内燃机工程

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• 甲醇温度对甲醇喷雾蒸发特性的影响

  曲鹏程,马志豪,李智博,谢晨龙,王鑫,郭丹阳,贾卓凡

  在喷油量固定的条件下采用纹影法高速摄像，利用定容燃烧弹平台研究了不同温度甲醇的喷雾蒸发特性，并利用MATLAB软件对拍摄的喷雾图像进行处理获取射流特性参数。研究结果表明，在测试的甲醇温度范围内，喷雾锥角和射流体积都随甲醇温度升高而增大；在射流初期，随着高温甲醇的喷出，其射流前锋运动距离随时间发展迅速增加，射流头部速度随甲醇温度的升高而增大；而在射流后期，高温甲醇的射流前锋运动距离仍随时间发展而增加，但增速显著减缓，射流头部速度随甲醇温度升高而减小。射流前锋运动距离和喷雾锥角随环境温度升高而增大。在甲醇饱和蒸气曲线邻近工况，过渡区的甲醇喷雾形态呈梭形，过冷区的甲醇喷雾形态呈锥形。过渡区的射流前锋运动距离大于过冷区的射流前锋运动距离，而过渡区的喷雾锥角和射流体积小于过冷区的对应参数。

• 基于短脉宽工况的同心双轴针喷射器气体针阀最大升程波动预测模型

  王晓艳,贾德民,魏代君,杨晰宇,董全

  基于同心双轴针式喷射器的高压氢气直喷技术，建立了喷射特性多参数同场测量系统，研究了气体针阀最大升程的波动规律，通过系统中压力振荡的特征揭示了其波动机理，并提出了一种创新性的短脉宽气体针阀最大升程预测算法模型。在此基础上，通过构建包含四个子算法的模型，实现对针阀最大升程波动的预测。并基于液电模化的方法构建了波动周期预测子算法，利用数据实时拟合构建了欠阻尼耗散系数标定子算法，基于实时感知柴油声速设计了相位差子算法，最后利用二维拟合对振幅进行标定。结果表明，先导喷射引起的柴油管路内压力振荡是引起气体针阀最大升程波动的直接因素，其波动趋势与柴油支路压力振荡趋势相反，并均表现为欠阻尼余弦函数振荡趋势。该预测算法在常用短脉宽工况下都具有较高的预测精度。预测值与测量值的回归决定系数为0.942 6，均方根误差为0.003 mm。

• 船用低速机电控喷油器低负荷喷射特性

  柏国伟,范立云,卢港澳,许菁,礼博,魏云鹏

  为研究船用低速柴油机电控喷油器在低负荷工况下的喷射特性，建立了电控喷油器的AMESim仿真模型，并验证了模型的准确性。定义循环喷油量与平均喷油速率为喷射特性的评价指标，对比探讨了喷油器结构参数在低负荷和标定负荷工况下对喷射特性的影响，并通过权重分析和相关性分析，探究了喷射特性评价指标的关键影响因素及结构参数交互作用对评价指标的影响规律。结果表明：在低负荷工况时，由于针阀运动受限，针阀的抬升量、喷油压力波动及喷油持续时间是影响喷油量稳定性的主要因素。通过权重分析，得出控制柱塞直径、回油孔孔径、进油孔孔径、锥阀密封直径、滑阀密封长度为低负荷工况下喷射特性的主要影响因素。通过相关性分析发现，一次因子中，回油孔孔径、进油孔孔径和滑阀密封长度与低负荷工况的喷射特性关联程度高，相关系数绝对值均高于0.35；二次因子中，进油孔孔径与回油孔孔径的交互作用、进油孔孔径与滑阀密封长度的交互作用与低负荷工况喷射特性关联程度高，其中前者的相关系数绝对值高于0.50。

