小型通用汽油机排放的研究

以168F汽油机为样机,通过改变点火提前角和混合气浓度供给实测了样机的功率、油耗和排放数值。通过发动机示功图采集和放热规律计算,研究了点火提前角和混合气浓度对样机工作过程的影响,探讨了与样机匹配的点火提前角和混合气浓度的最佳值。通过上述试验研究和理论分析,在不使用尾气催化转化器的情况下,使得样机达到EPA第二阶段排放限值,并且具有达到EPA第三阶段排放限值的潜力。     

电控低压喷射小型汽油机燃烧与排放特性分析

以168F汽油机为样机,采用自主开发的通用小型汽油机低压电控燃油喷射系统,按照美国EPA排放试验循环工况,对35 kPa、70 kPa和0.3 MPa喷射压力下发动机燃烧特性与排放特性进行试验研究。得出小型汽油机采用不同喷射压力喷油,可通过喷油脉宽控制使各工况点过量空气系数无明显差异,能实现以低排放为目标开环控制的电控低压喷射并能优化汽油机的综合性能。降低喷射压力,发动机标定工况缸内最大爆发压力略有降低,最大爆发压力对应曲轴转角推迟。随着喷射压力降低,燃烧持续期略有增加,缸内最高燃烧温度下降,CO排放值几乎保持不变,HC排放值呈上升趋势,NOX排放值则呈下降趋势,有效燃油消耗率略有增加。用喷油压力分别为35 kPa、70 kPa和0.3 MPa喷油,CO比排放分别为259.9、258.5和258.3 g/(kW·h);HC+NOX比排放分别为7.41、7.35和6.99 g/(kW·h)。相对于使用化油器供油的原机而言,电控样机整机动力性不变,排放和经济性能明显提高。采用35kPa 的低压电控喷射系统小型汽油机能满足美国 EPAⅢ排放法规限值要求,起动性能、运转稳定性明显改善,能降低整机电控系统的成本,可推动整个通用小型汽油机行业电控化发展。     

液力偶合器气液两相流动的数值模拟与粒子图像测速

为了更加真实地反映偶合器内部的气液两相流动机理,该文应用计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）对其内部流动的速度和压力等流场特征进行数值模拟,并应用粒子图像测速（particle image velocimetry,PIV）技术对其流场进行了测试,试验结果表明：泵轮内的气泡小而均匀,速度分布较规律,由内环向外环递增;涡轮内气泡较多,并出现了涡流、回流、二次流等不规则流动现象。PIV测试的流场流动趋势与数值模拟的流场流动趋势基本一致。CFD数值模拟方法和PIV技术为揭示液力偶合器内部流场的复杂流动提供有效的解决途径。     

基于流固耦合的分动器齿轮两相流动数值模拟与试验

针对分动器齿轮啮合传动中,润滑油运动过程缺乏研究和油压油速等相关参数不确定的问题,应用数值模拟与试验相结合的方法进行了详细的分析。建立分动器齿轮流场三维模型,基于流固耦合理论,应用Fluent UDF命令设定齿轮动网格运动,建立VOF两相流模型进行数值模拟,结果表明:0～0.5T(小齿轮以400 r/min速度旋转一周耗时为1T)时刻,从动大齿轮旋转带油对啮合区润滑起主要作用、速度流线在啮合区附近出现明显的漩涡现象、啮合齿面间压力值相对较大、两相流模型的改变对齿轮带油润滑效果有较大影响;应用高速摄影技术,对透明分动器壳体内流场流动情况进行观察试验,其油面波动与数值模拟结果作对比,最大误差为12.2%,误差较小,表明试验与数值模拟的分析结果相吻合。研究成果为下一步改善分动器齿轮润滑方面的工作提供参考。     

