Volume 42,Issue 5,2021 Table of Contents
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  • LIU Yingcai,LEI Jilin,SHEN Lizhong,DENG Xiwen,SONG Guofu and LIU KANG
    摘要:
    基于试验测试数据建立增压柴油机的仿真模型,开展0~4000m高原适应性研究工作,研究增压柴油机性能以及压气机性能海拔变化关系,并研究不同海拔下压气机内部流动状况,分析压气机效率下降原因,为探究压气机流场控制措施以及压气机性能优化提供参考。研究结果表明:高海拔工况下,柴油机功率、扭矩与燃油消耗率下降;进气流量减少,增压压力下降,压气机压比增大,效率下降。压气机子午面的相对总压的低压区域压力较小,叶顶间隙间及叶轮出口高熵区域增大且范围提前。跨音速流区域增大,激波损失增大;叶顶间隙流加强,泄露损失增大,分流叶片后缘主流与低速泄露流掺混,尾迹区域增大,掺混损失增加,压气机叶轮内部损失增大,因此高原环境下,压气机效率降低。
  • SHI Dongxiao,GUO Lixin,YAO Chunde and Li Kangning
    摘要:
    各缸EGR率和进气量的均匀性是当量燃烧天然气发动机最关注的两个问题。常规EGR率均匀性计算方法以各缸的进气道作为计算域的出口边界,存在当采用出口质量流量边界时各缸进气量为既定值的问题,故此方法只适用于各缸EGR率的分析,不适用于各缸进气量的分析。为解决计算各缸进气量的难题,本文建立了考虑多缸气门和活塞运动的计算方法,不仅能够直接求解各缸的进气量、当量比,还能获得涡流比、滚流比和湍动能等描述缸内流动状态的参数。丰富了评价进气均匀性的参数,拓展了计算能力。最后采用上述方法分析了某国VI天然气发动机的进气均匀性。
  • LIU Mingchao,YAO Mingfa,WANG Hu,ZHENG Zunqing,LIANG Heping and SHU Mingyu
    2021,42(5):14-22 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.003
    摘要:
    以某重型柴油机为研究对象,采用仿真计算的方法探究了基于缸内燃烧系统和空气系统优化使发动机最低油耗区间匹配不同使用工况,提出满足发动机不同应用场景需求的匹配方案。研究结果表明:采用压缩比为19.5的燃烧室,缸内混合气过稀区减少,燃烧放热速率加快,热效率提高;通过合理匹配增压器和燃烧室可以实现柴油机最低油耗区间与目标工况区间的匹配。以优化低转速中低负荷工况油耗为目标,采用压缩比为19.5的燃烧室,同时采用较小的涡轮当量流通截面积,可以使最低油耗区匹配低转速中小负荷工况,低转速中负荷油耗改善3.1%。以优化中转速中高负荷油耗为目标,采用压缩比为18.5的燃烧室,结合增压器的优化匹配,可以使最低油耗区匹配中转速中高负荷工况,中转速中负荷油耗改善1.6%。以优化高转速大负荷油耗为目标,通过提高最大爆发压力,采用压缩比为21.5的燃烧室,同时采用较大的涡轮当量流通截面积,高转速大负荷油耗可改善4.2%。
  • LIN Sicong,FENG Hao,QIN Bo,Li Yuhuai and WU Jian
    2021,42(5):23-28 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.004
    摘要:
    为降低增压米勒循环发动机燃油消耗率,对一台1.5L增压直喷汽油机进行改制,提高其压缩比与进气滚流,进行了电动增压与废气再循环(Exhaust gas recirculation ,EGR)降低燃油消耗率(Brake Specific Fuel Consumption,BSFC)的对比试验研究。试验结果表明:高压缩比EGR方案能大幅降低发动机燃油消耗率,燃油消耗率下降5%至13.6%,最高有效热效率达到41.2%,这主要得益于传热损失、换气损失的减少和膨胀做功的增加。提高EGR率能减少传热损失与提前燃烧重心,是燃油消耗率降低的主要原因,而提高EGR容忍度的关键是优化燃烧组织以减小点火滞燃期和燃烧持续期。
  • Feng Zhonghui,Zhou Lei,Liu Peilin,Gao Qiang,Li Kuangdi and Wei Haiqiao
    2021,42(5):29-35 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.005
    摘要:
