Calculation and simulation of air mass flow forturbocharged diesel engines

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。     

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。     

柴油机喷油脉宽和喷油压力变化对喷油器流量系数的影响

为明确柴油机喷油脉宽和喷油压力改变对喷油器流量系数产生影响的规律并研究规律产生的原因,进行了常用喷油脉宽下及较大喷油压力范围内的试验。以动量法测量喷油规律并计算相应喷嘴流量系数,采用一种基于流动损失理论的方法分析流量系数变化规律,观察其结论与试验结果的吻合程度。试验结果表明:当喷油压力超过160 MPa、喷油脉宽改变量为500μs时,平均流量系数的变化幅度不超过5.9%;当针阀完全开启持续期与喷油持续期之比达到0.85左右时,平均流量系数与最大流量系数相差7.5%,基于流动损失的流量系数分析方法是比较准确的。该研究可为优化柴油机喷油及发展喷嘴流量系数相关理论提供参考。     

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。     

小型农用柴油机进气系的惯性增压研究

在作者８０年代对农用１９５单缸柴油机惯性增压研究的基础上,对双缸柴油机进气系工作过程进行了暂态分析,指出了原设计在工作中导致进气效率损失的参数缺陷,提出了基于惯性增压的新进气系参数设计准则,并在２１００Ｂ１柴油机对比试验中获得额定转速下增加输出功率１３％的效果。     

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。     

水田激光平地机调平系统动力学模型的验证试验

机械液压系统的动力学模型是表达系统动态特性的有效方法之一,常应用在运动机构的高精度控制设计中,然而在应用模型之前,其准确性需要经过试验验证。该文在课题组已建立了水田激光平地机调平系统的动力学模型,且对模型的准确性做了初步验证的基础上,对模型的准确性进行更严谨的试验验证与完善。首先,设计并搭建一个接近模型假设前提的试验平台,即为平地铲物理系统提供稳定安装平台,其次是各铰链连接间隙合理、配备比例流量换向阀。然后展开试验,这主要包括两部分:第一是比例流量阀的流量增益系数的标定,通过大量的恒流输入和正弦输入试验,同时测定电流与流量后,得出其试验关系。第二,对调平系统进行正弦振动试验,通过给控制电路不同频率与幅值的输入电流,对比平地铲水平倾角测量结果与相同输入时的仿真结果。试验结果表明,所选用的比例流量换向阀输入电流与输出流量存在较理想的比例关系;平地铲水平倾角测量值与仿真结果比较吻合,模型能够反映调平系统的动态特性。该文为下一步调平系统结构改进,以及实现基于动力学模型的调平控制算法提供理论基础,采用的比例阀流量增益系数标定方法和系统模型验证方案对其他机电液一体化装备的动力学模型验证具有借鉴意义。     

气泡模型在喷油系统模型仿真中的应用

为了更准确预测喷油系统中压力脉动变化,引入了基于气泡溶解和析出的物理过程的气泡模型,将其应用到柴油机喷油系统模型中,并编制了喷油系统模型仿真程序。对含气率恒定和应用气泡模型的柴油机喷油系统分别进行仿真,并将仿真结果与试验数据进行了对比。对比结果表明：含气率恒定的喷油系统模型仿真结果曲线比较平滑,而应用了气泡模型的喷油系统模型中,由于气泡体积随着系统压力和时间而变化,尤其在压力大于45 MPa后,气泡体积减小速度增大,造成压力出现震荡,仿真结果和试验数据更加吻合。该研究不仅验证了气泡模型应用在柴油机喷油系统仿真中的可行性,而且为以后气液两相条件下的柴油机喷油系统模拟研究提供了基础。     

基于参变量扫值的非道路用柴油机增压匹配

为了解决传统增压匹配方法不能保证所选涡轮增压器与柴油机最佳匹配的问题,以及内燃机是高度的非线性系统,难以使用具体的数学公式来表示某一参数与其他参数之间的相互关系,基于一款非道路用柴油机的设计开发需求,提出了利用参变量扫值进行增压匹配的方法,以GT-Power软件为载体建立相应的增压柴油机模型,通过对不同大小的压气机和涡轮进行参变量扫值计算,在满足柴油机设计指标与耐久性约束的条件下,综合选取了与柴油机匹配良好的涡轮增压器。为了折中增压之后表征机械负荷的最高气缸压力与表征热负荷的排气歧管温度,又通过模拟分析确定了合理的增压压力和燃烧始点。台架试验结果表明:选定的涡轮增压器与柴油机匹配良好,各项性能参数与排放指标均达到了设计要求,合理匹配增压压力和燃烧始点可有效平衡最高气缸压力与排气歧管温度之间的矛盾。参变量扫值方法代替了实际增压匹配的复杂调整过程,并为实际的标定工作提供了一定的借鉴指导。     