• 柴油/聚甲氧基二甲醚混合燃料撞壁传热与燃烧特性数值分析

  赵文涛,李红梅,张肖,肖鸽,隆武强,靳广杰,王鹏,王洋

  为了探究柴油与聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ether， PODE）混合燃料在撞壁燃烧过程中的传热与燃烧特性，通过数值仿真方法系统分析了PODE掺混比例、环境温度、背压及喷射压力等参数对喷雾发展、燃烧过程及壁面传热的影响。结果表明，当PODE体积掺混比为40%时，燃烧热效率峰值降低约30%，燃烧持续时间缩短约 15%，同时碳烟排放降低22%。高氧含量的PODE促进燃料与空气的均匀混合，使壁面热流密度分布更均匀，有效缓解了热疲劳损伤。此外，适度提高环境温度（900 K）可增强喷雾稳定性，减少未燃燃料及碳烟生成；而高背压（8 MPa）虽抑制喷雾外围发展并降低当量比，但会导致局部碳烟生成增加。提升喷射压力（160 MPa）可加速油气混合过程，缩短滞燃期，使碳烟排放减少 35%。

• 满足欧Ⅶ排放法规的轻型车制动磨损颗粒物测试装备开发

  谷雨,吕誉,黄小清,徐辉,曾光

  为了实现欧Ⅶ排放法规对制动磨损颗粒物（brake wear particle， BWP）排放的测试需求，基于联合国全球技术法规第24号（United Nations Global Technical Regulation No.24， UN GTR-24）标准，开发了国内首台满足轻型车BWP排放检测的惯性试验台测试系统，并验证了测试系统对UN GTR-24标准的合规性要求。结果表明，该惯性测试实验台的系统级别颗粒背景浓度为：最大流量及最小流量下，直径超过10 nm的总颗粒物数量（记为TPN10）及直径超过10 nm的固体颗粒物数量（记为SPN10）均为0个/cm3。测试过程中冷却气流温度、湿度和流量均满足UN GTR-24标准的合规性要求；能量耗散偏差低于5%，远低于UN GTR-24标准对能量耗散的合规性要求。BWP排放测试前颗粒背景浓度SPN10为10.1个/cm3，TPN10为13.8个/cm3；测试后颗粒背景浓度SPN10为7.1个/cm3，TPN10为17.3个/cm3，均满足UN GTR-24标准要求，证明所开发的BWP测试系统能够用于欧Ⅶ法规开展BWP检测。采用开发的BWP测试系统，对某轻型燃油车的盘式制动器进行的排放测试结果表明，粒径不大于2.5 μm的颗粒物（PM2.5）质量、粒径不大于10 μm的颗粒物（PM10）质量、SPN10和TPN10的排放结果分别为1.6 mg/km、3.9 mg/km、6.03×109个/km、1.64×1010个/km。

• 不同配缸间隙下瓶颈型缸套预补偿设计对活塞动力学及摩擦特性的影响

  毕玉华,黄承宇,杨跃山,祖菘,雷基林,杨永安

  以某型非道路高压共轨柴油机气缸套为研究对象，基于弹性流体动力润滑理论和有限元方法，综合考虑柔性体弹性变形和表面粗糙度，建立活塞–连杆–曲轴–缸套的多体动力学仿真模型，系统分析瓶颈形缸套预补偿设计方案与原机的活塞动力学及裙部摩擦润滑特性差异，研究在不同配缸间隙下对活塞运动学及裙部摩擦润滑特性的影响。结果显示：瓶颈形缸套设计的活塞裙部平均摩擦损失减少64 W。在做功行程前期，活塞的最大偏摆角和径向位移分别增加了0.009°和1 μm，粗糙接触压力和摩擦损失略增，最小油膜厚度的极小值减少48 nm。配缸间隙从20 μm增大至80 μm时，活塞最大径向位移和偏摆角分别增加到177 μm和0.584°，总摩擦损失降低至128 W，最小油膜厚度的极小值降至15 nm，而平均粗糙接触压力极大值先降后增。瓶颈形缸套的设计在高载荷下活塞动力性能下降，但摩擦损失方面有显著改善；而较大配缸间隙可能降低油膜稳定性，增加粗糙接触风险。

• 大缸径发动机气门–气门座冲击磨损试验及磨损量预测

  张梦娇,李辉,孙非,祖炳锋,徐玉梁

  针对大缸径发动机冲击磨损试验台难寻的问题，以某大缸径双燃料发动机排气门–气门座为研究对象，进行模型缩比及试验加速设计，通过冲击磨损试验台模拟气门–气门座的热环境和接触条件，进行不同配对材料、不同凸轮转速的冲击磨损试验，并分析冲击磨损机理。研究结果表明，气门冲击所造成磨损机理以疲劳磨损为主，材料匹配及落座速度均对其磨损量有较大影响；气门材料GH4080A和气门座材料本体40Cr10Si2Mo接触面堆焊Stellite12所组成的摩擦副在相同条件下的冲击磨损试验中气门–气门座磨损量相当，气门材料GH152和气门座材料NiCrW2所组成的摩擦副在相同条件下的冲击磨损试验中总磨损量最小；磨损量随落座速度的增大而增大。基于试验数据对冲击磨损系数进行了修正，并采用磨损公式对某大缸径发动机进行寿命预测，结果表明，气门应在工作近4 600 h时进行更换，气门座应在工作近3 700 h时进行更换。