    基于光学定容燃烧弹实验平台,通过高速纹影摄像系统在甲烷燃料相同初始温度、压力及混合气浓度下,定量分析了不同结构预燃室TJI点火的燃烧特性,包括火焰传播速度、火焰面积、火焰形态及燃烧压力等参数。研究结果表明,预燃室孔径越小相同时间内火焰传播得越远,火焰传播速度和火焰面积增长速度越快,燃烧压力峰值越高。随着预燃室孔径减小着火机理会由射流中带有火焰的火焰点火,转变为火焰过孔时熄灭的喷射点火。喷射点火与火焰点火相比着火时刻延迟,初始火焰速度减慢,但燃烧压力峰值受影响不大。多级加速预燃室压力升高率与压力峰值与单孔预燃室相比变化不大,虽然火焰出口时速度较慢,但是火焰出口时刻提前且速度衰减较弱,因此,多级加速预燃室火焰速度在短时间内超过单孔预燃室,并且压力和火焰面积也更早达到最大值。
  • CHEN Haotian,ZHANG Kun,DENG Kangyao,WANG Zhen and CUI Yi
    2021,42(5):36-41 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.006
    摘要:
    当前国内在发动机通用性能软件开发方面进展较为缓慢,与国外仍有较大差距。为了解决这一问题,提出了一种性能仿真软件的开发思路,并基于此完成了软件开发工作。基于C++语言,设计了一种面向对象的通用程序框架,可以实现多种仿真计算功能,包括稳态下的一维详细计算、容积法计算、实时计算以及瞬态计算。气缸、进排气道、管接头、涡轮增压器等主要组件包含多种计算模型,可以根据建模需求进行选择。针对某型中速柴油机,详细介绍了软件性能计算的操作流程,并将计算结果与试验数据进行对比。结果表明,软件有较高的计算精度,而且实时计算功能完全能满足实时分析的要求,实时率可以达到3.92。
  • BAI Jin,Sinan SUN and WANG Qian
    2021,42(5):42-51 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.007
    摘要:
    在微型自由活塞动力装置单缸压燃的研究下,结合单次冲击燃烧可视化试验,针对简化模型的进、排气口间距L、进气道倾角α、排气道倾角β,进气道孔径Din以及排气道孔径Dout展开数值模拟计算以应用于双气缸研究中,使整个运行工况更加平稳且高效。当进、排气口间距不断增大,其换气过程的扫气效率逐渐下降;同时,进气口与排气口的扫气角成一定夹角时,在燃烧室内形成气流涡旋,可以提高其扫气效率。当进、排气道孔径不断增大时,扫气效率呈现先上升后下降的趋势,也进一步说明孔径对其扫气过程有明显影响。分析表明进、排气结构最佳设计尺寸为:进、排气口间距取1mm,进气道倾角取30°,排气道倾角取60°,进气道孔径为0.5mm,排气道孔径为0.6mm,该设计尺寸为研究微型自由活塞发动机进排气结构的往复运动做了理论铺垫。
  • HAO Jiatian and SUN Baigang
    2021,42(5):52-59 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.008
    摘要:
    建立了氢内燃机一维模型,分别仿真分析了废气再循环技术(EGR)和米勒循环技术对抑制爆震以及氮氧化物(NOx)排放的效果,最后结合两种技术探索了可达到的最大压缩比和最好的NOx排放性能。结果显示EGR技术对抑制NOx排放更有效,米勒循环对抑制爆震更有效,最终在本研究的工况下,可以将内燃机的压缩比从10提升到18.4,指示热效率提升了8.0%,达到了44.87%,同时NOx排放减少了26.2%,达到了1.937 g?(kW·h)-1。
  • Leng Xianyin,He Dongze,He Zhixia,Wang qian,Long Wuqiang and Cao Bo
    2021,42(5):60-69 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.009
    摘要:
    通过计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟,探索点燃型预燃室在大缸径(320mm)甲醇发动机上的应用效果,计算了过量空气系数和点火正时对燃烧和性能的影响。结果表明,点燃型预燃室发动机的燃烧放热过程先缓后急,热效率较高,NOx排放很低,SOx排放为零,不经后处理即可满足国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)Tier III排放法规。随着缸内过量空气系数的增加,缸内压力、压力升高率、爆震强度(ringing intensity,RI)和NOx排放均显著降低,指示热效率先升后降,在过量空气系数为2.4时达到最高值49.2%;随着点火正时的延迟,缸内压力、压力升高率、RI、指示热效率逐渐下降,NOx排放先减后增。基于计算结果,提出了一种燃烧控制策略:在平均有效压力(brake mean effective pressure,BMEP)低于1.8MPa时,控制缸内过量空气系数为2.4,并匹配较早的点火正时;在BMEP高于1.8MPa时,控制过量空气系数为2.1,匹配较晚的点火正时,从而使部分负荷热效率最佳,且整机具有较高的动力性。