半开式叶轮离心泵气液两相条件下内部流动特性分析

半开式叶轮离心泵输送气液两相流时,其性能经常随入流含气率（α）的增加而下降,主要由内部的气液两相不稳定流动造成。为解决传统欧拉双流体模型不能考虑气泡直径变化及气泡形变的问题,采用一种群体平衡模型（Musig模型）数值计算了某设计比转速为88.6的半开式叶轮离心泵在不同入流含气率下的内部流场,并进行了试验验证。研究结果表明：模型泵在1 000 r/min可输送液体的最大入流含气率为4.6%;α>3%以后,Musig模型由于能表征气泡形态及破碎与聚合过程等气液两相流演化规律,其外特性计算结果比欧拉-欧拉双流体模型准确,且与可视化试验流型测试结果较为吻合;α=4%时扬程系数和效率与试验结果的最大误差分别为1.6%和5%;随着入流含气率的增加,叶轮和蜗壳流道内逐步出现均匀泡状流、聚合泡状流、气穴流和分离流等流型分布,设计流量下α≤1%时以均匀泡状流为主,α=3%时以聚合泡状流为主,α=4%时以气穴流为主,α≥4.2%时出现分离流并逐渐堵塞流道;叶顶间隙是影响泵内气液两相流型分布的重要原因,叶轮流道中存在大尺度漩涡和出口回流现象,且随着含气率的增大越发明显,进而在高含气率区域引发较大的湍动能分布,加剧了泵内部的不稳定流动,最终导致α≥4.6%后的泵空转。该研究可为综合分析离心泵内部不稳定流动规律提供一定参考。     

静电荷粉植保机具两相流流场的分析计算

对静电喷粉植保机具中的荷电气固两相流流场进行了理论和实验研究。分析了荷电粉粒的受力状况，建立了荷电粉粒的运动方程，并对其求解，给出了具体算例。用激光多普勒技术测量了充电区域中粉粒的速度场，将计算结果和测量结果进行了对比，二者比较接近。此结果可用于指导喷粉机具的设计与计算。     

静电喷粉植保机具两相流流场的分析计算

对静电喷粉植保机具中的荷电气固两相流流场进行了理论和实验研究,分析了荷电粉粒的受力状况,建立了荷电粉粒的运动方程,并对其求解、给出了具体算例。用激光多普勒技术测量了充电区域中粉粒的速度场,将计算结果和测量结果进行了对比,二者比较接近。此结果可用于指导喷粉机具的设计与计算。     

气液两相离心泵受力特性研究

离心泵在气液两相流工况运行时,叶轮内部流动极不稳定,为了研究叶轮在该工况下的受力情况,该文采用计算流体动力学的方法对某一气液两相离心泵进行了研究。基于欧拉-欧拉非均相流模型及SST湍流模型求解气液两相流离心泵的三维湍流流场,并将数值模拟结果与试验数据对比,两者吻合较好。通过对不同含气率工况下的离心泵瞬态特性进行分析发现,叶轮所受轴向力的大小随着时间的变化而波动,进口含气率达到3%时,轴向力脉动出现明显的峰值,这些峰值所对应的频率均为叶轮转频,随着进口含气率的增加,出现了2个及以上的峰值,进口含气率为7%工况的轴向力脉动峰值是3%工况的3倍,是5%工况的2倍;叶轮所受径向力大小及径向力脉动幅值均随进口含气率的增加呈先增加后减小的趋势,各工况下径向力脉动峰值所对应的频率均为叶片转频的倍数;通过分析进口含气率分别为1%、3%及7%工况下叶轮中间截面的含气率分布、涡量分布以及静压分布可得,叶轮内含气率较高区域的涡量也较大,而该区域的压力分布也不均匀,由此可见,叶轮内气液分布不均导致了叶轮内的压力分布不均,从而使叶轮受力不均。     

水平携带床气固两相流动的实验研究

为研究氩气和生物质颗粒(玉米秸秆粉末)流在水平携带床热解管中的运动规律，设计了水平携带床透明冷态模拟装置。以油雾粒子为示踪粒子，利用PIV技术(粒子图像测速技术)对氩气流在水平携带床管内的速度分布进行了测量和分析。在氩气流量不变的情况下，对水平携带床管内加入生物质颗粒后的流动速度进行了PIV测量。结果表明，氩气流在到达距离管道入口大于400 mm的区域后已经较为稳定，处于充分发展区；氩气流的速度分布是对称结构，在雷诺数为1695时，其速度分布形状明显不同于层流的抛物线形状，是更加接近于紊流速度分布形状。而相同氩气流量条件下，生物质颗粒速度分布是非对称形状，中心部位生物质颗粒运动速度明显低于气流中心速度；在整个水平携带床内，生物质颗粒都是处于被加速的状态。     

