾形成卷流运动,达到改善油气混合质量的目的。两种燃烧系统在缸内的布油策略不同,为对比研究两种燃烧系统的性能,该研究利用模拟增压单缸柴油机进行了侧卷流燃烧系统和分卷流燃烧系统在不同负荷和过量空气系数下的燃烧性能试验;采用AVL Fire软件探究了两种燃烧系统改善油气混合过程的机理。试验结果表明：不同工况下,侧卷流燃烧系统的燃油消耗率和碳烟排放均低于分卷流燃烧系统;相比于分卷流燃烧系统,侧卷流燃烧系统在不同负荷下的燃油消耗率降低了2.4～7.8 g/(kW·h),碳烟排放降低了2.7～3.9 FSN（Filter Smoke Number,滤纸式烟度单位）;在不同过量空气系数下的燃油消耗率降低了3.2～9.8 g/(kW·h),碳烟排放降低了2.3～3.8 FSN,燃油消耗率最大降幅为4.3%,碳烟排放最大降幅为87.0%。仿真结果表明：侧卷流燃烧系统中,油束在分流造型的导流作用下形成侧向卷流运动,相邻两束卷流在流出分流造型时产生壁射流干涉作用,进一步提高了燃烧室内的空气利用率;而分卷流燃烧系统在活塞下行时,油束触壁位置的改变导致了燃油聚集现象,不利于油气混合过程。相较于分卷流燃烧系统,侧卷流燃烧系统的空气卷吸量增加了9.3%,在当量比为2～4区间内的燃油质量比例较小,在当量比<1～2区间内的燃油质量比例较大,表明侧卷流燃烧系统的油气混合均匀性较好。因此,侧卷流燃烧系统对油气混合过程的改善作用更为显著,明显提升了直喷式柴油机的燃烧性能,减少碳烟生成。研究结果可为直喷式柴油机燃烧室结构设计和优化提供技术参考。     

柴油机分卷流燃烧系统燃烧和排放性能试验研究

为了提高柴油机燃烧室的油气混合性能、降低燃油消耗率和碳烟排放,该文提出了柴油机分卷流燃烧系统。利用单缸机试验系统和仿真计算分析了分卷流燃烧系统在不同工况下的燃烧和排放性能。单缸机试验结果表明:在各试验工况下,分卷流燃烧系统燃油消耗率均比双卷流燃烧系统低,油耗最大降幅为5.41%,碳烟排放最大降幅为20.48%。仿真计算表明分卷流燃烧系统当量比为0.66到2区间内的燃油比例较高,当量比大于2的燃油比例较低,分卷流燃烧系统缸内当量比分布均匀,因而油耗降低,热效率提高,碳烟生成较少。分卷流燃烧系统对于推动柴油机节能减排有着重要的意义。     

涡轮增压柴油机进气流量的计算与仿真

在进行增压器与柴油机匹配及柴油机系统动态仿真时,需要准确计算柴油机进气流量。为确定最佳的进气流量计算模型,对进气流量平均值模型进行比较分析,综合考虑增压中冷、废气再循环率、充量系数及工况变化的影响并建立相应的修正模型,利用Matlab/Simulink对所有模型进行了仿真验证。仿真和试验结果表明:修正后的进气流量模型计算结果与试验数据相吻合,最优模型的平均相对误差为2.96%,模型设计合理准确。研究结果可为准确计算涡轮增压柴油机进气流量及其模型的选择提供指导和依据。     

物质流、能量流和信息流分析应用于养殖种植一体化系统的探讨

从物质流、能量流和信息流分析的角度对种养一体化系统进行了探讨,为定量化研究种养一体化系统的生产及对指导能量、物质投入,调整系统产业结构,合理利用废弃物资源,提高系统生产力提供参考。     

振动能量流的计算方法研究

振动能量流法是研究柔性结构振动的重要方法,能量流的计算是其中的关键步骤,传统的基于模态叠加的导纳能量流计算法计算精度不高,处理复杂结构时计算过程复杂,该文提出了基于波动理论的导纳能量流计算方法和基于有限元分析的能量流计算方法。通过对一具体模型计算对比,表明波动计算法精度最高,模态叠加法存在模态截断误差,而有限元法在划分网格细时也能保证计算精度。有限元法是一种适合于各种复杂结构的分析方法,值得在工程上推广。     

TCD燃烧系统对柴油机燃烧和排放性能改善效果的试验研究

为探究道依茨TCD2015柴油机上配备的导流燃烧系统(简称TCD燃烧系统,T表示涡轮增压器,Turbocharger,C表示进气中冷,Charge air cooling,D为柴油颗粒捕集器,Diesel particle filter)对改善柴油机燃烧性能和降低污染物排放的效果,采用单缸机试验对TCD燃烧系统在不同转...     