• 双喷油器协同喷射对柴油机燃烧及排放的影响

  黄立,刘瑞,朱磊,冯明志,黄震

  基于某高速柴油机试验平台，研究了辅喷油器喷油正时、主喷油器喷油正时、双喷油器油量分配比例对发动机燃烧及排放的影响规律。研究结果表明：辅喷正时对发动机放热率形态影响较大，曲轴转角压缩上止点后（after top dead center， ATDC）-100°（记为-100°ATDC，依此类推）到-20° ATDC范围内，放热率由双峰先变为三峰再变为双峰。辅喷正时为-60° ATDC时，缸内呈先缓后急的三峰放热，发动机热效率最高。主喷正时对50%累积放热率对应曲轴转角（CA50）影响较大，但对10%累积放热率对应曲轴转角（CA10）影响较小；随着主喷正时的提前，CA50前移，NOx排放升高，颗粒数量排放降低，但不同工况下，发动机最佳主喷正时略有差异。三阶段放热形态下，随着辅喷油器喷射比例的升高，第一、二阶段放热率峰值增加，但第三阶段放热率峰值降低，辅喷比例每增加10%，CA10提前约6°，发动机缸内最高燃烧压力基本相当。与辅喷正时类似，双喷油器协同喷射模式下，辅喷油器喷射比例的选择主要与上止点前的绝对放热量相关。

• 甲醇/柴油双直喷相对位置对燃烧及排放特性的影响

  杜承泽,张佃浩,礼博,魏云鹏,范立云

  为研究柴油火焰和甲醇喷雾的相对位置对直喷柴油引燃高压直喷甲醇燃烧及排放特性的影响，基于CONVERGE软件建立了定容弹三维仿真模型，并验证了模型的准确性，以此展开研究。研究结果表明，甲醇晚于柴油喷射时呈现两阶段放热。甲醇喷雾和柴油火焰的接触位置为卷吸交汇区域时可实现快速引燃甲醇并且快速燃烧。柴油喷射器位于1 cm、甲醇喷射器位于4 cm的配置下，滞燃期和燃烧持续期最短，燃烧效率最高，排放水平最低。对各项排放物分布的研究结果表明，碳烟和CO的分布由甲醇燃烧状态主导，而NOx的分布则与柴油火焰温度场密切相关。

• 丁酮/柴油双燃料发动机燃烧及排放特性

  张书涵,张鑫茹,张鹏,陈昊,高楠,吉振华

  为探索丁酮在柴油机上的应用潜力，在一台高压共轨4缸柴油机上燃用了丁酮能占比5%、10%和15%的丁酮/柴油双燃料（记为Bal-5、Bal-10和Bal-15），开展了与纯柴油的燃烧和排放特性对比试验研究。结果表明：随着丁酮能占比增加，缸内温度和缸内压力降低，放热率峰值在中高负荷、高废气再循环（exhaust gas recirculation， EGR）率和主喷提前时增大，使其在高EGR率下能够维持缸内压力稳定，丁酮/柴油双燃料模式可实现氮氧化合物（NOx）排放和颗粒数量（particle number， PN）排放的同时降低；并且随着丁酮的能占比增加，NOx排放和PN排放降低幅度增大，在平均有效压力为0.14 MPa时，Bal-15的NOx排放相比于纯柴油减少了47.67%，Bal-5、Bal-10和Bal-15的PN排放相比于纯柴油分别减少了86.01%、87.20%和77.23%。且燃用丁酮有利于降低CO2比排放。综合来看，丁酮双燃料模式应用于柴油机后，优化控制参数可以实现燃烧改善，整体上可以显著降低NOx排放和PN排放，并且丁酮还表现出良好的碳减排潜力，是一种具备较强节能减排潜力的生物质代用燃料。