  • ZHANG Xiaoxiao,LI Shuyi,GUO Feng,SUN Nannan and ZHU Guixiang
    2021,42(5):70-78 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.010
    摘要:
    针对偏心凸轮-蓝宝石盘弹流接触,对盘面进行表面能梯度修饰,形成增强的集油轨道。利用光干涉润滑油膜测量系统,获得限量供油条件下偏心凸轮-盘接触区润滑油膜厚度和油池分布,分析了集油轨道对接触区润滑性能的影响。结果表明:盘面表面能梯度诱发的张力驱动增强了润滑油的回填,提高了接触区中心膜厚;在低速和轻载时,集油轨道的调控效果使入口区润滑油池扩张1.6-4.7倍;高粘度润滑油会降低集油轨道润滑油回填效果;集油轨道对不同油品的润滑状态皆有改善效果;供油量不同,可形成集油轨道效果的差异。
  • LI Yuhuai,ZHANG Kai,LUO Hengbo,LI Xue,DU Jiakun and CHEN Hong
    2021,42(5):79-85 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.011
    摘要:
    在一台1.5 L涡轮增压缸内直喷汽油发动机上,使用不同的三元催化反应器(TWC)、稀燃NOx 捕集器(LNT)、被动选择性催化还原器(PSCR)等排气后处理组合,试验研究了汽油发动机稀薄燃烧不同NOx后处理催化剂性能。试验工况为基于该发动机在某车型的WLTC工况的14个聚类点。结果表明,稀薄燃烧能有效减少有效燃油消耗率,部分负荷下减少3.1~10.1%;稀燃模式下,过量空气系数每增加0.1,NO在NOx总量中占比降低6.9%;浓燃模式下,总体趋势上,TWC前的NO体积分数每增加100×10-6,NH3增加48×10-6; 过量空气系数 0.95时, TWC的 NO-NH3转化率在51%~74%之间;TWC+LNT+PSCR能有效提高浓稀工况切换时稀燃模式运行时间;稀燃工况,LNT能促进NO氧化成NO2,提高NO2比例,提高PSCR的催化效率。
  • Contents
  • Ameya Joshi, Timothy V. Johnson
    2021,42(5):86-108 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.012
    摘要:
    全面综述了过去几年汽车尾气温室气体和标准污染物减排的一些进展,讨论了针对改进发动机及后处理系统最新出台和即将出台的法规及正在研发的技术。介绍了轻型和重型车辆的全球主要市场的而发展,及相关的法规和技术。
    Contents
  • LIU Yingcai,LEI Jilin,SHEN Lizhong,DENG Xiwen,SONG Guofu and LIU KANG
    摘要:
    基于试验测试数据建立增压柴油机的仿真模型,开展0~4000m高原适应性研究工作,研究增压柴油机性能以及压气机性能海拔变化关系,并研究不同海拔下压气机内部流动状况,分析压气机效率下降原因,为探究压气机流场控制措施以及压气机性能优化提供参考。研究结果表明:高海拔工况下,柴油机功率、扭矩与燃油消耗率下降;进气流量减少,增压压力下降,压气机压比增大,效率下降。压气机子午面的相对总压的低压区域压力较小,叶顶间隙间及叶轮出口高熵区域增大且范围提前。跨音速流区域增大,激波损失增大;叶顶间隙流加强,泄露损失增大,分流叶片后缘主流与低速泄露流掺混,尾迹区域增大,掺混损失增加,压气机叶轮内部损失增大,因此高原环境下,压气机效率降低。
  • SHI Dongxiao,GUO Lixin,YAO Chunde and Li Kangning
    摘要:
    各缸EGR率和进气量的均匀性是当量燃烧天然气发动机最关注的两个问题。常规EGR率均匀性计算方法以各缸的进气道作为计算域的出口边界,存在当采用出口质量流量边界时各缸进气量为既定值的问题,故此方法只适用于各缸EGR率的分析,不适用于各缸进气量的分析。为解决计算各缸进气量的难题,本文建立了考虑多缸气门和活塞运动的计算方法,不仅能够直接求解各缸的进气量、当量比,还能获得涡流比、滚流比和湍动能等描述缸内流动状态的参数。丰富了评价进气均匀性的参数,拓展了计算能力。最后采用上述方法分析了某国VI天然气发动机的进气均匀性。
