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。     

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。     

柴油机供油系统中短时间存活汽泡及其特性的研究

利用He-Ne激光器、高速摄影技术及计算机信号采集系统对柴油机供油系统中存在的短时间存活汽泡进行了研究,分析了此时的高压油管压力波特性及其频谱特点。通过对高速摄影胶片的播放分析,可清晰地发现柴油机供油系统中出油阀紧帽腔处汽泡的产生机理并找出此类汽泡的存活时间约2.0～2.5 ms。     

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。     

高原环境条件下柴油机增压与喷油参数协同优化

增压与喷油是影响柴油机高海拔性能最直接的因素。为了优化柴油机不同海拔条件下增压与喷油系统协同控制策略,建立了二级可变截面增压柴油机GT-Power仿真模型,计算得到了柴油机运行各工况数据。将神经网络与仿真数据相结合,以动力性为优化目标,得到不同海拔条件下增压与喷油系统协同优化规律。研究结果表明:相比于原机,喷油参数经过优化后,最佳循环喷油量增加,增加量呈现出自最大转矩转速点向两侧逐渐增大的趋势。最佳喷油提前角,在2 500和5 500 m低转速下平均分别增加了1和1.5℃A,在中高转速下,平均分别减小了25.2%和17.5%。相比于原机,最佳可变截面的涡轮增压器(variable geometry turbocharged,VGT)叶片开度增大,但增大趋势在不同海拔略有不同,0 m海拔时,增加幅度随转速增加而增大,5500 m低转速时,开度不变,中高转速时,VGT开度增加幅度随转速增加呈现先增大后减小。增压与喷油参数协同优化后,0 m海拔时,VGT叶片开度和喷油量增大,喷油提前角减小,5 500 m海拔时,低转速下VGT叶片开度不变,循环喷油量和喷油提前角增大,中高转速下VGT叶片开度和循环喷油量增大,喷油提前角减小。     

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。     

喷油定时对燃用生物柴油发动机经济性与排放的影响

为研究黄连木籽生物柴油对发动机性能的影响,在一台YTR3105直喷式柴油机上进行了不同喷油定时下燃用黄连木籽生物柴油-柴油混合燃料时的经济性及排放特性试验。结果表明：在相同工况下,4种燃料的最经济喷油定时几乎相同,即最大扭矩工况为上止点前110CA左右,标定工况为上止点前120CA左右。CO和碳烟排放随喷油定时的增大有先降低又升高的趋势。随喷油定时的增大,THC排放降低,而NOX排放大幅增加。CO、THC及碳烟排放均随生物柴油掺混比的增加而降低;B10、B20的NOX排放比柴油低,而B30的NOX排放与柴油相当。最经济喷油定时与燃料类型无关,生物柴油混合比例对发动机的排放影响较大。     

柴油机高压共轨系统轨压模糊控制与试验

为了改善发动机的冷起动性能以及有利于各工况切换时喷油的精确控制,该文针对采用高压共轨系统的柴油机,建立了基于模型的轨压控制策略,首先分析推导其数学模型;然后利用MATLAB/Simulink建立了轨压控制模型,轨压控制设计了前馈控制加反馈控制的轨压控制器,轨压反馈控制设计了传统的增量式PID(比例-积分-微分,proportion-integration-differentiation)控制器和模糊自适应PID控制器;最后对轨压控制模型进行了离线仿真验证;在此基础上利用硬件在环系统进行发动机台架试验,比较了2种控制器的控制效果。仿真和台架试验结果表明,模糊自适应PID控制器在目标轨压突变时的响应性(响应时间小于0.3 s)和跟随性以及稳定工况下轨压的稳定性(稳态误差小于2 MPa)方面都优于传统的增量式PID控制器,从而验证了控制策略模型的正确性。该研究提出的基于模型的轨压控制策略有助于实现柴油喷油的精确控制,可为柴油机共轨技术国产化提供参考。     

柴油机多次喷射干扰的喷油脉宽评估方法及抑制策略

为了防止柴油机多次喷射相互干扰或重叠对喷油器、控制器以及发动机性能造成影响。该文选取大、中、小负荷3种工况,进行了预喷与主喷不同程度重叠对喷油器驱动电流、柴油机缸内燃烧及排放性能影响的台架试验。试验结果表明：当预喷与主喷重叠时,喷油器的最大提升电流达到39 A左右,约为喷油器规定电流的2倍,极有可能对喷油器及控制器造成损坏;重叠度在0以上时,喷油器处于连续开启状态,2次喷油合并为1次喷油,预喷效果消失,燃烧滞燃期延长;重叠度0与-50%相比,3种工况的着火延迟角度分别增加4.1、4.8和5.2 °CA,增幅分别为86.7%、115%和99%;随着滞燃期延长,燃烧始点推迟,缸内压力及燃烧温度升高,燃烧噪声增加,排放性能受到一定程度的影响。针对预喷与主喷重叠带来的问题,提出了基于喷油脉宽评估方法的多次喷射干扰抑制策略,并进行了台架验证试验。结果表明：当抑制系统监测到预喷与主喷会发生干扰或重叠时,控制策略能够协调预喷在合理的角度范围内进行喷射;当预喷不能满足喷油角度释放条件时,抑制策略通过控制状态字有效关闭预喷。研究结果可为柴油机多次喷射协调控制提供理论依据。     

