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  • 内燃机工程
  • 2024年 第45卷 第2期
  • 出刊日期:2024-04-15
《内燃机工程》创刊于1979年,由中国内燃机学会主办,主管单位为中国科学技术协会。 《内燃机工程》是中文核心期刊、中国科技核心期刊、中国核心学术期刊,国内外公开发行,目前为双月刊。

2024年第45卷第2期

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    • 目次
    • 预燃室湍流射流点火甲醇发动机稀薄燃烧和排放特性试验研究
      王志刚,刘宗宽,车胜楠,周磊,卫海桥
      基于一台四冲程单缸发动机开展预燃室湍流射流点火(turbulent jet ignition, TJI)甲醇发动机燃烧特性、性能表现和排放特性的试验研究。结果表明,TJI燃烧模式燃烧速率较快,放热率(heat release rate, HRR)峰值明显较高,且具有更短的滞燃期和燃烧持续期。随着过量空气系数变大,缸内压力和放热率峰值变小,TJI和火花塞点火(spark ignition, SI)燃烧模式滞燃期和燃烧持续期均变长。此外,TJI燃烧模式可有效提升甲醇发动机的稀薄燃烧稳定性,可将稀燃极限拓展至过量空气系数2.0。TJI燃烧模式下平均指示压力略低于SI模式;然而对于过量空气系数大于1.1的稀燃工况,TJI燃烧模式指示燃油消耗率更低,在过量空气系数1.3时低于570 g/(kW·h),说明其具有更好的燃油经济性。TJI燃烧模式下氮氧化物排放量明显低于SI燃烧模式,过量空气系数1.1时降低约37.2%,并且在过量空气系数大于1.3的极稀燃工况具有相对较低的甲醛CH2O和碳氢化合物排放。
      2024  Vol.  45(2):    1-7    [摘要](244)    [PDF](110)
    • 基于射流点火和气道喷水技术的缸内直喷汽油机稀薄燃烧特性研究
      李勇,吴威龙,李钰怀,陈泓,张宗澜,杜家坤
      在一台4缸涡轮增压汽油机的基础上,增加预燃室和进气道喷水系统,在最佳油耗工况附近(转速2 500 r/min,平均有效压力为0.8~1.2 MPa)开展了试验,研究和分析了汽油机稀薄燃烧特性,以及射流点火和进气道喷水技术对稀薄燃烧性能的影响。结果表明,稀薄燃烧可以将有效热效率从当量燃烧的39.5%提高到42.4%左右,但是当过量空气系数超过1.4以后,燃烧稳定性和碳氢排放变差。采用射流点火技术可以将稳定燃烧的过量空气系数拓展到1.7以上,热效率增加至43.0%以上,燃烧持续期最大缩短37.6%,循环波动不超过1.3%。在此基础上增加进气道喷水,对于平均有效压力在1.1 MPa以上的负荷,抑制爆震效果明显,喷水脉宽达到4 ms时,爆震限制的燃烧重心可以提前到活塞上止点后8°左右,同时最大热效率超过44%,循环波动不超过3%;但是对于平均有效压力低于1.1 MPa的负荷,爆震现象不严重,喷水反而会降低燃烧速率和热效率,同时燃烧稳定性和未燃碳氢排放也随之恶化。
      2024  Vol.  45(2):    8-17    [摘要](152)    [PDF](79)
    • 柴油/聚甲氧基二甲醚混合燃料匹配催化型颗粒捕集器的排放特性研究
      张文博,高楠,陈昊,赵伟,苏欣
      使用柴油和聚甲氧基二甲醚(polymethoxy dimethyl ether, PODE)混合燃料进行了柴油机催化型颗粒物捕集器(catalytic diesel particulate filter, CDPF)的排放特性试验,研究分析了添加PODE对CDPF的过滤效率及CDPF前后端NOx、CO2和颗粒物排放变化的影响。结果表明:加入PODE提高了CDPF对颗粒物的过滤效率,使用90%体积分数的柴油与10%体积分数的PODE掺混(D90P10)可使CDPF的平均过滤效率提高3.6%。CDPF对核态颗粒物的过滤效率低于86.39%,CDPF对聚集态颗粒物的过滤效率高于91.32%,CDPF对核态的过滤效率低于聚集态。CDPF对不同粒径颗粒物的过滤效率不同,且随颗粒物粒径的增加而增加。两种燃料下,通过CDPF后的颗粒物的几何平均直径(geometric mean diameter, GMD)均减小,NOx排放降低,CO2排放增加。
      2024  Vol.  45(2):    18-25    [摘要](114)    [PDF](76)
    • 基于燃烧状态反馈的柴油机低温冷起动逐循环控制研究
      秦彪,王捧,马士宝,王国莹,石磊,邓康耀
