不同海拔下国六柴油机性能试验研究EI北大核心CSCD

基于高原环境模拟试验台架,研究了不同海拔下国六柴油机全负荷和40%负荷工况下的动力性、经济性及排放特性,同时探讨了4 000 m海拔下发动机持续运行在低转速大负荷工况柴油机颗粒物捕集器(DPF)堵塞的可能性。结果表明:全负荷和40%负荷工况下随着海拔的上升,发动机的进气流量、空燃比、有效热效率,排气氧浓度、排气压力呈非线性减小,有效燃油消耗率、排气温度、NO排放呈不同幅度增加;动力性、经济性下降明显,排放性能恶化;全负荷工况对海拔的变化更加敏感,特别是低转速和高转速的性能降幅较大;国六柴油机在4 000 m海拔下持续运行在低转速大负荷工况,DPF内大量颗粒物沉积但再生困难,较短时间内被堵塞。     

高原环境下柴油机冷却系统性能仿真

利用GT-suite软件建立了柴油机工作过程模型和冷却系统模型并进行直接耦合,通过高原模拟台架试验验证了模型的正确性,进而研究了不同海拔外特性工况下柴油机及其冷却系统性能的变化规律。结果表明:海拔每升高1 000m,柴油机出口水温平均升高5.01%,散热量平均减小6.25%,风扇质量流量平均减小11.20%,柴油机功率平均减小3.55%,燃油消耗率平均增加4.67%;该装甲车辆在海拔1 000~2 600 m低转速区和海拔2 600m以上必须降负荷或者提高冷却系统散热能力后使用。最后以柴油机出口水温不超过报警值为目标,计算得到了柴油机最大允许负荷和风扇最小体积流量增幅MAP图,为高原环境下柴油机及其冷却系统匹配和改进提供了参考。     

高原环境柴油机喷嘴内部流场与缸内温度场的三维数值模拟

采用广安博之等准维模型,建立柴油机高原运行工作过程模型;通过环境模拟台架试验验证了模型的可信性。将准维计算结果作为喷嘴内部气液两相流动和缸内燃烧三维模拟的初始条件,就高原低压、低温、低氧条件对喷孔内燃油流动状态与分布、缸内燃烧过程的影响进行三维数值模拟。海拔3 700m计算结果表明:与平原环境相比,柴油机喷嘴内空穴现象加剧,燃油流动速度增加,喷孔出口燃油分布不均匀度增加;缸内燃烧平均温度比平原最多高出300℃且分布不均匀,燃烧室局部热负荷偏高。研究初步揭示了高原环境柴油机性能劣化机理,为通过优化缸内喷雾和燃烧过程改善高原运行发动机性能提供参考。     

高压共轨柴油机高海拔性能仿真研究

采用GT-Power软件建立了高压共轨柴油机工作过程模型,研究了等油量和等空燃比条件下柴油机性能随高原环境条件的变化规律。结果表明:等油量下,柴油机扭矩和燃油消耗率在海拔3 000 m以内中高转速范围基本保持不变;在海拔4 000 m以上标定转速下增压器超速,海拔5 000 m,900 r/min时发动机因空燃比过低而无法运行。等空燃比下,同0 m海拔相比,海拔5 000 m不同转速下发动机燃油消耗率平均增加7.2%,扭矩平均下降近40%,动力性下降严重。等油量或等空燃比方法不符合我国高原实际情况,需要建立新的柴油机性能高海拔修正或预测方法。     

环境对大功率柴油机缸内喷雾、燃烧与传热的影响

采用准维多区数值仿真和环境模拟试验的方法,研究了不同海拔环境对某大功率柴油机缸内喷雾、燃烧和传热的影响。结果表明:在高原环境下,油核破裂滞后期比平原最大延长9.1°曲轴转角,油滴分裂长度增加29%以上,贯穿度明显增加,一次雾化后,SMD直径显著增加;海拔4 500m,瞬时放热率峰值降低18.4%,放热率重心后移近4°,最高燃烧压力降低18.8%,位置滞后0.6°;缸内对流换热和辐射换热都比平原明显增强。研究结果为探明特殊环境下柴油机性能劣化与故障机理提供了理论参考。     

单缸柴油机燃用油酸甲酯乙醇混合燃料的性能

为了研究油酸甲酯乙醇混合燃料在柴油机上的应用,在一台单缸直喷柴油机上进行100％油酸甲酯（YSME）和5％无水乙醇＋95％油酸甲酯（E5）燃烧特性、经济性与排放特性对比试验,分析了柴油机燃用两种燃料时的燃烧压力、放热率、经济性和排放特性。结果表明,与YSME相比,发动机转速n为1500r／min、负荷Pme为0.531MPa时,E5最大燃烧压力和最大燃烧放热率均有所增加;在小负荷时,E5有效燃油消耗率和有效能量消耗率增加,在中等负荷时接近,在大负荷时略有减少;NOx与HC排放增加;碳烟与C0排放明显降低。     

