拖拉机排气余热板翅式蒸发器热力性能分析与参数优化

利用拖拉机排气余热能够有效降低燃油消耗,其中基于有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）的余热能量转换效率最高。该研究根据拖拉机实际空间尺寸,试制了一种板翅式蒸发器用以回收柴油机排气余热。基于移动边界法建立排气与工质对流传热数值模型,结合台架试验数据验证模型有效性,并定量分析了柴油机全工况下蒸发器热力性能。为提高蒸发器传热量和适用范围,采用CFD仿真和BP神经网络进一步分析非设计工况时蒸发器传热特性,并对结构与工质参数进行优化。结果表明：1）蒸发器热力性能随转速和负载增大而提高,最大传热量为69.89 kW,在中低转速负载工况下,蒸发器出现传热不稳定现象;2）增加接管倒角和改变翅片形状,在蒸发器尺寸不变条件下传热量可提高5.2%,传热面积增大0.19 m2;3）通过优化流道、工质流量和进口温度,能够改善中低负载工况热力性能,如柴油机1 500 r/min时,工质流量可在0.03～0.08 kg/s范围变化,最大传热量可达19.46 kW。研究结果可为蒸发器实际应用于拖拉机及与柴油机工况匹配提供参考。     

双极荷电凝并降低柴油机颗粒排放数量的试验研究

针对柴油机排气颗粒粒径小、数量浓度高难以控制的问题,以共轨柴油机排气颗粒为研究对象,采用自制的荷电凝并试验台,研究了在1 600和2 600 r/min转速下,荷电电压(0、5、10、15、20 k V)对排气颗粒数量浓度分布、质量密度分布、质量中位径、总数量浓度和柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)捕集效率等的影响。试验结果表明,双极荷电凝并能够降低柴油机排气颗粒的总数量浓度,核模态颗粒(5~50 nm)和小于93.1 nm积聚态颗粒(50~500 nm)数量浓度降低,大于93.1 nm的积聚态颗粒数量浓度略有升高。随着荷电电压的升高,2种转速下(最大扭矩转速1 600 r/min和额定转速2 600 r/min),25%负荷、50%负荷和75%负荷时,45.3~80.6 nm峰值处颗粒数量浓度随荷电电压的升高降幅明显,100%负荷时,8.06~12.4 nm峰值处颗粒数量浓度降幅明显高于45.3~80.6 nm峰值处;颗粒质量浓度峰值向大粒径方向偏移,质量中位径范围由96~101 nm增大至102~110 nm。双极荷电凝并能够提高DPF的捕集效率,降低柴油机排气颗粒的数量和质量排放,50%负荷时,10 k V下的DPF的捕集效率较0 k V提高了9个百分点。该研究可为双极荷电凝并技术的车用提供参考。     

ISAD技术混合动力柴油机起动系统的低温试验

针对ISAD技术混合动力柴油机起动系统低温下的性能问题,该文结合柴油机的起动阻力矩、最低起动转速、ISG电机工作特性和电机热效应等因素,研究了起动阻力矩随环境温度、起动转速的变化规律,分析了起动阻力矩与ISG电机功率、蓄电池容量之间匹配关系,以及影响蓄电池性能的主要因素。通过ISAD柴油机起动台架试验可以看出：相同的环境温度下,起动阻力矩随起动转速的提高而增大,每提高50 r/min,每缸平均起动阻力矩增加3～8 N·m;起动阻力矩随环境温度的下降而增加,0℃以下时,每降低5℃,平均每缸起动阻力矩增加2.5 N·m。研究表明：ISAD混合动力柴油机的着火转速较之原柴油机大幅度提高,可达350 r/min以上,从静止到着火转速的起动时间为0.5 s,到怠速稳定的时间为3.1 s,起动时间比原柴油机缩短,且转速波动较小。     

