内燃机工程杂志

内燃机工程杂志2020年第6期

• 天然气后喷对高压直喷天然气船机燃烧和排放的影响研究

  李敬瑞, 王解托, 刘海峰, 刘腾, 董晶瑾, 尧命发

  利用流体动力学软件CONVERGE建立了高压直喷天然气船机的三维仿真模型，基于该模型研究了后喷策略对高压直喷天然气船机燃烧和排放的影响。结果表明：随后喷比例增大，最高燃烧压力略升高，燃烧持续期增长；随着喷射间隔的增大，最高燃烧压力不变，但后喷燃烧相位推迟，燃烧持续期增长。与无后喷算例相比，后喷比例增大到10%和20%时，碳烟排放分别降低了7.7%～13.5%和1.5%～11.5%，NOx排放分别升高了12.0%～15.0%和5.0%～7.0%，指示燃油消耗率分别增大了约0.1%和1.0%；而后喷比例为30%时，碳烟排放升高了2.0%～8.0%，NOx排放降低了5.0%～7.7%，指示燃油消耗率增大了约2.3%。

• 大缸径船用柴油机部分预混压燃的试验研究

  张文正，黄震，冯明志，闫萍，刘瑞，吕兴才

  以某中速船用柴油机为研究对象，试验研究了基于二次喷射技术对船用柴油机性能和燃烧特性的影响。结果表明，基于二次喷射技术可以实现大缸径船用柴油机部分预混压燃(partially premixed compress ignition, PPCI）燃烧模式，二次喷射的预喷正时、预喷油量及燃油喷射压力对PPCI燃烧过程有明显影响。通过二次喷射策略在单缸机开展试验研究，确定了适用于大缸径船机的PPCI燃烧的燃油喷射控制策略：在平均有效压力（break mean effective pressure, BMEP）为0.3MPa时，采用105MPa喷射压力、上止点前20°预喷时刻和20%预喷油量，在BMEP为0.6MPa时，选择120MPa喷射压力、上止点前35°预喷时刻和28%预喷油量的喷油策略，可以实现较为理想的PPCI燃烧，燃油消耗率可改善3.1%～6.2%，碳烟排放降低51%～62%，压升率降低58%～70%。

• 预燃室式柴油 — 天然气双燃料船用发动机热效率优化燃烧控制策略仿真研究

  郑尊清，毛一玲，刘腾，刘博，叶映，刘海峰

  基于CONVERGE软件建立了预燃室式柴油、天然气双燃料船用二冲程发动机的三维计算流体动力学（CFD）模型，研究了压缩比、引燃柴油质量、喷射压力及引燃柴油喷射角度对燃烧过程的影响，探索了提高柴油、天然气双燃料船用发动机热效率的燃烧策略。结果表明：提高压缩比可以提高缸内的最高燃烧压力，从而有效提高热效率，但受发动机机械强度的限制，压缩比为12.5时可以获得较佳的效果；适当增大引燃油量和喷射压力，可以增加射流火焰的着火点，增强点火能量，对热效率略有改善；调节引燃柴油的喷射角度，将引燃油喷射到CH4浓度较高区域可以获得更好的引燃效果，降低指示燃料消耗率；提高压缩比至12.5结合推迟喷油策略可以明显地改善热效率。

• 基于缸压的船用柴油机燃烧闭环控制策略研究

  欧顺华，余永华，胡闹，杨建国

  针对柴油机全寿命过程中动力性下降及各缸工作不均匀的问题，以MAN 6L16/24型船用柴油机为研究对象，模拟因各缸喷油器老化而引起柴油机动力性下降和各缸工作不均匀，对比分析开环、转速闭环和燃烧闭环等不同控制策略改善柴油机动力性、工作均匀性的效果及动态控制性能，针对燃烧闭环控制转速滞后较大的问题，提出转速-燃烧闭环协同控制策略，分析了该控制策略对轨压波动和进气流道阻塞干扰因素的鲁棒性。仿真结果表明，协同控制策略可有效改善柴油机各缸工作不均匀现象，提升转速响应速度。