不同海拔下自然吸气轻型汽油车性能研究

对一辆轻型汽油车在不同海拔环境下进行了滑行试验,并用试验结果证明了滑行阻力理论计算的平均误差在±4%以内;接着进行等速和NEDC循环工况下的油耗和排放试验,得到了汽车滑行阻力、油耗和排放性能随海拔的变化规律。结果表明:滑行阻力随海拔和温度升高而减小;海拔每升高1 000m,等速和NEDC循环100km油耗平均降低0.2L;各海拔下等速排放很小,可以忽略;NEDC循环试验中,海拔每增加1 000m,THC、CO、NOx和NMHC分别平均增加19%、23%、21%和23%。     

A Research on the Effects of Atmospheric Pressure on the Thermal Balance of Cooling System in Diesel Engine

针对内燃叉车柴油机在高原上的热平衡问题,建立了柴油机高海拔热平衡试验台和冷却系统仿真模型,对某型叉车柴油机冷却系统进行了热平衡试验和仿真计算,得到了不同海拔高度条件下柴油机燃烧放热量的分配比例和冷却液温度等信息.结果表明,随着海拔的升高,柴油机出口冷却水温度逐渐增大;当海拔高度接近4000m,环境温度为30℃时冷却系统出现过热问题,通过增大风扇的流量或提高散热器的换热效率,降低了发动机的出水温度,缓解了柴油机冷却系统的高原过热问题.     

高原环境柴油机准维燃烧模型参数优化研究

以准维油滴蒸发模型为基础,建立高原环境柴油机工作过程模型.采用正交试验设计获得燃烧模型关键参数输入样本,以发动机功率、涡前排气温度和最大爆发压力作为目标参数进行模拟.对模拟结果进行回归分析,得出高原环境发动机动力性、热负荷和机械负荷对燃烧模型各参数及其交互作用的灵敏度;基于回归数据建立响应面,并利用改进型非劣分层遗传算法(NSGA-Ⅱ)对燃烧模型参数进行全局寻优,确定高原环境柴油机燃烧模型参数.环境模拟台架试验结果表明:采用优化的燃烧模型计算柴油机外特性,目标参数计算值与试验值最大误差不超过5％.     

增压汽油机高原性能与排放仿真计算

利用GT-power软件建立某1.4 T增压汽油机模型,模拟在不同海拔下发动机外特性的动力性和经济性的变化情况,全负荷下HC,CO,NO_x比排放的变化情况。结果显示:在低速时,随海拔上升,汽油机的平均有效压力下降较大,最大达到42%;燃油消耗率在800~1 800 r/min下降比较明显,最高达10%;全负荷下CO比排放随海拔的上升整体呈下降趋势;全负荷下HC比排放随海拔的升高而升高;NO_x比排放在全负荷时随海拔上升呈现先增加后降低的趋势。     

Effects of altitude on combustion characteristic during cold start of heavy-duty diesel engine

Altitude has a significant effect on combustion of heavy-duty diesel engines, especially during cold start. An experimental study on a heavy-duty diesel engine operating at different altitudes was conducted. Tests were based on a direct injection (DI) turbocharged diesel engine with intake and exhaust pressure controlled by the plateau simulation test system to stimulate altitude conditions including 0 m, 1000 m, 2000 m, 3000 m and 4000 m. Results indicated that the compression and expansion resistance moment reduced and the speed increased during the cranking period. The peak pressure of several cycles was increased during the start-up period; however, the expansion pressure dropped more and the indicated mean effective pressure (IMEP) reduced as the altitude rose. While at an altitude of over 2000 m, the peak pressure fluctuated obviously during the start-up period. The higher the altitude was, the more the fluctuation amplitude and cycle number increased and combustion instability enhanced, which resulted the start-up period time increasing at high altitude. When the altitude rose, the cycle-to-cycle variation of the peak pressure and speed fluctuation increased during the idle, the ignition and CA50 were delayed and the combustion duration was shortened. The effect of altitude on combustion characteristics of the diesel engine was more significant during the start-up period than during its idle period.     

不同海拔地区下增压中冷柴油机的性能研究

采用微机化大气模拟测控系统对增压中冷柴油机运行在不同海拔地区下的性能进行了大量的专题试验研究,分析比较了不同海拔下的增压中冷柴油机负荷特性、速度特性、万有特性及排放特性的关系。试验结果表明：随着海拔高度的升高,大气压力减小,导致吸入气缸内的空气量减少,缸内吸气终了的温度和压力下降,从而使得增压中冷柴油机的动力性、经济性下降,等有效燃油消耗区明显变窄。     

