碳烟氧化模型的研究及在车用柴油机中的计算应用

提出了一个基于平均反应率的碳烟氧化模型,将其应用于柴油机数值模拟中,并结合试验方法研究了后喷射对碳烟排放的影响。将Hiroyasu碳烟生成模型和文中提出的碳烟氧化模型耦合在CFD源程序中构建多维模型,利用数值解析的手段,根据不同的后喷射方案计算柴油机碳烟的生成和氧化历程,并结合试验数据分析后喷射影响碳烟氧化的各种因素。研究结果表明,采用碳烟氧化模型和试验方法能真实反映柴油机碳烟的生成和氧化历程以及后喷射对碳烟排放的影响规律。     

柴油机碳烟排放浓度的预测

本文在国外有关碳烟生成和氧化过程基础研究所获得的理性认识基础上,建立了一个考虑到碳烟先兆物生成、成核、凝聚、集聚和氧化等过程的较为仔细的柴油机碳烟排放预测模型。该模型在110柴油机上作了初步验证,表明模型具有一定的预测能力。     

柴油机碳烟颗粒在NO气氛下的催化氧化研究

围绕柴油机碳烟颗粒在NO气氛下的催化氧化问题进行相关的实验研究。通过稀土氧化物氧化铈和氧化镧分别负载硝酸盐制备了实验用催化剂,并在催化剂和碳烟颗粒"松接触"情况下,研究了在NO背景下对碳烟颗粒催化氧化过程,实现了在NO背景下对碳烟颗粒催化氧化;实验结果还显示,采用复合性稀土氧化物更能促进碳烟颗粒催化氧化,更有利于同时解决柴油车排放过程中产生的PM和NOx,从而为了开发高性能柴油机用催化剂提供了重要的实验基础。     

高压共轨柴油机燃烧与排放模型的研究

利用高速闪光摄影技术,对高压喷射喷雾体空间发展规律进行了试验分析,提出了一个计算高压喷射喷雾体发展的数学公式;在正确描述高压燃油喷雾的基础上,建立了一个能预测高压共轨柴油机性能和排放的准维燃烧模型,此模型改进了燃油喷射模型及碳烟的生成与氧化模型,考虑到燃烧区的区间传热和缸内工质的对流辐射传热,对一台高压共轨柴油机进行了仿真计算。计算与试验结果对比分析表明,改进后的燃烧与排放模型能较好地反映缸内各区的燃烧与排放情况。     

利用广安博之模型对柴油机高原运行性能和排放特性的模拟研究

为研究柴油机高原运行的动力性、经济性和排放特性,使用广安博之燃烧模型对一台增压中冷的重型柴油机进行了模拟分析。模拟计算的结果显示,随着海拔高度的增加,柴油机的动力性下降,油耗上升,排放物中的氮氧化物有所减少,而碳烟排放增加。     

基于机器学习的柴油机碳烟颗粒质量排放预测模型

基于SC7H涡轮增压柴油机试验台架,开展了非道路瞬态试验循环下的柴油机排放试验,研究了瞬态循环的工况对碳烟颗粒质量浓度的影响。收集与碳烟颗粒质量浓度相关的各类传感器数据,构建一个大型的柴油机碳烟排放数据集。构建LGB梯度树模型和循环神经网络模型,采用数据集对它们进行训练,然后采用自学习算法对两种模型进行融合,获得一个更高准确度的预测碳烟质量排放融合模型。预测与实测结果的比较表明,构建的融合模型能较为准确地预测柴油机排放的即DPF入口的碳烟质量浓度实时变化,为柴油机后处理过程中碳载量的准确计算以及控制策略的开发提供参考。     

CDPF被动再生特性及再生平衡条件研究

根据Arrhenius方程建立催化型柴油机颗粒捕集器(CDPF)被动再生化学反应模型。通过在一台重型柴油发动机上进行台架试验,对建立的CDPF被动再生模型进行标定和验证,标定后的CDPF被动再生模型可很好地预测CDPF中碳烟被NO_2氧化的反应速率。结果表明,碳烟氧化速率随CDPF初始碳载量的增大和床温的升高而提高;在初始碳载量为3.8 g/L、NO_x含量为550×10~(-6)的工况下CDPF平衡温度约为283℃;增加NO_x排放可促进CDPF被动再生的进行,降低被动再生平衡点碳载量和平衡温度;再生平衡曲线与预设碳载量有关,随着预设碳载量的增大,再生平衡曲线下移,被动再生区域增大。     

直喷式柴油机碳烟和NOx排放的数值模拟及试验

为预测直喷式柴油机的碳烟和NOx排放,提出了新的小火焰计算模型———RIF模型。此模型是通过引入理想混合比分数空间坐标系,将通常坐标系下的组分方程转换到混合比分数空间坐标系下,得出新的组分扩散方程。将小火焰计算模型与流体动力学程序(KIVA-3V)相嵌套,增加并修改原有计算模块,将湍流喷雾运动和湍流燃烧运动有机分开,计算出直喷式柴油机湍流燃烧后生成的碳烟和NOx,最后通过试验验证了该计算模型。     

TBD234柴油机有害物生成过程仿真研究

针对舰用TBD234柴油机燃烧室结构及共轨喷射条件下的工作特点,确立标定工况下的燃烧、NOx生成和炭烟生成模型,并合理修正了模型参数。利用CFD软件对其燃烧过程进行仿真计算,得到全过程的有害物组分浓度分布结果。结果显示NOx生成主要受燃烧温度和混合气浓度的影响,炭烟主要产生于浓混合气且贫氧的区域。从NOx和炭烟结果的对比发现二者分布区域形成互补关系,反映出控制NOx和控制炭烟的矛盾。仿真结果与实际情况较好吻合,从而验证了仿真参数选取的有效性。     

