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。     

VNT与EGR耦合对不同气压下燃用含氧燃料柴油机性能的影响

将废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)、可变喷嘴涡轮增压器(variable nozzle turbocharger,VNT)与含氧燃料掺烧技术结合,可拓宽EGR的适用工况,提高空燃比,既有助于解决氮氧化物(nitrogen oxides,NOx)与微粒(particulate matter,PM)排放的矛盾,也有利于减小海拔上升导致的柴油机性能恶化的程度。选择EGR与VNT耦合的高压共轨柴油机作为研究机型,将生物柴油和生物乙醇按一定比例与柴油混合成生物乙醇柴油(biodiesel-ethanol-diesel,BED)燃料,利用大气模拟系统,在100和80 k Pa的环境下,试验研究VNT与EGR对含氧燃料柴油机动力性、经济性、排放特性的影响规律。结果表明:含氧燃料柴油机的动力性和经济性随着VNT开度和EGR率的增大以及大气压力的降低而变差,在大气压力为80 k Pa、转速为2 200 r/min工况下,VNT开度从22%增大到28%扭矩平均降低3.8 N·m,比油耗平均增加4.2 g/(k W·h),EGR率每增大5%扭矩平均降低0.8 N·m,比油耗平均增加1.5 g/(k W·h),大气压力从100降低至80 k Pa时扭矩平均降低3.4 N·m,比油耗平均增加4.9 g/(k W·h);VNT开度从22%增大到28%时NOx平均减小15%,EGR率每增大5%时NOx排放平均降低12%,大气压力从80增大到100 k Pa时NOx排放平均增加11%;VNT开度从22%增大到28%烟度的平均增幅为175.3%,EGR率每增大5%烟度的平均增幅为331.9%,大气压力从100降低至80 k Pa时烟度的平均增幅为96.6%。     

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。     

交变磁场下磁纳米流冷却液强化柴油机缸盖微区域冷却

为能实现柴油机缸盖鼻梁微区域高效冷却兼顾节能化的要求,该文提出了一种通过外部施加交变磁场的方式促进磁纳米流内粒子的微运动达到强化传热的方法,并与传统乙二醇冷却液、Cu-乙二醇纳米流冷却液进行了柴油机缸盖鼻梁微区域传热效果的对比研究。结果表明:在0.17 Hz的磁场交变频率影响下,磁纳米流中加热棒温度值最大下降幅度提升了29.3%,内部粒子运动涡数增加。缸盖鼻梁微区域试验表明:相比传统乙二醇冷却液,稳态工况下,最大扭矩工况点和标定工况点处测点温度值最大下降幅度分别约为12%、14.4%,外特性工况下测点平均温度值降幅为23.7℃,约为9.4%。瞬态工况测试结果表明,采用交变磁场影响下的磁纳米流冷却液,柴油机预热时间较采用传统乙二醇冷却液和Cu-乙二醇纳米流冷却液分别缩短了9.8%和8.2%,柴油机急加速工况下能保持冷却液温度波动性小。能耗率计算结果表明,采用外部施加交变磁场加强磁纳米流冷却液高效传热的方式在达到相同冷却液温度时,可实现节能幅度为7.2%。该研究为柴油机乃至其他高温部件的节能化高效冷却提供科学参考。     

基于全缸缸压测量的柴油机机械效率

为精确研究柴油机机械效率随功率及转速的变化规律,该文利用KISTLER公司的瞬态压力传感器和DEWETRON公司的燃烧分析仪,在某V型8缸增压柴油机上,测量得到不同转速、不同功率下全部气缸的缸内压力,并计算出柴油机的各缸指示功和总指示功率,分析了各缸做功的不均匀性,并根据测功机测出的柴油机在同一工况的有效功率,得到柴油机在不同转速、不同功率下的机械效率及其变化规律。结果表明:利用全缸缸压测量能有效地避免各缸燃烧不均匀性带来的计算偏差,提高整机机械效率的测量精度;在同一转速下,柴油机机械效率随着功率的增加而增大,两者近似成三次多项式关系;在功率保持不变的情况下,柴油机的机械效率随着转速的升高而降低,近似成线性关系。该文为分析多缸柴油机机械效率提供了可行的试验方法,并为预测柴油机不同工况下的机械效率提供参考。     