提高柴油机燃烧过程仿真计算精度的标定方法

为提高柴油机燃烧过程仿真计算精度,该文提出了新的仿真模型标定方法:首先对仿真计算的喷雾液相贯穿距、总的喷雾贯穿距(含气相)和喷雾形态进行试验验证;然后基于喷雾过程标定结果,选择合适的燃烧模型,对仿真计算的缸压和放热率曲线进行试验验证。按照上述方法应用Fire软件研究了WAVE破碎模型、Dukowicz蒸发模型和ECFM-3Z燃烧模型相关参数对计算结果的影响,分别利用喷雾自由射流和单缸柴油机试验结果标定了喷雾和燃烧模型,并与仅利用缸压和放热率曲线标定仿真模型的传统方法进行了比较。结果表明:仅利用缸压和放热率曲线标定仿真模型的方法不能保证喷雾过程模拟的准确性,后续燃烧、排放模拟的准确性亦不能保证;采用新提出的仿真模型标定方法,能准确模拟单次和分段喷射条件下柴油机的缸内喷雾和燃烧过程,拓宽了应用范围,提高了仿真计算精度。     

柴油机双卷流燃烧系统的排放特性

为研究双卷流燃烧系统对直喷式柴油机有害排放物生成的影响,该文采用试验和计算流体力学CFD仿真分析方法,探讨燃油喷射系统中喷油提前角、喷孔直径、油束夹角和涡流比对双卷流燃烧系统(DSCS)排放特性的影响.研究结果表明:随着喷油提前角的增加和喷孔直径的减小,NOx生成量增加,碳烟生成量降低;随着油束夹角的增加,碳烟生成量降低,NOx生成量先增加后降低;涡流比和弧脊的匹配直接影响着双卷流燃烧系统中燃油的雾化、混合和燃烧过程,为了降低有害污染物的排放应采用较小的涡流比与双卷流燃烧室,确定了与双卷流燃烧室相匹配的满足NOx、碳烟排放最佳涡流比为1.该研究可为柴油机双卷流燃烧系统优化设计提供参考.     

车用涡轮增压柴油机加速工况瞬态特性仿真

为研究车用涡轮增压柴油机加速工况的瞬态响应及氮氧化物(NO)排放特性,基于充-排法建立柴油机及其附件系统工作过程模型,初次考虑瞬发NO机理对瞬态工况下NO排放的影响,根据曲轴转矩平衡方程推导发动机瞬时角加速度与车辆状态参数的关系,在Matlab/Simulink环境下集成柴油机系统加速瞬态过程仿真模型。仿真和验证结果表明:柴油机稳态及加速瞬态工况仿真结果均与实际情况相符,模型设计合理准确;稳态工况下瞬发NO机理对总NO排放的贡献为5.26%~11.36%;瞬态工况下,涡轮迟滞时间约为0.14 s,柴油机加速开始阶段油气混合不匀导致燃烧品质下降,热NO及瞬发NO生成均明显增加。研究结果可为发动机瞬态性能及NO排放的预测与分析提供参考。     

非道路用重型柴油机燃烧过程优化

为了降低非道路用重型柴油机的有害物排放,该文对柴油机的燃烧室结构、喷油策略进行优化。以一台CHD234V8型高压共轨直喷式柴油机为样机,对整机优化前后燃烧过程进行分析。试验结果表明,柴油机缸内油气混合得到改善,缸内最大爆发压力降低,有害物排放量减少;与优化前相比,标定工况和最大扭矩工况的燃油消耗率分别下降2.5%和6.2%,不透光烟度分别降低71.4%和67.9%;整机CO、(HC+NO_x)、颗粒(PM)分别减少了33.9%、11.8%和73%,满足非道路车辆的国三排放限值要求。该研究可为非道路用重型柴油机的排放控制提供参考。     