  • LIU Mingchao,YAO Mingfa,WANG Hu,ZHENG Zunqing,LIANG Heping and SHU Mingyu
    2021,42(5):14-22 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.003
    摘要:
    以某重型柴油机为研究对象,采用仿真计算的方法探究了基于缸内燃烧系统和空气系统优化使发动机最低油耗区间匹配不同使用工况,提出满足发动机不同应用场景需求的匹配方案。研究结果表明:采用压缩比为19.5的燃烧室,缸内混合气过稀区减少,燃烧放热速率加快,热效率提高;通过合理匹配增压器和燃烧室可以实现柴油机最低油耗区间与目标工况区间的匹配。以优化低转速中低负荷工况油耗为目标,采用压缩比为19.5的燃烧室,同时采用较小的涡轮当量流通截面积,可以使最低油耗区匹配低转速中小负荷工况,低转速中负荷油耗改善3.1%。以优化中转速中高负荷油耗为目标,采用压缩比为18.5的燃烧室,结合增压器的优化匹配,可以使最低油耗区匹配中转速中高负荷工况,中转速中负荷油耗改善1.6%。以优化高转速大负荷油耗为目标,通过提高最大爆发压力,采用压缩比为21.5的燃烧室,同时采用较大的涡轮当量流通截面积,高转速大负荷油耗可改善4.2%。
  • LIN Sicong,FENG Hao,QIN Bo,Li Yuhuai and WU Jian
    2021,42(5):23-28 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.004
    摘要:
    为降低增压米勒循环发动机燃油消耗率,对一台1.5L增压直喷汽油机进行改制,提高其压缩比与进气滚流,进行了电动增压与废气再循环(Exhaust gas recirculation ,EGR)降低燃油消耗率(Brake Specific Fuel Consumption,BSFC)的对比试验研究。试验结果表明:高压缩比EGR方案能大幅降低发动机燃油消耗率,燃油消耗率下降5%至13.6%,最高有效热效率达到41.2%,这主要得益于传热损失、换气损失的减少和膨胀做功的增加。提高EGR率能减少传热损失与提前燃烧重心,是燃油消耗率降低的主要原因,而提高EGR容忍度的关键是优化燃烧组织以减小点火滞燃期和燃烧持续期。
  • Feng Zhonghui,Zhou Lei,Liu Peilin,Gao Qiang,Li Kuangdi and Wei Haiqiao
    2021,42(5):29-35 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.005
    摘要:
    基于光学定容燃烧弹实验平台,通过高速纹影摄像系统在甲烷燃料相同初始温度、压力及混合气浓度下,定量分析了不同结构预燃室TJI点火的燃烧特性,包括火焰传播速度、火焰面积、火焰形态及燃烧压力等参数。研究结果表明,预燃室孔径越小相同时间内火焰传播得越远,火焰传播速度和火焰面积增长速度越快,燃烧压力峰值越高。随着预燃室孔径减小着火机理会由射流中带有火焰的火焰点火,转变为火焰过孔时熄灭的喷射点火。喷射点火与火焰点火相比着火时刻延迟,初始火焰速度减慢,但燃烧压力峰值受影响不大。多级加速预燃室压力升高率与压力峰值与单孔预燃室相比变化不大,虽然火焰出口时速度较慢,但是火焰出口时刻提前且速度衰减较弱,因此,多级加速预燃室火焰速度在短时间内超过单孔预燃室,并且压力和火焰面积也更早达到最大值。
  • CHEN Haotian,ZHANG Kun,DENG Kangyao,WANG Zhen and CUI Yi
    2021,42(5):36-41 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.006
    摘要:
    当前国内在发动机通用性能软件开发方面进展较为缓慢,与国外仍有较大差距。为了解决这一问题,提出了一种性能仿真软件的开发思路,并基于此完成了软件开发工作。基于C++语言,设计了一种面向对象的通用程序框架,可以实现多种仿真计算功能,包括稳态下的一维详细计算、容积法计算、实时计算以及瞬态计算。气缸、进排气道、管接头、涡轮增压器等主要组件包含多种计算模型,可以根据建模需求进行选择。针对某型中速柴油机,详细介绍了软件性能计算的操作流程,并将计算结果与试验数据进行对比。结果表明,软件有较高的计算精度,而且实时计算功能完全能满足实时分析的要求,实时率可以达到3.92。