可变喷嘴涡轮增压及废气再循环系统改善柴油机排放性能

针对一台废气旁通阀式（wastegate,WG）增压柴油机,提出可变喷嘴涡轮增压器（variable nozzle turbine,VNT）+文丘里管废气再循环系统（venturi exhaust gas recirculation,vEGR）的 VNT-vEGR 系统设计,并进行匹配优化。搭建了发动机台架试验系统,在保证原机经济性与颗粒物（particulate matter,PM）排放性能基本不变的前提下,对氮氧化物（NOx）排放进行重点优化。研究结果表明：优化后的 VNT+vEGR 柴油机的欧洲稳态测试循环（European steady state cycle,ESC）试验加权的有效燃油消耗率、NOx 排放和 PM 排放分别为229.4、3.53和0.055 g/(kW·h),相比于原 WG 柴油机的变化率分别为0.04%、?48.2%和14.6%,油耗和 PM 排放略有升高,而 NOx 排放大幅降低,且动力性整体提高约5%～10%。匹配新系统的柴油机能够满足现行的排放法规并具有满足未来排放法规的潜力。该研究为改善柴油机的排放性能提供了参考。     

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。     

重型柴油机颗粒物分布规律的试验研究

为了同时控制车用重型柴油机的颗粒物排放质量和数目,该文对稳态工况及瞬态工况下柴油机排放颗粒物分布规律进行了试验研究。试验结果表明:在稳态工况下,随着负荷的增加或者转速的提高,积聚态及核态颗粒物数目浓度、中位直径(count median diameter,CMD)、表面积和质量均呈现增大趋势,且峰值向大粒径方向偏移。在本研究中,稳态工况全工况总颗粒物数目浓度为1.5×10~6~4.5×10~6个/cm~3,积聚态颗粒物数目浓度为2×10~6~1×10~7个/cm~3,而核态颗粒物数目浓度为1×10~7~3×10~7个/cm~3,在总颗粒物数目浓度中占比为65%~96%。全工况当量比均小于0.7,在中低转速,当量比对颗粒物分布影响较为明显,在高转速尤其是大负荷条件下,当量比的影响减弱。在瞬态工况下,颗粒物数目浓度出现了与颗粒物质量类似的排放尖峰现象,浓度峰值达到2×108~7×108个/cm~3,比其对应的稳态工况出现的浓度峰值高出1个数量级。而且排放尖峰现象中,积聚态颗粒物数目浓度占主要部分,其峰值浓度比稳态工况要高出2个数量级,此时排放尖峰现象中核态颗粒物数目浓度也出现明显增长。排放尖峰现象对应的粒径主要集中在积聚态颗粒物的50~200 nm范围和核态颗粒物的6~8 nm及20~50 nm范围。这主要是因为当量比在瞬态过程出现了超过临界当量比0.8的情况。研究结果对重型柴油机颗粒物排放控制以及生成机理有重要指导意义,并可为排放后处理器的匹配计算提供数据支持。     

基于烟度限值的柴油机怠速瞬态过程性能评价方法与试验

以一台增压中冷高压共轨柴油机为研究对象,对怠速瞬态过程进行台架试验研究。首先采用了滞后系数、劣变系数和瞬态均值3个指标来定量评价怠速瞬态过程性能,然后从时间、峰值和均值3个维度上研究了怠速瞬态过程过渡时间和烟度限值对最大缸压、燃油流量和排放性的影响规律。试验结果表明:通过采用滞后系数、劣变系数和瞬态均值能较准确地评价柴油机怠速瞬态过程中性能的变化情况,为进一步的优化提供参考。柴油机在怠速瞬态过程中缸压,油耗及排放性能较稳态有所恶化。通过调整过渡时间和烟度限值,可以降低柴油机在怠速瞬态过程中的恶化程度。     