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。     

胶乳分离机高速转鼓流体动力学特性

为研究胶乳分离机转鼓离心流场动力学特性,基于FLUENT二相流模型,模拟了胶乳的分离过程以及转速、橡胶粒径对分离效果的影响,以浓乳的干胶含量为综合特征参数进行模型验证试验,理论分析影响分离速度的因素、碟片内液流的流动状态及轨迹、浓缩极限等问题。模型中设置鲜胶乳体积分数初始值为0.330,浓乳黏度0.038 48 m Pa·s,表面张力系数0.034 N/m,橡胶粒径为5μm,胶清按水的属性设置,碟片间隙为0.5 mm。计算结果表明:转鼓转速为7 250 r/min时,胶乳进入转鼓10 s时橡胶粒子与胶清已呈现明显分离倾向;当转鼓分别为6 750、7 250和7 750 r/min时,浓乳中的干胶体积分数分别为0.588、0.613和0.636,转速越高,干胶体积分数越大,但转速超过7 250 r/min,干胶体积分数的增幅变缓,流体压力和结构应力也将明显增加;在7 250 r/min工作转速下,当胶乳粒径分别取1、2、3、4和5μm时,浓乳中干胶的体积分数分别为0.354、0.392、0.447、0.531和0.601,浓乳中干胶体积分数随粒径增大而增加,轻相出口处因流体涡漩体积分数有一定波动。浓乳干胶含量的仿真结果与实测值高度接近,相对误差为3.83%,由此验证了模型的可靠性。轻/重相分离速度与粒径、转速直接相关,因科氏力轻相/重相轨迹与碟片母线有偏离,胶乳浓缩存在上限,轻/重相出料路径合理,离心去除细微杂质的能力强。研究结果为揭示胶乳离心浓缩机理、优化分离工艺及结构提供了理论参考。     

搅拌转速对稻草厌氧消化性能的影响

为了提高稻草厌氧消化效率,采用批式厌氧消化,研究了不同搅拌转速（高转速120 r/min、中转速80 r/min和低转速40 r/min）对稻草厌氧消化性能的影响。结果表明,搅拌转速对稻草厌氧消化的产气性能有很大影响。高转速搅拌时厌氧消化效果较好,单位挥发性固体VS产气量为451.6 mL/g,分别比中转速搅拌和低转速搅拌提高了20%和107%;高转速搅拌的消化时间T80为46 d,比中转速搅拌缩短了16 d。高转速和中转速搅拌时,厌氧消化反应器的混合效果良好,物料混合均匀,系统中适宜的pH值和较高的碱度有利于维持系统的稳定和较高的微生物活性,其总固体TS、挥发性固体VS降解率均高于低转速搅拌,产气性能明显优于低转速搅拌。因此,增加搅拌转速可以提高稻草的厌氧消化性能。     

运行参数对倒伞曝气机曝气性能影响试验

转速、浸没深度和液位高度对倒伞曝气机曝气性能的影响较大,为了研究各影响参数协同作用下倒伞曝气机曝气性能的变化情况,该文通过试验研究了不同转速、浸没深度和液位高度对曝气性能的影响。研究表明:在相同转速时随着运行时间的增加曝气池溶解氧浓度随之增大,但增幅逐渐降低;随着转速的增加,叶轮对水的做功能力增强,提高了水面的湍动强度及水面下的复氧强度,进而缩短了曝气池达到氧饱和的时间,转速为300 r/min达到氧饱和的时间比150 r/min缩短了约57%。转速、浸没深度和液位高度的改变均会极大地影响倒伞曝气机的性能:转速的增加能够提升倒伞曝气机的标准氧总转移系数和标准充氧能力,但对于标准动力效率的提升有一个上限值,该上限值与浸没深度有关;倒伞曝气机低速运行时,浸没深度和液位高度对标准氧总转移系数和标准充氧能力的影响较小。液位高度的增加会加大倒伞曝气机的标准充氧能力和标准动力效率,但是相同液位高度下,随着转速的增加标准动力效率增幅明显小于标准充氧能力增幅,当液位高度为250 mm时,转速从150增加到300 r/min,标准充氧能力值提高2.91倍而标准动力效率提高1.22倍。该研究可为倒伞曝气机的经济运行提供参考。     