      为改善低温冷起动工况不良燃烧循环,利用CompactRIO控制器开发了燃烧状态反馈系统,实现了缸压采集和燃烧状态参数实时计算及反馈。设计试验探明了不同温度和转速下喷油时刻对CA50(缸内累积放热量达到50%时所对应的曲轴转角)的影响规律,提出了基于燃烧状态反馈的喷油时刻逐循环控制方法,实现了燃烧参数与控制参数的匹配。采用该控制方法后CA50更集中在高效燃烧区间,最高燃烧压力更高且不良燃烧循环得到改善,起动时间平均减少36%,有效改善了柴油机低温冷起动性能。
      2024  Vol.  45(2):    26-33    [摘要](129)    [PDF](77)
    • 大空间尺度下预燃室射流火焰发展历程的光学诊断和模拟研究
      叶映,明镇洋,王昌庆,文铭升,刘海峰,尧命发
      基于定容燃烧弹,在与大型低速预燃室式双燃料船机相似的空间和热力学条件下,采用相似的点火过程,对主燃烧室内的射流火焰发展和引燃预混火焰的扩展历程进行光学测试;提出一种基于全网格映射,分阶段采用不同的燃烧模型的方法模拟不同燃烧阶段的火焰发展过程。基于定容装置试验数据验证了模型对燃烧火焰扩展速度预测的适用性和准确性。研究结果表明:预燃室燃油喷射量直接影响射流火焰的最大贯穿距离和火焰强度;主燃烧室内的混合气需要达到一定浓度才能被引燃。对燃烧过程的模拟,第一阶段燃烧采用均质搅拌反应器(well-stirred reactor, WSR)模型可以较为准确地模拟不同燃油喷射量下的射流发展速度和火焰射流的最大贯穿距离;第二阶段燃烧采用G方程可以较为准确地模拟火焰在各方向上的扩展速度。采用Mapping方法连接的两个模型对燃烧两个阶段的火焰扩展的整体速度具有较高的预测精度。
      2024  Vol.  45(2):    34-42    [摘要](140)    [PDF](79)
    • 基于可变高增压方式的航空活塞发动机变海拔工作特性仿真研究
      陈贵升,胡闪,沈颖刚,孙敏,龚航,杨杰
      以一台直列四冲程压燃式航空活塞发动机为研究机型,通过GT-Power构建一维热力学模型,首先对比研究了不同海拔下固定截面增压(fixed geometry turbocharger, FGT)、可变几何截面增压(variable geometry turbocharger, VGT)和两级可变几何截面增压(twin-variable geometry turbocharger, TVGT)对发动机性能的影响;然后基于搭建的TVGT增压系统,探究了高、低压级VGT叶片开度对发动机变海拔条件下工作特性的影响。结果表明:在不同海拔和转速工况下,发动机匹配TVGT增压系统后,其海拔适应性更佳。针对TVGT系统,在不同海拔下,当高压级VGT叶片开度位于0.2~0.4范围内,低压级VGT叶片开度位于0.6~0.8范围内时可以获得较高的动力性及经济性。通过对高、低压级VGT叶片开度的优化,在巡航工况转速3 397 r/min时可在6 000 m海拔下实现106.8%的功率恢复目标,可满足发动机对高海拔工作运行的功率恢复要求。
      2024  Vol.  45(2):    43-53    [摘要](185)    [PDF](79)
    • 燃烧系统参数对商用车发动机燃烧和排放特性的影响研究
      雷基林,李臻卓,刘懿,王伟超,宋国富,张海丰
      为改善商用车发动机性能,采用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)模拟、正交设计等方法,针对某商用车的燃烧室结构参数设计了4种新方案,并选取油束夹角、喷雾锥角、主喷正时等3个喷油参数开展多因素影响研究。结果表明:燃烧室形状曲线向内收缩且最大半径增大的方案1燃烧室可提升缸内湍流特性,改善燃油浓度分布,使燃烧速度加快,油气混合更好,为最优方案。在喷油参数研究方案中,以碳烟(soot)排放为优化指标时,油束夹角对排放特性影响最大,最优匹配方案是油束夹角147°、喷雾锥角15°、主喷正时-1°,其缸内碳烟排放较原机下降13.91%,且NOx排放减少13.98%;以氮氧化物(nitrogen oxides, NOx)排放为优化指标时,主喷正时对排放特性影响最大,最优匹配方案是油束夹角160°、喷雾锥角25°、主喷正时-1°,其缸内NOx排放较原机降低37.79%。
      2024  Vol.  45(2):    54-63    [摘要](147)    [PDF](68)
    • 重型柴油机二级增压系统匹配仿真研究
      赵明昊,殷勇,赵艳婷,郑尊清