  • BAI Jin,Sinan SUN and WANG Qian
    2021,42(5):42-51 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.007
    摘要:
    在微型自由活塞动力装置单缸压燃的研究下,结合单次冲击燃烧可视化试验,针对简化模型的进、排气口间距L、进气道倾角α、排气道倾角β,进气道孔径Din以及排气道孔径Dout展开数值模拟计算以应用于双气缸研究中,使整个运行工况更加平稳且高效。当进、排气口间距不断增大,其换气过程的扫气效率逐渐下降;同时,进气口与排气口的扫气角成一定夹角时,在燃烧室内形成气流涡旋,可以提高其扫气效率。当进、排气道孔径不断增大时,扫气效率呈现先上升后下降的趋势,也进一步说明孔径对其扫气过程有明显影响。分析表明进、排气结构最佳设计尺寸为:进、排气口间距取1mm,进气道倾角取30°,排气道倾角取60°,进气道孔径为0.5mm,排气道孔径为0.6mm,该设计尺寸为研究微型自由活塞发动机进排气结构的往复运动做了理论铺垫。
  • HAO Jiatian and SUN Baigang
    2021,42(5):52-59 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.008
    摘要:
    建立了氢内燃机一维模型,分别仿真分析了废气再循环技术(EGR)和米勒循环技术对抑制爆震以及氮氧化物(NOx)排放的效果,最后结合两种技术探索了可达到的最大压缩比和最好的NOx排放性能。结果显示EGR技术对抑制NOx排放更有效,米勒循环对抑制爆震更有效,最终在本研究的工况下,可以将内燃机的压缩比从10提升到18.4,指示热效率提升了8.0%,达到了44.87%,同时NOx排放减少了26.2%,达到了1.937 g?(kW·h)-1。
  • Leng Xianyin,He Dongze,He Zhixia,Wang qian,Long Wuqiang and Cao Bo
    2021,42(5):60-69 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.009
    摘要:
    通过计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟,探索点燃型预燃室在大缸径(320mm)甲醇发动机上的应用效果,计算了过量空气系数和点火正时对燃烧和性能的影响。结果表明,点燃型预燃室发动机的燃烧放热过程先缓后急,热效率较高,NOx排放很低,SOx排放为零,不经后处理即可满足国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)Tier III排放法规。随着缸内过量空气系数的增加,缸内压力、压力升高率、爆震强度(ringing intensity,RI)和NOx排放均显著降低,指示热效率先升后降,在过量空气系数为2.4时达到最高值49.2%;随着点火正时的延迟,缸内压力、压力升高率、RI、指示热效率逐渐下降,NOx排放先减后增。基于计算结果,提出了一种燃烧控制策略:在平均有效压力(brake mean effective pressure,BMEP)低于1.8MPa时,控制缸内过量空气系数为2.4,并匹配较早的点火正时;在BMEP高于1.8MPa时,控制过量空气系数为2.1,匹配较晚的点火正时,从而使部分负荷热效率最佳,且整机具有较高的动力性。
  • ZHANG Xiaoxiao,LI Shuyi,GUO Feng,SUN Nannan and ZHU Guixiang
    2021,42(5):70-78 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.010
    摘要:
    针对偏心凸轮-蓝宝石盘弹流接触,对盘面进行表面能梯度修饰,形成增强的集油轨道。利用光干涉润滑油膜测量系统,获得限量供油条件下偏心凸轮-盘接触区润滑油膜厚度和油池分布,分析了集油轨道对接触区润滑性能的影响。结果表明:盘面表面能梯度诱发的张力驱动增强了润滑油的回填,提高了接触区中心膜厚;在低速和轻载时,集油轨道的调控效果使入口区润滑油池扩张1.6-4.7倍;高粘度润滑油会降低集油轨道润滑油回填效果;集油轨道对不同油品的润滑状态皆有改善效果;供油量不同,可形成集油轨道效果的差异。
  • LI Yuhuai,ZHANG Kai,LUO Hengbo,LI Xue,DU Jiakun and CHEN Hong