柴油机两级涡轮阀可调增压系统变海拔控制策略研究

为解决某型两级可调增压柴油机变海拔、变工况增压压力控制复杂问题。采用GT-POWER软件建立两级可调增压柴油机高海拔工作过程模型,利用试验数据进行了模型校核。设计了两级可调增压柴油机涡轮旁通阀变海拔控制策略,优化标定得到了高/低压级涡轮旁通阀最佳开度和最佳增压压力。采用仿真与试验相结合手段,比较了基于增压压力PID闭环控制和基于涡轮旁通阀开度的开环控制对柴油机高海拔瞬态性能的影响。结果表明:采用PID闭环控制,相比平原,3000、5000 m海拔增压压力首次达到目标值90%的时间分别增加了0.11、0.19 s。涡轮旁通阀开环控制与闭环控制相比,0、3000和5000 m首次达到目标增压压力的时间分别缩短了0.09、0.197和0.14 s,但实际增压压力与目标增压存在偏差。基于此,采用增压压力PID闭环反馈控制与涡轮旁通阀开环控制相结合的控制算法能够同时兼顾两级增压系统瞬态过程的鲁棒性和准确性,是未来高海拔两级增压系统瞬态过程的理想控制算法。     

放气阀增压器在柴油机高原环境适应性改进中的应用研究

基于柴油机进排气高原环境模拟试验平台,针对所研制放气阀涡轮增压器,通过配机试验研究,获得结论如下:基于由冷态测量获得的放气阀开启特性,在考虑放气阀几何结构、排气脉冲压力波动等因素影响后得到预测特性,与高原模拟试验结果具有较好的一致性,偏差在7%以内;放气阀涡轮增压器具有较高的扭矩储备系数,可用于高原环境适应性动力改进,海拔4000 m工况可获得1.27扭矩储备系数,与常规增压器平原扭矩储备系数相当;在高原环境发动机进气量需要增加、压后压力需要提高的情况下,放气阀与平原工作状态近似,在最大扭矩点之后处于开启状态;与平原相比,高原4000 m工况压气机压后压力降低约60 kPa.通过更换高压比压气机放气阀涡轮增压器,在保持原有配机性能近似不变的情况下,可有效解决高原增压器超速问题,可使增压器转速在平原状态下降低10000 r/min左右,在高原4000 m工况,工作转速与更换前平原工作转速相当.     

基于变海拔功率恢复的增压系统匹配计算研究

针对柴油机的变海拔功率恢复目标,进行了以增压压力恢复为目标的废气放气式增压系统匹配计算,确定了压气机和涡轮特性。在该匹配方案的基础上进行了柴油机变海拔运行范围的性能计算,得到了不同海拔高度的增压压力MAP图,并以目标增压压力为基准,根据放气阀的切换边界线确定了放气阀变海拔控制策略。研究结果表明:采用该匹配方案可以在海拔3 000m和平原工况实现增压压力恢复,但在高海拔高转速工况下可能超速;随着海拔高度的降低,柴油机外特性扭矩值逐渐减小,而废气放气阀关闭状态的运行区域逐渐减小,废气放气阀调节状态的运行区域逐渐增大。     

高压共轨柴油机高海拔热平衡模拟试验研究

在内燃机高海拔（低气压）模拟试验台上,对某高压共轨柴油机进行了模拟高原环境的热平衡试验,研究了海拔高度和冷却液温度对柴油机整机热流量分配的影响。结果表明：随着海拔的升高,转化为有效功的热量以及排气带走的热量逐渐下降,冷却液散热量逐渐增大,其他热量损失大幅增加;在相同海拔下,随着冷却液温度的升高,转化为有效功的热量和排气带走的热量逐渐增加,冷却液带走的热量大幅下降,其他热量损失明显增大;当海拔大于3000 m 后各项热流量分配的增幅或降幅变化更加明显。     

高原环境对缸内燃烧及壁面油膜的影响研究

为了分析高原环境下缸内燃烧过程及壁面油膜生成规律,采用 CFD 方法对不同海拔条件下柴油机燃烧过程进行了三维仿真计算,着重分析了海拔对壁面油膜的影响。结果表明：随海拔升高,过量空气系数降低,滞燃期延长,着火推迟,燃烧恶化,柴油机性能下降;高原条件对壁面油膜生成有较大影响,壁面累计油膜质量随海拔升高而增大,4500 m 海拔下壁面油膜累计质量最大可达19 mg ,约占总油量的8％;壁面油膜在燃油喷射弹着点处形成,随着时间推移,油膜向活塞边缘扩散,在高海拔条件下,燃烧结束时活塞边缘仍有油膜残留。     

高原变海拔对柴油机缸压信号的影响分析

针对高原变海拔条件下,某重型柴油机缸盖火力面出现麻点这一故障,提出了随着海拔上升,缸内压力波动剧烈,进而导致对缸盖火力面冲击频次剧增的失效原因假设。为此,通过可模拟高原变海拔环境的单缸机台架试验,采集不同海拔下的缸内压力信号,并对其作集平均经验模态分解(Ensemble Empirical Modal Decomposition,EEMD),分离出缸压信号的不同频率成分,并对每个工况下的功率谱密度进行对比分析。结果表明:通过对分离出来的不同频率成分的能量进行分析,发现缸压高频分量的能量随海拔升高而增加,进而验证了缸盖麻点这一失效现象的假设成立。