稳定和过渡工况下柴油机活塞顶面瞬态热负荷变化规律

发动机活塞热疲劳失效主要有稳定工况下周期性热冲击导致的高周疲劳失效和在冷启动、急加速、急减速等过渡工况下热冲击引起的低周疲劳失效两种形式。为探究柴油机活塞在不同工况下活塞的热负荷变化情况,该文以一款非道路用高压共轨柴油机为研究对象,基于活塞顶面瞬态温度试验测试结果,采用热-机解耦方法建立了稳定工况及冷启动、急加速和急减速等过渡工况下的活塞热负荷有限元仿真计算模型,分析了发动机在稳定工况、冷启动、急加速和急减速过程中活塞的热负荷变化规律。研究结果表明：稳定工况下活塞的热负荷波动现象仅出现在活塞顶面、火力岸和第一环槽位置,且热负荷波动幅值随着距离活塞表面深度的增加而逐渐减小,温度波动深度范围为3 mm;活塞周期性瞬态热应力波动主要发生在活塞顶面,其他区域波动较小,热应力波动深度范围为5 mm,最大热应力波动幅值出现在燃烧室喉口区域,达到32.3MPa。过渡工况下活塞的热负荷变化较大,其中：冷启动过程中活塞的热应力出现跳跃性急剧升高,随后又快速降低的现象,活塞热负荷的变化幅度较大,温度、热应力和热应变分别达到200 ℃、42 MPa和0.3 mm;急加速过程中活塞温度场、热应力和热变形都急剧升高,虽然活塞的温度和热应变的变化量相对较小,为140 ℃和0.12 mm,但活塞燃烧室喉口热应力变化幅值达到93 MPa,易造成活塞热疲劳失效,从而对活塞可靠性和耐久性产生较大影响;急减速过程出现活塞各测点先短暂升高、后缓慢小幅度降低、并在200 s后趋于稳定的现象,急减速过程中活塞的温度、热应力和热应变的变化幅度均较小,最大变化量分别在30 ℃、10 MPa和0.02 mm以内。研究结果可为高强化柴油机铝合金活塞设计提供参考。     

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。     

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。     

高原缺氧环境下生物质燃料对柴油机性能和排放的影响

为了研究不同类别的含氧生物质燃料在高原缺氧环境下对发动机性能和排放的影响,在一台卧式双缸柴油机上分别燃用柴油、乙醇柴油E10(含10%体积分数的乙醇和90%体积分数的柴油)及生物柴油-乙醇-柴油B10E10(含10%体积分数的生物柴油,10%体积分数的乙醇和80%体积分数的柴油)3种燃料进行了对比试验。试验结果表明,在不对柴油机做任何调整的情况下,分别燃用E10和B10E10 2种含氧生物质混合燃料后,柴油机动力性下降,外特性转矩平均下降幅度分别达到4.24%和5.49%;当量燃油消耗率基本低于柴油,经济性有所改善。燃用含氧生物质燃料后,柴油机的经济性变化情况除了与燃料本身的属性相关,还与转速和负荷相关。燃用E10混合燃料后,柴油机的一氧化碳(CO)排放在低负荷时高于柴油,高负荷时低于柴油;碳氢化合物(HC)排放高于柴油水平,升高幅度范围达4.9%~27.4%;氮氧化物(NOX)排放在低负荷时低于柴油,高负荷时趋于柴油水平。燃用B10E10混合燃料后,一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)排放在低负荷时都趋于柴油水平,高负荷时都低于柴油水平;氮氧化物(NOX)排放在低负荷时低于柴油,高负荷时高于柴油水平。柴油机在燃用E10和B10E10 2种混合燃料后,碳烟排放均低于柴油水平。柴油机燃用B10E10混合燃料后的碳氢化合物(HC)排放,碳烟排放以及低负荷时的一氧化碳(CO)排放均低于E10,氮氧化物(NOX)排放基本高于E10。与E10燃料相比,B10E10混合燃料在柴油机的一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)以及碳烟排放方面具有更好的改善效果;但是动力性下降幅度较大,氮氧化物(NOX)排放增加。该研究可为含氧生物质燃料在高原缺氧地区的应用提供参考。     