基于键合图理论的共轨式喷油器建模与试验

电控喷油器作为高压共轨喷油系统关键部件工作过程中涉及机、电、液多物理场耦合,为预测不同工况下系统喷油量特性,揭示系统多物理场耦合特性机理,该文考虑可变液容及燃油物性等对系统动态喷射特性的影响,运用键合图理论建立了共轨式喷油器各主要组成部件数值模型,得到了系统状态方程,通过对系统状态方程组数值求解计算,得到了不同工况下系统喷油量。建立了高压共轨喷油系统喷油量测试试验台,比较了轨压分别为80、100和120 MPa不同控制脉宽下系统喷油量测量结果与键合图数值模型计算值。结果表明计算结果与测量值最大相对误差为4%,因此基于键合图理论建立的共轨式喷油器数值模型可较好地预测系统喷油量特性。该研究对高压共轨喷油系统多物理场建模及系统喷射性能数值计算提供了参考。     

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。     

引导喷射燃烧改善单缸柴油机性能的研究

针对单缸柴油发动机保有量大，应用范围广，而又普遍存在油耗、排污相对偏高的问题，结合单缸柴油机结构特点，在不改变原机结构的前提下，增设一套燃油喷射系统，增设的燃油喷射系统与原燃油供给系统配合，用机械控制方式代替高压电控喷射系统，实现引导喷射，促进柴油和空气的混合，提高混合气形成质量，改善燃烧过程，从而改善柴油机经济性和排放。试验结果表明，增设一套燃油喷射系统实现引导喷射，对节能、控制排放特别是噪音有效果。采用两个喷油泵分别向一个喷油器供油，实现引导喷射，对单缸柴油机有一定的适用性和推广价值，同时也为进一步研     

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。     

多段燃油喷射对碳酸二甲酯-柴油混合燃料燃烧过程的影响

柴油机多段燃油喷射可用来优化缸内燃烧以实现排放净化的目标。该文采用两段预喷和一段主喷组合的多段燃油喷射进行混合燃料D10(90%柴油+10%碳酸二甲酯)燃烧过程的研究。通过预喷相位可调但3段喷油之间相位间隔恒定、主喷持续时间可调但第1、2段预喷持续时间固定的喷油策略,实现在目标工况下精确的放热中心COHR(center of heat release)。当调整多段燃油喷射策略实现目标COHR以等步长推移时,柴油机的燃烧过程呈现如下特点:各工况的着火时刻均处于第2段预喷和主喷之间;从喷油时刻至着火时刻所经历的曲轴转角越来越小;着火时刻至放热中心所占用的曲轴转角则越来越大;缸内燃烧压力峰值出现位置与放热中心位置较为接近,相对缸内峰值压力出现位置,COHR不断后移且相距更远。与柴油相比,D10的滞燃期更长,其最大压升率也更高。由于易汽化的碳酸二甲酯促进了燃料混合及后续燃烧,从着火时刻到10%放热率及90%放热率对应时刻所占用曲轴转角均变小,说明碳酸二甲酯的加入有助燃烧的迅速进行。基于COHR为表征的燃烧特性分析,为碳酸二甲酯/柴油混合燃料的应用、多段燃油喷射调控燃烧过程及排放控制理论提供指导。     

废气再循环改善生物柴油发电机的经济性和排放性

在单缸风冷四冲程柴油发电机上,采用0、16%、28%EGR(exhaust gas recirculation,废气再循环)率,分别以柴油和生物柴油为燃料进行了试验,测试并分析了经济性,NOx、HC、CO和烟度的排放性能。研究表明:生物柴油油耗高于柴油,在0、16%和28%EGR率时,生物柴油的体积油耗平均高出柴油约9%、10%和17%;与无废气再循环相比,16%和28%EGR率时,燃用柴油平均可减少NOx约17%和35%,燃用生物柴油平均可减少NOx约10%和24%,生物柴油的NOx排放量高于柴油平均约6.5%和17%;燃用柴油时随EGR率增大,HC的排放量增大,16%和28%EGR率时,生物柴油的HC排放低于柴油平均约6%和28.5%;28%EGR率时,生物柴油CO排放量低于柴油,平均降低约24%;随EGR率增大,生物柴油的烟度增大,燃用生物柴油在小负荷和中负荷时烟度高于柴油。     

燃用植物油柴油机的改进及耐久性试验研究

植物油黏度比较大,挥发性比较差,很难直接在柴油机上使用。该文通过对L28柴油机进行调整改进,提高喷油压力和加装燃油加热装置,进行燃用植物油的耐久性试验,考察柴油机燃烧植物油的可行性。试验过程中发现了柴油机长时间燃用植物油存在的一些问题,并对耐久试验前后的燃油消耗率、碳烟和排气温度进行了对比和分析。试验结果表明：柴油机长时间燃用植物油,会在油嘴、气门、活塞头部、气缸套顶部产生积炭;植物油渗漏污染机油;燃用植物油运行100h后,其燃油消耗率、碳烟及排气温度的变化不大。     

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。     

射流控制压缩着火发动机不同负荷下燃烧及排放特性

针对柴油预混合气着火相位难以直接控制的问题,提出射流控制压缩着火(jet controlled compression ignition,JCCI)方式。将一台单缸农用柴油机改造为JCCI发动机:压缩比降至12,增加一个带液化石油气(liquefied petroleum gas,LPG)供给通道和火花塞的点火室,并进行了JCCI发动机全负荷特性试验研究。试验结果表明:采用射流控制压缩着火方式可以有效控制发动机的燃烧相位和排放。在平均有效压力低于0.44 MPa的工况范围,NOx排放比原机降低较多,燃烧始点相位CA10与滞燃期几乎不随负荷增加而改变;在平均有效压力高于0.44直至0.54 MPa负荷范围内,燃烧始点相位迅速前移,滞燃期迅速减小,柴油提前自燃,射流对着火相位控制作用减弱,NOx排放迅速增加并超过原机;在全负荷范围,烟度始终维持在低水平,HC和CO排放较高。该研究可为柴油预混合燃烧着火相位控制提供参考。