重型柴油机DPF非线性非稳态碳载量估算方法研究

通常可以使用压差传感器估计柴油机微粒捕集器(DPF)中的碳载量，但其在较低排气流量时的非线性和非稳定状态下，准确性会严重下降。为了提高精度，建立了新的碳载量估算方法，以计算DPF中的炭烟累计量，从而提高主动再生触发时间的精度。该模型基于发动机炭烟排放和DPF内的炭烟氧化平衡，由炭烟排放模型、NO₂被动再生模型和炭烟高温氧化模型3个子模型组成。测试验证是基于全球统一瞬态试验循环(WHTC)进行的。试验结果表明，在载碳形成过程中，碳载量计算值与实测值的平均误差为4.6%。随着排气温度和NO₂浓度增加，被动再生加快，主动再生间隔延长。     

O2和 NO2气氛下柴油机炭烟氧化过程及其化学反应动力学参数研究

用热重分析仪对 O2和 NO2气氛下柴油机炭烟的氧化过程进行了试验研究,并利用程序升温氧化（TPO）试验对其化学反应动力学参数进行了研究,建立了 O2和 NO2气氛下柴油机炭烟氧化过程的化学反应动力学模型,并用模型对 O2和 NO2对炭烟的氧化效果进行了对比分析。研究结果表明：柴油机炭烟在 O2气氛下大约从700 K 时开始氧化,氧化反应的活化能为76．8 kJ／mol ,对 O2的反应级数为0．85;而在 NO2气氛下大约从600 K时开始氧化,氧化反应的活化能为21．9 kJ／mol ,对 NO2的反应级数为0．85。在柴油机排气组分条件下,当温度低于750 K 时,NO2氧化炭烟引起的炭烟质量减少占主导;而当温度高于800 K 时,O2氧化炭烟引起的炭烟质量减少占主导。     

Estimation of soot oxidation rate in DPF under carbon and non-carbon based particulate matter accumulated condition

By high particulate matter(PM) reduction performance, diesel particulate filter(DPF) is applied to almost all of modern HSDI diesel engine. PM emitted from diesel engine is consist of carbon based and non-carbon based material. Representative carbon based PM is soot. Non-carbon based PM is produced by wear of engine and exhaust component, combustion of lubrication oil and sulphur in fuel. Accumulation of non-carbon based PM affects pressure difference of DPF and thus accuracy of soot mass estimation in DPF can be lowered during normal and regeneration condition when the pressure difference caused by non-carbon based PM is not recognized correctly. Also unevenly accumulated PM inside of DPF can produce locally different exhaust gas temperature and thus it can lower accuracy of soot mass estimation during regeneration. This study focuses on estimation of soot oxidation rate not by conventional pressure difference but by exhaust gas analysis at up and downstream of DPF. Results, strong correlations between CO₂ -fuel mass ratio and soot oxidation was observed.     

基于局部线性模型树的高压共轨柴油机排放模型

为研究面向闭环控制的柴油机在线排放模型,以1台高压共轨、涡轮增压中冷柴油机的转速、扭矩、空燃比、燃烧始点、燃烧重心、燃烧终点、最高燃烧温度、最大缸内压力等运转和燃烧的各项参数为基础,运用局部线性模型树对排放物HC,CO,CO2,NOx和烟度进行了仿真研究。研究结果表明,以转速、扭矩、空燃比为输入时,CO,CO2,NOx的仿真结果与试验值具有较好的一致性,以转速、扭矩、空燃比、燃烧重心为输入时,HC、烟度的仿真结果与试验值具有较好的一致性。各排放的期望响应与仿真输出的平均误差在10%以内,线性回归相关系数达到0.96以上。各个排放物的仿真过程单独进行时,可以得到较好的仿真效果。因此,局部线性模型树模型适用于高压共轨柴油机排放物的仿真。     

共轨柴油机排气后处理系统实时仿真模型

柴油机从欧Ⅲ排放标准发展到欧Ⅳ排放标准需要增加排气后处理系统,对排气后处理系统的建模和仿真将是欧Ⅳ柴油机控制系统开发流程中的重要环节。介绍了排气后处理系统的发展状况,针对柴油机控制系统开发建立了排气后处理系统模型,包括氧化催化器和微粒过滤器两个模块,模型根据能量守恒和化学动力学原理建立。对后处理模型进行了硬件在环仿真,对微粒过滤器的再生策略进行了分析。     

喷油器参数对柴油机燃烧特性影响的数值模拟

应用三维CFD模拟软件FIRE,对1台135柴油机的喷雾与燃烧过程进行了数值模拟。通过缸内流场分析和浓度分析,研究了喷孔数、喷孔锥角对燃烧过程的影响及对NOx和炭烟生成的影响。结果表明,喷孔数和喷孔锥角影响燃油的喷雾质量和油气混合质量,进而影响燃烧过程和排放物的生成;CFD模拟计算对优化喷油器参数,从而改进燃烧系统具有指导意义。     

降低柴油/LPG双燃料发动机碳烟排放的试验研究

针对城市公交柴油客车一直难以解决的碳烟排放问题进行了大量的试验研究,开发出一种柴油／LPG 双燃料发动机用的燃料供给和控制系统。经柴油机改装和装备该系统的柴油／LPG双燃料发动机在运行过程中能 够在柴油运行模式和柴油／LPG双燃料运行模式之间平稳切换,在双燃料运行模式下能够保证发动机的动力性和 经济性,碳烟排放大幅度降低,最大可降低至柴油工况的80％。