水力机械固液两相流设计方法探讨

对水力机械中转轮叶片的磨蚀进行了简略的分析,并运用水力机械固液两相流动理论,探讨了含砂水中水力机械转轮叶片的设计方法,在一小电站的应用取得了较满意的效果,该文仅适用于稀疏颗粒的精形。     

农用柴油机喷油系统中液—汽两相流动过程的试验研究

利用CCD摄像机、A/D转换卡、微型计算机、图像采集卡和其它测试设备对农用1105柴油机喷油系统中液—汽两相流动过程进行了试验研究。在实际运转中的1105柴油机中发现了在空转、额定功率及最大扭矩等工况下其喷油系统内存在着大量的汽泡现象,汽泡的运动规律极其复杂,并在各种工况下对发动机性能有不同程度的影响。     

喷雾接种生物颗粒两相流及其对菌种活性的影响

纯种固态发酵喷雾接种的喷雾系统可能会直接影响微生物的活性,造成微生物的死亡。该文利用固-液两相流理论分析了喷雾接种两相流体中微生物的受力状况,并对该两相流流态特征进行了定性,分析了流体微元体对微生物损伤程度综合衡量参数——黏性能量耗散率公式的理论依据,为后续喷头内部流场仿真奠定了基础。在FLUENT里创建了一个通过流场信息来计算黏性能量耗散率的用户自定义函数,在合理设置边界条件和初始条件的基础上,对在不同孔口尺寸、入口压力条件下空心锥雾喷头的黏性能量耗散率等内部流场进行了数值模拟;设计并制造了一套喷雾接种试验系统,确定了相应的测试试验酵母菌活性的方法。采用CFD仿真和试验验证的方法量化分析了喷头孔口尺寸、喷雾参数等因素对喷雾后生物活性的影响。结果表明,用喷雾接种实现纯种固态发酵过程的自动化、保证接种的均匀性是可行的;接种时喷雾压力越大、喷头孔口尺寸越大,喷头内部流场内能量耗散率极值也越大,菌种死亡率越高,据此可以找到保证接种后微生物存活率的最佳喷雾特性参数。该文的研究为固态发酵喷雾接种或病虫害防治喷施生物农药的应用提供了基础,并可为进一步研究其他喷头对微生物活性的影响提供借鉴。     

柴油机SCR载体SOF沉积量估算模型与参数辨识

针对柴油机选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction,SCR）载体由于可溶性有机物（Soluble Organic Fraction,SOF）沉积导致SCR的NOx转化效率低的问题,该研究首先建立了SOF沉积量估算模型,并进行SOF原始排放与SCR载体的SOF捕集效率试验研究;然后利用Matlab/Simulink软件工具建立SOF沉积量估算模型,包括SOF原始排放模块、SCR载体对SOF捕集模块、SOF热解模块;最后基于多目标遗传算法,进行SOF瞬态修正脉谱优化和热解参数辨识,并探索惩罚函数的应用规律,使得4组SOF低温沉积量平均估算误差为2.42%,12组高温热解平均估算误差为4.03%。该研究可为解决柴油机SCR载体由于SOF沉积导致NOx转化效率低的问题提供技术参考。     

临界温度下循环喷油量对柴油机冷起动和排放特性的影响

为探明循环喷油量对小型农用柴油机冷起动特性和排放性能的影响规律,同时寻求其临界温度下的最佳循环喷油量,该研究以一款直列双缸高压共轨柴油发动机为研究对象,利用环境模拟舱整机试验平台,通过多次预试验测得海拔2000 m下,该机不开启预热装置能够成功起动的临界温度为-5 ℃。在此工况下,采用3次喷射方式,通过改变主喷油量研究循环喷油量对该机冷起动特性和排放性能的影响。结果表明：较大或较小的循环喷油量均会导致柴油机冷起动时间增加,甚至起动失败;随着循环喷油量增大,冷起动时间先减小后增加,循环喷油量为20 mg时冷起动时间最短,且HC、CO排放峰值均最低,分别为12984和3008 mg/L;增大或减少循环喷油量均会导致HC和CO排放峰值增加。循环喷油量较大时,CO排放峰值显著增加,并且峰值出现时刻提前。改变循环喷油量对NOx排放峰值有较大影响,循环喷油量为30 mg时NOx排放峰值最小,为368 mg/L。综合考虑,海拔高度2 000 m,环境温度-5 ℃工况下该柴油机起动的最佳循环喷油量为20 mg。研究结果可为柴油机冷起动特性和排放优化提供支撑。     