电液流量匹配装载机转向系统特性分析

为降低小型装载机负荷传感液压转向系统在流量方面的能量损失,提出用伺服电机独立驱动定量泵的电液流量匹配转向控制方法。该文首先在Simulation X中建立了装载机整机联合仿真模型,对采用负荷传感转向系统的装载机在原地转向工况下进行仿真。构建了装载机试验测试系统,通过对比仿真与试验结果,验证了仿真模型的准确性。进一步将电液流量匹配转向方法应运于此仿真模型。维持与负荷传感系统相同转向特性的条件下,该系统在低速空载工况下使液压泵能量消耗相对负荷传感系统降低36%,高速空载为37%,中速正载为39%,中速偏载为28%,电液流量系统平均降低了转向过程中泵输出能耗约30%。该文提出的研究方法对装载机转向节能研究提供了参考。     

基于Modelica语言建模的柴油机稳动态性能仿真与试验

针对传统柴油机建模效率不高、所建模型抽象不易理解、软件平台开放程度差、模型通用性低的问题,采用多领域统一物理建模规范Modelica语言和面向对象的建模思想建立了柴油机的仿真模型。以上柴D4114B型发电用柴油机为例,在解决上述问题的同时模拟了负荷特性下柴油机的稳态过程,最高压力、排温等稳态数据点的实测值与仿真值的最大相对误差为8.9%,证明了所建立的柴油机模型具有较好的稳态性能。在此基础上进行了动态仿真,模拟了转速、单缸循环油量等参数的动态变化规律,并将部分参数的仿真值与实测值进行比较,两者吻合得比较好,证明了所建立的柴油机模型能较好地预测其动态性能,可为后续的基于Modelica语言的柴油机建模提供参考。     

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。     

可变压缩比对增压中冷柴油机性能影响的模拟分析

为计算可变压缩比技术对柴油机燃油经济性和排放性能的影响,该文通过GT-Power软件,对一台装备有中冷废气再循环系统和可变几何涡轮增压系统的C6.6重型柴油机进行了建模和仿真分析,并采用了直喷燃烧预测模型对模型的有效性进行了验证。研究结果表明,可变压缩比技术使柴油机中、低负荷下燃油经济性的改善可达7.2%,再结合适当的废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)率和可变几何涡轮增压系统(variable geometry turbocharger,VGT)控制策略,柴油机的NOx和颗粒物的排放性能可达到欧洲5号标准瞬态测试循环(european transient cycle,ETC)中的排放要求。因此,可变压缩比技术可以有效改善直喷柴油机的燃油经济性,提高排放性能。     

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。     

多缸柴油机汽油均质混合气引燃的排放特性

为探究均质引燃技术对柴油机整机排放特性的影响,该文在某六缸柴油机上,实现了均质引燃模式的多缸运行.试验以转速1438 r/min、平均指示压力0.7 MPa的工况为代表,通过分析该工况下汽油比例与废气再循环EGR(exhaust gas recirculation)率对多缸均质引燃的影响,确立了汽油比例与EGR率优化的基本原则,并以此为依据完成整机ESC(European steady state cycle)测试.汽油比例及EGR率的分析指出:汽油比例高达90%时燃烧相位仍可有效控制;增大汽油比例可以带来NOx与炭烟(Soot)排放同时降低的显著效应,但汽油比例过大会导致最大压升率陡增;随EGR率增大,作为燃油主体的汽油均质混合气燃烧改善,适量EGR的引入可以优化缸内燃烧;随EGR率增大,NOx排放减少而Soot基本不变,可使用大比例EGR以进一步降低NOx排放.ESC测试结果最终表明:在仅借助柴油氧化催化转化器DOC(diesel oxidation catalyst)的情况下,NOx、一氧化碳CO(carbon monoxide)与总碳氢THC(total hydrocarbon)加权排放低至1.89、0.90、0.12 g/(kW·h),分别满足国Ⅴ标准2.00、1.50、0.46 g/(kW·h)的限值,由各点不透光烟度与加权系数乘积之和计算的Soot加权值也处于0.034 m-1的极低水平.多缸均质引燃对降低柴油机整机排放成效显著,具备稳态测试全面达到国Ⅴ排放标准的潜力.     

小型农用柴油机高原增压匹配与适应性研究

中国高原地区运行的农业机械数量众多,为保证在这些地区使用的农业机械具有良好的高原适应性,以一款小型农用柴油机为研究对象,在海拔2000m的地区,根据设计开发目标,通过理论计算选取了合适的压气机和涡轮,并进行了配机试验。基于试验数据,采用GT-Power软件建立了该小型农用增压柴油机的仿真模型,模拟研究了该柴油机关键性能参数随海拔(0、2 000、4 000 m)变化的规律。研究结果表明:选配的涡轮增压器使得该小型农用柴油机达到了高原地区2000m的性能开发目标;在3个海拔下,柴油机与压气机的联合运行线均运行在效率相对较高的区域,并且低速时具有较大的喘振裕度,在高速时离阻塞线也有一定的距离;与平原地区相比,在海拔2 000和4 000 m时,小型农用柴油机的最大转矩分别降低了2.59%和7.19%,与已有的文献结论相比,最大转矩的降幅减小;在高原地区有针对性地进行增压匹配,能够保证柴油机良好的高原运行性能,并有利于提高柴油机的高原适应性。     

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。