玉米种子仿生脱粒机性能试验与参数优化

玉米种子仿生脱粒机是依据鸡喙离散玉米籽粒过程和裸手脱粒玉米籽粒过程的先离散后脱粒原理设计的,其具有低损伤、低破碎率等特点。为了优化玉米种子仿生脱粒机脱粒系统的有关参数,进而降低玉米种子在脱粒过程中的损伤,该文采用二次回归正交旋转组合设计的方法,以籽粒破碎率和脱净率为主要性能指标,选取差速辊转速、离散辊转速、脱粒辊转速和离散辊间隙、脱粒辊间隙为试验因素,对玉米种子仿生脱粒机进行了性能试验。并依据试验结果分别对离散辊转速与脱粒辊转速对破碎率和脱净率的影响,以及离散辊间隙与脱粒辊间隙对破碎率和脱净率的影响进行分析。分析结果表明:当离散辊转速在150~180 r/min和310~350 r/min,脱粒辊转速在270~350 r/min时,破碎率取得较小值;当离散辊转速在230~300 r/min,脱粒辊转速在150~200 r/min范围内时,籽粒脱净率取得最大值100%。当离散辊间隙在0~4 mm,脱粒辊间隙在5~9.2 mm时,籽粒破碎率取得最小值。当脱粒辊间隙在0~2.2 mm时脱净率取得最大值100%。综合以上结论,在试验拟合曲线的基础上按综合评价法进行优化,得到最优参数组合为差速辊转速90 r/min,离散辊转速350 r/min,脱粒辊转速为350 r/min,离散辊间隙4.6 mm,脱粒辊间隙4.6 mm。测得此时破碎率为0.226%,脱净率为99.317%,玉米芯完整度为100%,达到国家标准要求。     

基于EDEM的双螺旋奶牛饲喂装置给料性能分析与试验

奶牛精确饲喂技术的实施不仅能够促进奶牛业健康发展,而且还能够提高牛场经济效益。基于牛场现状,该文在设计的等径双螺旋精确给料的奶牛饲喂装置基础上,理论分析了物料输送速度与给料时间,通过Solidworks对双螺旋给料装置进行了三维建模,并利用EDEM软件分别对40 mm搅龙和70 mm搅龙不同转速(80、100及120 r/min)的给料过程进行了离散元仿真,分析了装置给料稳定性,结果表明,40 mm搅龙在转速为120 r/min时变异系数为0.052 2,70 mm搅龙在转速为100 r/min时变异系数为0.105 2,给料稳定性最优。为进一步验证仿真结果,在搭建的双螺旋给料饲喂装置上,对40 mm搅龙和70 mm搅龙进行了给料试验,试验结果显示,40 mm螺距搅龙转速120 r/min和70 mm搅龙转速100 r/min时给料稳定性最优,试验结果与仿真结果吻合。在验证装置给料稳定性基础上,对给料精度进行了试验,结果显示:40 mm搅龙和70 mm搅龙在80、100、120 r/min等不同工作转速组合下,给料精度均大于95%,当40 mm搅龙转速为120 r/min,70 mm搅龙转速为100 r/min时,给料时间为14.1 s,给料量为6.009 kg,装置给料精度不低于99.835%,符合奶牛精确饲喂效率与精度要求。     

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。     

乙醇柴油配比优化及其用于发动机的性能试验

为了完善乙醇柴油的稳定性、燃油经济性和排放性能的研究,该文基于稳定性试验数据建立响应面模型,并对乙醇柴油的配比进行优化和试验验证,最后使用优化后乙醇柴油(体积比:乙醇10%,正丁醇4%,柴油86%;简称乙醇柴油)在柴油机上进行负荷特性试验.结果表明:常温下该燃料在具塞试管里可以保持稳定状态,不发生相分离时间达到60 d以上.通过额定转速1500 r/min及1200 r/min转速下的负荷特性试验发现,使用乙醇柴油的发动机有效热效率在小负荷时与纯柴油相近,在高负荷及全负荷时均高于纯柴油;乙醇柴油的NOx排放,在小负荷时低于纯柴油,在中高负荷时却稍高于纯柴油,在全负荷时与纯柴油相近;乙醇柴油的碳烟排放,在小负荷时与纯柴油相近,在中高负荷时却明显低于纯柴油.对于试验所用柴油机,适当减小供油提前角有利于改善乙醇柴油的发动机燃油经济性和排放性能.     