      为了降低重型柴油机的燃油消耗率,采用GT-POWER软件建立仿真模型,在一台单级可变截面涡轮增压器(variable geometry turbocharger, VGT)柴油机上开展了二级增压匹配与增压系统参数优化工作。仿真结果表明,所提出的二级增压系统在匹配点能够以最高效率运行,在全工况都能提供足够的进气流量;完全关闭低压级废气旁通阀,正交优化高压级废气旁通阀开度和米勒循环度,能够进一步降低二级增压发动机的燃油消耗率;降低级间中冷温度能够降低泵气损失,提高增压压力,温度由100 ℃降至50 ℃在标定点能够使燃油消耗率降低约3 g/(kW·h)。对二级增压及参数优化工作的燃油消耗率改善效果进行了试验验证,低速工况燃油消耗率整体有所下降,高效点燃油消耗率下降4.1%。
      2024  Vol.  45(2):    64-74    [摘要](150)    [PDF](84)
    • 活塞–缸套摩擦副状态表征参数选取方法研究
      魏敬宏,纪少波,胡珑渝,张珂,张志鹏,姜颖
      建立柴油机试验台架采集数据,对机体表面振动信号进行时频分析,探明不同激励源与机体表面振动信号的关系。选取变分模态分解(variational mode decomposition, VMD)算法对振动信号进行分解,提取各分量的表征参数。通过探究转矩、转速、润滑油温度及配缸间隙与各表征参数的相关性,初步确定相关性强的表征参数集。通过多评价准则对上述表征参数集进行分析,最终得出贡献度最高的表征参数为本征模态函数(intrinsic mode function,IMF)1的标准差、均方频率、峭度、最大奇异值、频域积分和IMF6的脉冲因子、标准差、重心频率、频率方差及最大奇异值。
      2024  Vol.  45(2):    75-84    [摘要](118)    [PDF](80)
    • 相继增压系统切换过程对增压器辅推轴承轴向力影响与轴承优化研究
      李垂孝,张学艳,姜久奎,黄立,李先南,张伟,张博
      采用数值仿真方法研究基本增压器在系统切换过程中的轴向力变化规律,并提出了辅助推力轴承的改进设计方法。首先数值仿真研究了基本增压器的转子系统在切换时的压气机/涡轮关键典型截面气动参数分布情况,分析了在柴油机增压模式切换过程中基本增压器转子轴向力大小和方向变化规律,然后提出了增加轴承承力面及改变承力面材料的优化方案。结果表明:基本增压器辅助推力轴承在切换的5 s时间内轴向力发生翻转,最大约承受2 273 N的反向轴向力,是造成切换过程辅助推力轴承磨损的关键原因;优化方案最大承载能力为优化前的4.8倍,显著提升了辅助推力轴承承载力。经增压器平台可靠性验证,改进后的增压器辅助推力轴承在相同时间内未出现碰磨现象。
      2024  Vol.  45(2):    85-92    [摘要](129)    [PDF](102)
    • 振荡条件下金属颗粒对气液两相流动与混合特性影响的试验研究
      余波,邓晰文,雷基林,肖杰
      为进一步提升柴油机活塞腔的换热性能,通过加入金属颗粒来提升振荡状态下的两相混合程度。采用振荡流动试验方法,结合数字图像处理技术,研究金属颗粒在振荡状态下的运动学特性和两相振荡流动特性,进一步讨论转速、充液率对金属颗粒运动和最大气泡直径和混合率的影响。结果表明:转速是影响气液两相流振荡流动效果的主要因素。随着转速的增加,金属颗粒到达方腔上壁面时间缩短,瞬时速度增大,相对于270 r/min,330 r/min冲击上壁面的平均速度变化率增加133%,冲击壁面的强度增加。相对于25%充液率,75%充液率的金属颗粒冲击上壁面的最大瞬时速度降低68%,充液率过高,降低颗粒冲击上壁面强度。50%充液率左右和高转速条件下,颗粒冲击壁面强度降低,但气液两相流混合程度最好。
      2024  Vol.  45(2):    93-101    [摘要](185)    [PDF](102)
    • 振动及加热壁面条件下的近壁空泡溃灭可视化研究
      吴焱,张鹏飞,黄钰期
      采用低压电火花生成空泡的方式系统研究了复杂壁面条件下的近壁空泡溃灭行为。通过不同类型振动壁面及不同温度壁面附近的空泡溃灭行为的可视化试验,发现壁面振动对空泡溃灭有促进作用,空泡溃缩过程更快,体积变化更显著。不同类型壁面对空泡溃灭过程的影响不同,柱形壁面相较于球形壁面,近壁的空泡形态较不规则,溃灭呈现整体塌陷的趋势,在反弹阶段会形成不规则的空泡云。壁面升温会使得近壁空泡产生明显趋向于壁面的溃灭行为,并伴随多次空化的现象,这会对壁面造成严重损伤。
      2024  Vol.  45(2):    102-108    [摘要](115)    [PDF](80)

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