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 800r/min、100%负荷和3 200r/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 000m海拔下最大缸压平均增加1.72MPa,瞬时放热率峰值平均升高25.08J/(°),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 000m,1 800r/min、20%甲醇替代率与3 200r/min、7%甲醇替代率下,瞬时放热率峰值分别降低4.80和8.08J/(°),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。     

共轨柴油机燃用麻疯树制生物柴油的性能及排放特性

为系统考察柴油机燃用麻疯树制生物柴油的性能,对某共轨柴油机燃用纯柴油、纯麻疯树制生物柴油及其混合燃料的动力性、经济性和排放特性进行了试验研究,分析比较了不同生物柴油混合比例对发动机动力性、经济性、HC、CO、NOX、烟度和CO2排放特性的影响。结果表明：随着生物柴油混合比例的增加,共轨柴油机燃用柴油－麻疯树制生物柴油混合燃料后,其动力性下降,HC、CO、烟度和CO2排放降低;燃油经济性略有增加,NOX排放略有升高。     

农用柴油机的DPF再生条件与排放性能智能多目标优化

为提升农用柴油机的DPF再生性能、排放和燃油经济性,提出了基于增强循环训练的智能多目标优化方法。通过BP神经网络构建了DPF再生条件预测模型,并提出AMSO算法提高预测精度。基于NSGA-III对多个控制参数进行优化,并通过稳态和WHTC瞬态循环试验验证。结果表明：在稳态试验验证中,优化后DPF入口和出口温度平均增加了6.10%和2.90%,O₂浓度增加了18.86%,同时,NO_x、烟度和BSFC的平均降低分别为10.72%、11.48%和0.24%,确保了DPF的高效安全再生。在瞬态测试验证中,DOC入口温度、DPF入口温度和O₂浓度明显改善,分别增加了31.00%、2.60%和0.50%,同时,NO_x和烟度排放分别降低了10.40%和0.80%,燃油消耗减少了3.5%。证明了提出的优化方法解决了农用柴油机DPF再生与排放优化问题,为柴油机再生模式下控制参数优化提供指导。     

基于响应曲面法的非道路用高压共轨柴油机设计点优化标定

针对柴油机采用高压共轨系统带来标定与优化工作量显著增加的问题,基于Box-Behnken设计与响应面法对处于标定阶段的一款非道路用高压共轨柴油机进行了研究。以该柴油机设计点为例,在最大转矩转速1 600 r/min与额定功率转速2 600 r/min的全负荷工况下,选取主喷油量、预喷油量、主喷正时以及喷油压力4个标定变量为因子,在满足设计指标与相关约束的条件下进行了优化标定。试验结果表明:基于响应曲面法建立的柴油机各二阶响应面回归模型具有良好的准确性和预测能力,决定系数R2、调整决定系数R2 adj以及预测决定系数R2 pred均在0.92以上,试验值与预测值的最大偏差不超过3.07%;优化之后得出的标定变量组合使得该非道路用高压共轨柴油机的最大转矩达到200.7 N?m,额定功率达到40.1 k W,满足其设计指标,同时有效燃油消耗率、空燃比、最高气缸压力以及最高排气歧管气体温度均在许可的约束范围之内,表明将响应曲面法用于非道路用高压共轨柴油机设计点的优化标定是可行的。