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。     

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。     

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。     

十六烷值改进剂对甲醇/生物柴油柴油机排放的影响

甲醇、生物柴油是柴油机的含氧替代燃料,能有效降低柴油机颗粒物排放。但甲醇的十六烷值低,在柴油机上燃用会出现着火困难的问题,采用添加十六烷值改进剂的方法能有效提高柴油机燃料的着火性能。为了研究不同十六烷值改进剂对柴油机排放污染物的影响,试验选择了烷基硝酸酯、环烷基硝酸酯、醚3种十六烷值改进剂,分别添加到甲醇/生物柴油混合燃料中,考察了十六烷值改进剂对混合燃料理化特性的影响,并在186F柴油机上进行了台架试验,测量了柴油机缸内压力、排气温度、HC、CO、NOX和烟度的变化规律,分析了添加不同十六烷值改进剂时,柴油机排放污染物的变化规律。结果表明：在甲醇/生物柴油中添加十六烷值改进剂,混合燃料的压力峰值升高,滞燃期缩短,燃烧持续期延长,当改进剂的添加量相等时,添加烷基类硝酸酯混合燃料的滞燃期最短;排气温度变化不大,变动范围为?3.24%～3.45%;排放污染物中HC和CO排放升高;NOX和烟度降低,在3 000 r/min,100%负荷时,添加烷基硝酸酯、环烷基硝酸酯、醚分别使NOX降低12.90%、6.45%、3.87%,烟度降低11.76%、17.65%、38.24%。在甲醇/生物柴油混合燃料中添加十六烷值改进剂,不仅可以改善燃料的着火特性,也可以降低NOx和颗粒物排放。     

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。     

柴油机颗粒捕集器热再生的影响因素研究

为研究柴油机颗粒物捕集器（diesel particulate filter,DPF）再生升温过程中排气热管理策略对柴油机氧化催化器（diesel oxidation catalyst,DOC）入口温度、发动机性能及污染物排放的影响,该研究分别选取低速低负荷、低速中负荷及中速低负荷工况,通过试验研究进气节流和喷油控制参数对DOC入口温度、燃油经济性及排放性能的影响。试验结果表明：通过进气节流、推迟后喷正时和增大后喷油量能够有效提高DOC入口温度,主喷正时和喷油压力对DOC入口温度的影响较小。基于Box-Behnken试验设计与响应曲面法对低速低负荷工况下进气节流耦合后喷策略的排气热管理策略进行多目标优化,以进气量、后喷正时和后喷油量为因子,DOC入口温度、有效燃油消耗率（brake specific fuel consumption,BSFC）、氮氧化合物（nitrogen oxides,NOx）和烟度排放为优化目标。响应曲面分析结果表明：各因素对DOC入口温度的影响程度从大到小为进气量、后喷油量、后喷正时;对BSFC和NOx排放的影响程度从大到小为后喷油量、后喷正时、进气量;对烟度排放的影响程度从大到小为进气量、后喷油量、后喷正时。当后喷正时为上止点后30 ℃A、进气量为87 kg/h、后喷油量为6 mg时,DOC入口温度达到最高,此时BSFC为275.4 g/(kW·h),NOx及烟度排放分别为7.38 g/(kW·h)和1.85 mg/m³。优化后最佳进气量、后喷正时和后喷油量分别为87 kg/h、29 ℃A和5.4 mg,与优化前相比,DOC入口温度提升43.9 ℃,BSFC增加31.8 g/(kW·h),NOx和烟度排放分别降低18%和29%。研究结果可为DOC入口温度优化控制提供参考。