增压中冷柴油机缸套热态变形研究

缸套承受不均匀的热负荷而产生的失圆变形,主要影响缸套与活塞组件间的密封、摩擦/磨损以及排放性能。控制缸套的变形与失圆,对降低机油耗,改善摩擦性能以及降低排放,具有重要的意义。该文应用流固耦合传热方法,建立了缸盖-冷却液-缸套-缸体耦合传热模型,在对冷却液流动特性以及缸套、缸盖关键点温度测试的基础上,研究了缸套的稳态传热温度场分布以及热态变形规律。研究表明:受各缸冷却水套流动与热负荷不均匀的影响,各缸缸套温度场分布不均匀,从缸套顶部到底部温度逐渐降低,相邻两缸间的缸套顶部温度高于其他部位,最高温度出现在3、4缸间的缸套顶部;各缸缸套综合热变形是不均匀的,1、4缸自由端综合热变形较大,最大综合膨胀变形位于第4缸90°位置(飞轮方向),最大综合收缩变形位于第1缸90°位置(1、2缸间);缸套不同截面径向变形呈现与综合变形不同的变化趋势,缸套中部与冷却液接触,主要呈现膨胀变形,上部与下部受缸体结构约束,膨胀变形较小;各缸呈现不均匀的"豌豆"形径向变形,其中2、3缸对称,1、4缸对称;缸套主推力面与次推力面径向变形量相对较小,各缸的变形差异也较小。     

增压中冷柴油机EGR系统文丘里管的设计与试验

针对柴油机在低速、大负荷工况下引入EGR（exhaust gas recirculation）气体困难的实际情况,该文采用在中冷器后安装一个文丘里管的方法提高对EGR的引射能力。通过计算初步确定了文丘里管的喉口直径,并设计了3种不同结构尺寸的文丘里管,进行了相关试验。试验结果表明,随着发动机转速的提高,气体流量增加,文丘里管的降压作用增强;EGR阀前与文丘里管喉口的压差随着发动机转速先减小后增加,在1 100到1 600 r/min转速范围内,该压差为负值,不利于引入EGR气体;在2 200 r/min时,随着发动机负荷的增加,EGR阀前压力始终大于文丘里管前压力,即使没有文丘里管,发动机也可以顺利引入EGR,但二者压差随着负荷的增加而减小,导致高负荷时EGR率降低;文丘里管的降压作用随发动机负荷的增加而增加,EGR引射能力随负荷的变化不明显;在试验负荷范围内,文丘里管前后的压力损失始终大于5 kPa;在2 200 r/min时,3种喉口直径的文丘里管的EGR引射能力随着负荷的增加均有增强的趋势,但直径较小的文丘里管EGR阀前与喉口压差较大,容易实现较高的EGR率;但在1 600 r/min时,3种文丘里管的EGR引射能力均随着负荷的增加而减小;当扭矩超过470 N·m时,随着文丘里管喉口直径的增加,EGR阀前与文丘里管喉口压差逐渐降低,引入EGR气体的难度逐渐增加。研究结果可为增压中冷柴油机废气再循环系统文丘里管的设计和应用提供参考。     

甲醇/柴油双燃料发动机燃烧过程分析

为了防止某些工况下爆震的发生,该文在不改变4B26增压柴油机结构的前提下,采用进气甲醇电控喷射,实现甲醇/柴油双燃料燃烧,分析了进气预混掺烧甲醇/柴油双燃料发动机的燃烧过程。试验结果表明,低负荷时随着甲醇掺烧比例的增大,最大爆发压力、缸内平均温度和放热率峰值略有降低,燃烧始点推迟,燃烧持续期变化不明显;高负荷时,随着甲醇掺烧比例的增大,滞燃期缩短,燃烧终点提前,定容放热比例增大,最大爆发压力和放热率峰值明显增加,缸内平均温度略有升高;与燃烧柴油相比,在最大扭矩转速、80%负荷时,掺烧50%甲醇的最大爆发压力增加了12.1%,放热率峰值增加了37.7%。研究结果确定了不同负荷的甲醇掺烧比例变化范围,为甲醇喷射控制策略的优化提供了依据。     

进气成分对柴油机燃烧特性的影响

为了研究进气成分对柴油机着火和燃烧过程的影响,在一台视窗上置式柴油机可视化实验装置上,用高速摄像机记录了油门全开时不同进气成分下柴油机燃烧过程的火焰照片,应用三基色法计算了燃烧温度场,结合示功图和放热率曲线分析了不同进气成分对柴油机燃烧特性的影响。结果表明:当进气成分不同时,缸内着火时刻、燃烧持续期、最大爆发压力和最大放热率均发生相应改变;同时,进气成分的改变对缸内最高温度和平均温度的影响较大;另外,进气同时加入2%H2和10%CO2可以在氧体积分数减少的情况下改善燃烧,有利于降低柴油机有害排放物的生成。研究结果为实现柴油机高效、低污染燃烧提供一种新的方法。     

