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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高性能低排放小型非道路柴油机的开发

以某小型非道路单缸直喷式柴油机为研究对象,综合运用CAE与CFD优化设计技术,从燃烧系统多参数优化匹配与机械系统改进设计2个方面入手,进行高性能低排放小型非道路柴油机开发。利用Hydism与Fire等多维模拟软件,对燃油供给系统参数、燃烧室与进气涡流参数进行虚拟协同优化,分析三者对燃烧过程与排放性能的影响,并确定了优化方案;同时利用有限元分析软件,对机体、缸盖及活塞等机械系统进行改进设计,提高整机的刚度强度及可靠性,有效降低机油耗。试验结果表明:最终优化方案与原机相比,燃油经济性与排放性能得到有效改善,CO、HC+NOx、PM排放分别减少了49%、58%、74%,燃油耗降低了6.9%,机油耗降低了59%,可满足EPA非道路柴油机第Ⅳ阶段法规限值,为高性能小型非道路柴油机开发提供了参考。     

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。     

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。     

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。     

小型非道路柴油机排气管内颗粒的粒径分布与氧化特性

为了深入了解柴油机颗粒在排气管内的变化过程,分析柴油机颗粒粒径分布和氧化特性的变化趋势,采用废气排放颗粒物粒径谱仪(engine exhaust particle Sizer,EEPS),测量了柴油机沿排气气流运动方向,不同位置的颗粒粒径,研究了不同位置颗粒粒径的分布规律;应用热重/差热同步分析仪,分析了沿排气气流方向不同位置颗粒的表观活化能、着火温度、燃尽特性指数等特征参数的变化规律。结果表明:沿柴油机排气气流方向,核态颗粒数量减小,聚集态颗粒数量增加;聚集态颗粒的粒径增大。热重试验结果表明:沿柴油机排气气流方向,在SOF挥发阶段和soot氧化过程中,颗粒失质量速率增加,失质量峰值对应温度降低;颗粒中H2O质量由1.3%增加到2.46%,SOF质量由38.21%增加到42.05%,soot质量由57.84%减少到52.24%,灰分质量由3.01%增加到3.25%;颗粒的指前因子由7.93×1012减小到4.67×1012,反应活化能由157.3降低到127.9,着火温度由546℃降低到501℃,降低了约8.2%,燃烧特性指数由8.16×10-9增加到1.62×10-8,燃尽特性指数上升了14.5%。该研究是对颗粒衍化机理的完善,可为颗粒捕集器的优化设计提供参考。     

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。     

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。     

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。     

轻型柴油机预混合低温燃烧路径优化试验及分析

为探索轻型车用柴油机在中小负荷率工况下实现超低排放的预混合低温燃烧策略,以某四缸轻型车用柴油机为样机,在中小负荷率工况下,进行了喷射正时、废气再循环率(exhaust gas recirculation,EGR)、进气温度、喷射压力、预喷射等不同控制参数对柴油机预混合低温燃烧影响的试验研究。证明适时早喷射可延长预混合期实现预混合燃烧,改善柴油机碳烟排放;采用高比例EGR技术降低进气氧浓度能有效控制预混合燃烧温度,可有效降低NOx排放,同时可推迟由早喷射造成的过早的燃烧相位;在适时早喷射结合高比例EGR的基础上,协同优化喷射压力、进气温度与预喷射参数改善NOx和碳烟排放Trade-off关系,以实现超低排放的预混合低温燃烧;通过预混合低温燃烧路径优化后,10%、25%和50%负荷率工况NOx排放与原机相比分别降低97.8%、80.7%和62.1%,碳烟排放分别降低76%、93.9%和47.1%。3个负荷率工况下优化后的有效燃油消耗率比优化前略有上升。研究结果为轻型柴油机预混合低温燃烧过程的优化及污染物排放控制技术提供了理论基础。     

柴油机瞬态VNT开度优化研究

瞬态工况下,可变喷嘴涡轮增压器(Variable Nozzle Turbocharger,VNT)开度的调节对柴油机增压压力、扭矩响应及污染物排放具有较大影响.为优化瞬态工况下VNT开度,实现瞬态工况下柴油机与VNT的协调控制,该研究以配备VNT的高压共轨柴油机为对象,通过台架试验研究了不同转速下负荷1、3和5 s从0...