    2021,42(5):79-85 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.011
    摘要:
    在一台1.5 L涡轮增压缸内直喷汽油发动机上,使用不同的三元催化反应器(TWC)、稀燃NOx 捕集器(LNT)、被动选择性催化还原器(PSCR)等排气后处理组合,试验研究了汽油发动机稀薄燃烧不同NOx后处理催化剂性能。试验工况为基于该发动机在某车型的WLTC工况的14个聚类点。结果表明,稀薄燃烧能有效减少有效燃油消耗率,部分负荷下减少3.1~10.1%;稀燃模式下,过量空气系数每增加0.1,NO在NOx总量中占比降低6.9%;浓燃模式下,总体趋势上,TWC前的NO体积分数每增加100×10-6,NH3增加48×10-6; 过量空气系数 0.95时, TWC的 NO-NH3转化率在51%~74%之间;TWC+LNT+PSCR能有效提高浓稀工况切换时稀燃模式运行时间;稀燃工况,LNT能促进NO氧化成NO2,提高NO2比例,提高PSCR的催化效率。
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  • Ameya Joshi, Timothy V. Johnson
    2021,42(5):86-108 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.012
    摘要:
    全面综述了过去几年汽车尾气温室气体和标准污染物减排的一些进展,讨论了针对改进发动机及后处理系统最新出台和即将出台的法规及正在研发的技术。介绍了轻型和重型车辆的全球主要市场的而发展,及相关的法规和技术。
    Contents
  • LIU Yingcai,LEI Jilin,SHEN Lizhong,DENG Xiwen,SONG Guofu and LIU KANG
    摘要:
    基于试验测试数据建立增压柴油机的仿真模型,开展0~4000m高原适应性研究工作,研究增压柴油机性能以及压气机性能海拔变化关系,并研究不同海拔下压气机内部流动状况,分析压气机效率下降原因,为探究压气机流场控制措施以及压气机性能优化提供参考。研究结果表明:高海拔工况下,柴油机功率、扭矩与燃油消耗率下降;进气流量减少,增压压力下降,压气机压比增大,效率下降。压气机子午面的相对总压的低压区域压力较小,叶顶间隙间及叶轮出口高熵区域增大且范围提前。跨音速流区域增大,激波损失增大;叶顶间隙流加强,泄露损失增大,分流叶片后缘主流与低速泄露流掺混,尾迹区域增大,掺混损失增加,压气机叶轮内部损失增大,因此高原环境下,压气机效率降低。
  • SHI Dongxiao,GUO Lixin,YAO Chunde and Li Kangning
    摘要:
    各缸EGR率和进气量的均匀性是当量燃烧天然气发动机最关注的两个问题。常规EGR率均匀性计算方法以各缸的进气道作为计算域的出口边界,存在当采用出口质量流量边界时各缸进气量为既定值的问题,故此方法只适用于各缸EGR率的分析,不适用于各缸进气量的分析。为解决计算各缸进气量的难题,本文建立了考虑多缸气门和活塞运动的计算方法,不仅能够直接求解各缸的进气量、当量比,还能获得涡流比、滚流比和湍动能等描述缸内流动状态的参数。丰富了评价进气均匀性的参数,拓展了计算能力。最后采用上述方法分析了某国VI天然气发动机的进气均匀性。
  • LIU Mingchao,YAO Mingfa,WANG Hu,ZHENG Zunqing,LIANG Heping and SHU Mingyu
    2021,42(5):14-22 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.003
    摘要:
    以某重型柴油机为研究对象,采用仿真计算的方法探究了基于缸内燃烧系统和空气系统优化使发动机最低油耗区间匹配不同使用工况,提出满足发动机不同应用场景需求的匹配方案。研究结果表明:采用压缩比为19.5的燃烧室,缸内混合气过稀区减少,燃烧放热速率加快,热效率提高;通过合理匹配增压器和燃烧室可以实现柴油机最低油耗区间与目标工况区间的匹配。以优化低转速中低负荷工况油耗为目标,采用压缩比为19.5的燃烧室,同时采用较小的涡轮当量流通截面积,可以使最低油耗区匹配低转速中小负荷工况,低转速中负荷油耗改善3.1%。以优化中转速中高负荷油耗为目标,采用压缩比为18.5的燃烧室,结合增压器的优化匹配,可以使最低油耗区匹配中转速中高负荷工况,中转速中负荷油耗改善1.6%。以优化高转速大负荷油耗为目标,通过提高最大爆发压力,采用压缩比为21.5的燃烧室,同时采用较大的涡轮当量流通截面积,高转速大负荷油耗可改善4.2%。