共轨柴油机缸内喷雾与燃烧动态可视化试验

为研究电控高压共轨柴油机缸内喷雾与燃烧,以某高压共轨柴油机为样机设计了一种多功能动态可视化试验装置,采集了共轨柴油机缸内动态燃烧过程图像。在此基础上,对柴油机进气道进行改进,利用工业纯度的氮气替代新鲜空气,使柴油机在单缸不着火的条件下,实时采集缸内多次动态喷雾图像。研究表明:利用该装置可以清晰、真实地观察到电控高压共轨柴油机预喷、主喷与后喷的多次喷油时间、喷雾锥角和雾化情况。预喷发生在-25°曲轴转角时,持续期约5°曲轴转角,喷油量较少,雾化不明显;主喷发生在-10°曲轴转角时,持续时间约10°曲轴转角,喷油量大,贯穿力强,可以清晰地观察到缸内明显的油束和喷雾锥角,喷雾以直线形式向活塞顶"ω"型底部扩展;后喷发生在8°曲轴转角时,持续时间较短,喷油量较少,但由于较高的缸内温度使燃油雾化效果明显。在着火时,可以实时观测不同工况下缸内着火、火焰中心形成以及火焰传播过程。缸内着火初始,燃油离散不充分,只有部分燃油和空气混合,即所谓的预混合着火部分(-15°~-4°曲轴转角)。在上止点附近,随着空气的流动使得火焰迅速扩散而充满整个燃烧室。对比额定工况下缸内燃烧图像,怠速工况下着火时刻推迟约5°曲轴转角,火焰占有面积较小,亮度较低。该研究为合理组织电控共轨柴油机缸内喷雾与燃烧提供大量的缸内信息与试验测量手段,可以对柴油机缸内喷雾与燃烧模拟计算结果进行试验验证。     

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。     

内部废气再循环柴油机燃烧过程分析及排放性能试验

为了探索小型非道路柴油机采用内部废气再循环技术改善其排放性能的有效途径,该文提出了一种在进气凸轮上增加预进气凸轮实现柴油机内部废气再循环(internal exhaust gas recirculation,IEGR)的方案。通过拍摄柴油机燃烧过程中的火焰图片、测试缸内压力、计算燃烧放热率、火焰温度场、碳烟浓度分布场以及有害污染物的排放测试,对比分析了实施内部废气再循环前后,小型非道路柴油机燃烧过程及排放性能的变化趋势。结果表明:1 760 r/min、50%负荷工况下,引入IEGR后由燃烧放热引起的第二压力峰值由5.49下降到5.43 MP,燃烧放热始点推迟了0.5℃A,瞬时放热率峰值由85.7下降到82.4 J/deg;缸内燃烧火焰平均温度降低,高温强辐射区域面积占有率峰值由30下降到10‰以内,而表征碳烟浓度的KL因子平均值的峰值由原机的40.5上升到67.4,且高浓度区域的比例显著增加。1 760 r/min转速,引入IEGR后各负荷工况下的NOx排放均有所降低,而碳烟排放则呈现增加的趋势;结合供油提前角的协同优化,可以实现部分负荷工况下有效燃油消耗率、NOx及碳烟排放的同时降低,具有以实现整机性能优化的潜力。该研究工作为内部废弃再循环技术在小型非道路柴油机上的应用提供了参考。     

基于数值模拟的汽油机扫气过程优化

采用流体动力学模型对二冲程汽油机扫气过程进行三维瞬态数值模拟,讨论气缸内主要结构参数对扫气过程的影响,以达到优化扫气过程的目的。分析发现,扫气口开启角度、排气口开启角度和扫气口圆周角对充量系数影响较大,随着这3个量的增加,充量系数下降,扫气效果变差,导致功率下降;同时随着排气口开启角度的增加,逃逸比迅速减小,有利于排放。在三维瞬态分析的基础上提出优化方案：扫气口开启角度为123.1°CA,排气口开启角度为112.1°CA,扫气口圆周角为72.5°。试验结果表明改进方案功率增加了22.4%,HC排放降低了55.1%。应用数值模拟,可以有效地优化汽油机的扫气过程。