颗粒参数对螺旋离心泵流场及过流部件磨损特性的影响

为了研究颗粒参数与螺旋离心泵过流部件表面磨损特性的影响,该文结合数值计算与试验方法,分别引入Mclaury和OKA 2种磨损预测模型对螺旋离心泵内固液两相流场进行求解,并将2种模型中所包含的关联因子函数进行了推导和分析,建立了颗粒参数与过流部件表面磨损的内在关联。结果表明:所采用的数值计算模型准确性较好,相对误差在可接受范围内;叶片工作面的磨损主要集中在叶片头部和螺旋段轮缘附近,叶片背面磨损主要发生在叶轮离心段,蜗壳内壁主要磨损区域为隔舌和靠近出口断面附近;颗粒粒径在0.05~0.16 mm范围内,粒径的增加促进磨损,而当粒径大于0.16 mm后,磨损增长放缓;颗粒体积分数在3%~6%范围内,颗粒体积分数的增加会加剧磨损,而从6%增加到7%时,隔舌处磨损持续增加,在周向角度为101°~326°的截面范围内,颗粒体积分数的增加会抑制蜗壳内壁磨损;颗粒速度与磨损呈正相关,且对磨损的影响较大,不同速度下蜗壳内壁各部位的磨损率变化趋势相近。在此基础上,给出了固液两相流泵水力设计和结构设计的优化方向,该文为提高两相流泵抗磨损性能提供了参考。     

EGR对轻型柴油机缸内燃烧及排放性能影响的可视化

为探索EGR对轻型柴油机小负荷工况下缸内燃烧及排放性能的影响规律,该文以某高压共轨轻型柴油机为样机,搭建柴油机缸内工作过程可视化研究平台,通过缸内燃烧过程高速摄影、缸内示功图采集及放热率计算分析了EGR对轻型车用柴油机燃烧过程及排放性能的影响规律。研究表明:通过所搭建的柴油机缸内工作工程可视化平台可以直观的分析柴油机缸内喷雾燃烧过程。小负荷工况条件下,随着EGR率的增加,滞燃期缩短,柴油机缸内燃烧持续期延长,燃烧后期平均温度上升,缸内压力峰值、瞬时放热率峰值均降低,与EGR率为10%时相比,EGR率40%时NOX、HC和CO排放分别下降了65.6%,46.4%和8.7%,而炭烟的排放先减小后增大,EGR率超过30%后炭烟排放及燃油经济性出现恶化。该研究可为有效降低柴油机排放提供参考。     

S195柴油机燃用轻-重馏分混合柴油的试验研究

将0^#轻柴油与20^#重柴油以不同的比例配制成3种混合油,在S195柴油机上进行正交试验,并利用SAS统计分析软件对正交试验结果进行优化分析,获得了S195柴油机最佳参数组合和不同工况下耗油率影响因素次序。台架试验和实际应用表明S195柴油机燃用重馏份柴油后,柴油机不仅运行正常,而且其动力性和经济性均较使用0^#轻柴油有所提高。     

两种轴流脱粒分离装置脱出物分布规律对比试验研究

该文在自行研制的轴流脱粒分离装置试验台上,利用水稻对螺旋叶片板齿组合式与钉齿式轴流脱分装置脱出物分布规律进行了试验研究,得到了两种装置脱出物沿轴向与周向分布曲线与方程。结果表明,两种装置脱出物分布规律曲线沿轴向呈Peal-Reed模型,沿周向均为系数不同的多项式形式。脱出物沿轴向与周向分布不均匀,且两种装置脱出物特性不同。