  • LIN Sicong,FENG Hao,QIN Bo,Li Yuhuai and WU Jian
    2021,42(5):23-28 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.004
    摘要:
    为降低增压米勒循环发动机燃油消耗率,对一台1.5L增压直喷汽油机进行改制,提高其压缩比与进气滚流,进行了电动增压与废气再循环(Exhaust gas recirculation ,EGR)降低燃油消耗率(Brake Specific Fuel Consumption,BSFC)的对比试验研究。试验结果表明:高压缩比EGR方案能大幅降低发动机燃油消耗率,燃油消耗率下降5%至13.6%,最高有效热效率达到41.2%,这主要得益于传热损失、换气损失的减少和膨胀做功的增加。提高EGR率能减少传热损失与提前燃烧重心,是燃油消耗率降低的主要原因,而提高EGR容忍度的关键是优化燃烧组织以减小点火滞燃期和燃烧持续期。
  • Feng Zhonghui,Zhou Lei,Liu Peilin,Gao Qiang,Li Kuangdi and Wei Haiqiao
    2021,42(5):29-35 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.005
    摘要:
    基于光学定容燃烧弹实验平台,通过高速纹影摄像系统在甲烷燃料相同初始温度、压力及混合气浓度下,定量分析了不同结构预燃室TJI点火的燃烧特性,包括火焰传播速度、火焰面积、火焰形态及燃烧压力等参数。研究结果表明,预燃室孔径越小相同时间内火焰传播得越远,火焰传播速度和火焰面积增长速度越快,燃烧压力峰值越高。随着预燃室孔径减小着火机理会由射流中带有火焰的火焰点火,转变为火焰过孔时熄灭的喷射点火。喷射点火与火焰点火相比着火时刻延迟,初始火焰速度减慢,但燃烧压力峰值受影响不大。多级加速预燃室压力升高率与压力峰值与单孔预燃室相比变化不大,虽然火焰出口时速度较慢,但是火焰出口时刻提前且速度衰减较弱,因此,多级加速预燃室火焰速度在短时间内超过单孔预燃室,并且压力和火焰面积也更早达到最大值。
  • CHEN Haotian,ZHANG Kun,DENG Kangyao,WANG Zhen and CUI Yi
    2021,42(5):36-41 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.006
    摘要:
    当前国内在发动机通用性能软件开发方面进展较为缓慢,与国外仍有较大差距。为了解决这一问题,提出了一种性能仿真软件的开发思路,并基于此完成了软件开发工作。基于C++语言,设计了一种面向对象的通用程序框架,可以实现多种仿真计算功能,包括稳态下的一维详细计算、容积法计算、实时计算以及瞬态计算。气缸、进排气道、管接头、涡轮增压器等主要组件包含多种计算模型,可以根据建模需求进行选择。针对某型中速柴油机,详细介绍了软件性能计算的操作流程,并将计算结果与试验数据进行对比。结果表明,软件有较高的计算精度,而且实时计算功能完全能满足实时分析的要求,实时率可以达到3.92。
  • BAI Jin,Sinan SUN and WANG Qian
    2021,42(5):42-51 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.007
    摘要:
    在微型自由活塞动力装置单缸压燃的研究下,结合单次冲击燃烧可视化试验,针对简化模型的进、排气口间距L、进气道倾角α、排气道倾角β,进气道孔径Din以及排气道孔径Dout展开数值模拟计算以应用于双气缸研究中,使整个运行工况更加平稳且高效。当进、排气口间距不断增大,其换气过程的扫气效率逐渐下降;同时,进气口与排气口的扫气角成一定夹角时,在燃烧室内形成气流涡旋,可以提高其扫气效率。当进、排气道孔径不断增大时,扫气效率呈现先上升后下降的趋势,也进一步说明孔径对其扫气过程有明显影响。分析表明进、排气结构最佳设计尺寸为:进、排气口间距取1mm,进气道倾角取30°,排气道倾角取60°,进气道孔径为0.5mm,排气道孔径为0.6mm,该设计尺寸为研究微型自由活塞发动机进排气结构的往复运动做了理论铺垫。
  • HAO Jiatian and SUN Baigang
    2021,42(5):52-59 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.008
    摘要:
    建立了氢内燃机一维模型,分别仿真分析了废气再循环技术(EGR)和米勒循环技术对抑制爆震以及氮氧化物(NOx)排放的效果,最后结合两种技术探索了可达到的最大压缩比和最好的NOx排放性能。结果显示EGR技术对抑制NOx排放更有效,米勒循环对抑制爆震更有效,最终在本研究的工况下,可以将内燃机的压缩比从10提升到18.4,指示热效率提升了8.0%,达到了44.87%,同时NOx排放减少了26.2%,达到了1.937 g?(kW·h)-1。
  • Leng Xianyin,He Dongze,He Zhixia,Wang qian,Long Wuqiang and Cao Bo
    2021,42(5):60-69 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.009
    摘要:
    通过计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟,探索点燃型预燃室在大缸径(320mm)甲醇发动机上的应用效果,计算了过量空气系数和点火正时对燃烧和性能的影响。结果表明,点燃型预燃室发动机的燃烧放热过程先缓后急,热效率较高,NOx排放很低,SOx排放为零,不经后处理即可满足国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)Tier III排放法规。随着缸内过量空气系数的增加,缸内压力、压力升高率、爆震强度(ringing intensity,RI)和NOx排放均显著降低,指示热效率先升后降,在过量空气系数为2.4时达到最高值49.2%;随着点火正时的延迟,缸内压力、压力升高率、RI、指示热效率逐渐下降,NOx排放先减后增。基于计算结果,提出了一种燃烧控制策略:在平均有效压力(brake mean effective pressure,BMEP)低于1.8MPa时,控制缸内过量空气系数为2.4,并匹配较早的点火正时;在BMEP高于1.8MPa时,控制过量空气系数为2.1,匹配较晚的点火正时,从而使部分负荷热效率最佳,且整机具有较高的动力性。
  • ZHANG Xiaoxiao,LI Shuyi,GUO Feng,SUN Nannan and ZHU Guixiang
    2021,42(5):70-78 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.010
    摘要:
    针对偏心凸轮-蓝宝石盘弹流接触,对盘面进行表面能梯度修饰,形成增强的集油轨道。利用光干涉润滑油膜测量系统,获得限量供油条件下偏心凸轮-盘接触区润滑油膜厚度和油池分布,分析了集油轨道对接触区润滑性能的影响。结果表明:盘面表面能梯度诱发的张力驱动增强了润滑油的回填,提高了接触区中心膜厚;在低速和轻载时,集油轨道的调控效果使入口区润滑油池扩张1.6-4.7倍;高粘度润滑油会降低集油轨道润滑油回填效果;集油轨道对不同油品的润滑状态皆有改善效果;供油量不同,可形成集油轨道效果的差异。
  • LI Yuhuai,ZHANG Kai,LUO Hengbo,LI Xue,DU Jiakun and CHEN Hong
    2021,42(5):79-85 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.011
    摘要:
    在一台1.5 L涡轮增压缸内直喷汽油发动机上,使用不同的三元催化反应器(TWC)、稀燃NOx 捕集器(LNT)、被动选择性催化还原器(PSCR)等排气后处理组合,试验研究了汽油发动机稀薄燃烧不同NOx后处理催化剂性能。试验工况为基于该发动机在某车型的WLTC工况的14个聚类点。结果表明,稀薄燃烧能有效减少有效燃油消耗率,部分负荷下减少3.1~10.1%;稀燃模式下,过量空气系数每增加0.1,NO在NOx总量中占比降低6.9%;浓燃模式下,总体趋势上,TWC前的NO体积分数每增加100×10-6,NH3增加48×10-6; 过量空气系数 0.95时, TWC的 NO-NH3转化率在51%~74%之间;TWC+LNT+PSCR能有效提高浓稀工况切换时稀燃模式运行时间;稀燃工况,LNT能促进NO氧化成NO2,提高NO2比例,提高PSCR的催化效率。
  • Contents
  • Ameya Joshi, Timothy V. Johnson
    2021,42(5):86-108 doi: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2021.05.012
    摘要:
    全面综述了过去几年汽车尾气温室气体和标准污染物减排的一些进展,讨论了针对改进发动机及后处理系统最新出台和即将出台的法规及正在研发的技术。介绍了轻型和重型车辆的全球主要市场的而发展,及相关的法规和技术。