• 船用重油多元模型燃料的构建与验证

  朱磊，李昂，张真英男，黄震

  为了复现实际船用重油燃料燃烧特性，基于化学解构法原理，提出了重油多元模型燃料。选择了正十四烷、2,6,10-三甲基十二烷、四氢化萘和正癸基苯作为基础燃料，表征实际重油的正构烷烃、异构烷烃、环烷烃和芳烃成分。模型燃料的比例依据带权欧几里得距离算法进行最优化求解。针对发展的多元模型燃料，基于流动反应器试验平台对模型燃料的中低温氧化特性进行点对点比较，多组分模型燃料成功复现了典型反应物、中间产物和生成物浓度随温度变化的趋势。基于“解耦法”的机理简化方法，发展了重油多组分模型燃料骨架机理。该机理成功预测了重油馏分的中低温氧化特性。基于该骨架机理进行敏感性分析，得到烷烃类自由基主导的基元反应与重油碳烟生成密切相关的结论。此外，基于定容燃烧装置数值仿真结果，证明了重油多组分模型燃料对近发动机条件下的喷雾燃烧过程具有较高的预测能力。

• 高压共轨系统两次喷射喷油量波动规律及其组合预测模型

  屈超，费红姿，魏云鹏，梁勇，郑涛，朱腾飞

  通过对多次喷射过程的仿真分析发现喷油量波动周期与喷油器入口处第二次喷射初始压力波动的周期相同，均为1.2ms。然后对比预-主喷射和主-后喷射两种喷油策略发现：当主喷脉宽达到1.4ms时主-后喷的喷油量波动曲线相位发生偏移，而预-主喷射的喷油量波动曲线相位不发生偏移。最后利用BP神经网络预测模型和傅立叶逼近函数预测模型通过方差倒数法确定权值建立喷油量的组合预测模型，该组合预测模型能减少预测的系统误差，使预测结果更加精确，均方根误差仅为0.71mg。

• 船用低速柴油机电控喷油器的动态响应特性研究

  兰奇，白云，范立云，文李明，方良杰，许菁

  基于AMESim液力仿真平台搭建了船用低速柴油机双阀电控喷油器的数值模型，循环喷油量的计算值与实测值的最大误差仅为3.38%，且喷油压力、增压活塞位移关键时序指标的试验数据与计算数据的最大相对误差不足1%，证明了该模型的准确性。为了分析喷油器的动态响应特性，定义了开启响应时间和关闭响应时间，探究了结构参数对喷油器响应特性的影响规律，并通过帕累托分析确定了各因素对喷油器响应特性的影响权重。结果表明：喷油器开启响应时间与增压活塞小头直径、针阀最大升程、针阀弹簧预紧力、控制腔直径呈正相关，与增压活塞大头直径呈负相关，各因素对喷油器开启响应时间的影响权重分别为8.59%、15.74%、4.97%、10.88%、9.48%。喷油器关闭响应时间与增压活塞大头直径、针阀最大升程呈正相关，其影响权重分别为7.86%、27.33%，与增压活塞小头直径、针阀弹簧预紧力、控制腔直径呈负相关，其影响权重分别为6.22%、7.29%、7.36%。对于喷油器开启响应时间，增压活塞小头直径与增压活塞大头直径、增压活塞大头直径与针阀最大升程、增压活塞小头直径与针阀最大升程、增压活塞大头直径与针阀弹簧预紧力及增压活塞小头直径与针阀弹簧预紧力间的交互作用为关键交互因素，其影响权重分别为5.49%、4.55%、3.95%、3.33%、3.19%。对于喷油器关闭响应时间，针阀最大升程与控制腔、增压活塞大头直径与控制腔、增压活塞大头直径与针阀最大升程和控制腔直径、增压活塞大头直径与针阀最大升程及针阀弹簧预紧力与控制腔直径间的交互作用为关键交互因素，其影响权重分别为5.02%、3.60%、3.46%、3.39%、3.17%。

• 多次喷射燃油喷射率精确测量方法研究

  李先南，赵豪，梅齐昊，刘龙，平涛，苏丹丹

  针对采用Zeuch理论进行多次喷射过程的喷油率测量时，燃油喷射产生高频振荡对后一次喷射的喷油率测量造成严重干扰的问题开展精确测量方法研究。基于Zeuch理论和微穿孔板滤波原理，研究了喷油率测量腔体和腔体内因高压喷油而产生的激波振荡规律，提出了内置滤波孔板的测量腔体。开展了内置滤波孔板测量腔体的三维声场仿真分析，对比分析了不同孔板结构对7000Hz～9000Hz噪声的降噪效果。结果表明该测量腔体最大降噪能力约为原装置的170%。同时开发了带有低通孔板滤波结构的新型喷油率测量技术，有效降低了高压燃油喷射所产生的高频激波振荡对喷油率测量精度的影响。

• 喷油器喷嘴结构参数对空化效应的影响

  刘振明，欧阳璐菲，郭立君，李晓声

  基于不可压缩流体体积（volume of fluid， VOF）函数多相流模型，模拟喷油器完整喷射周期内的燃油流动和空化特性，获得喷嘴空化形成及发展的关键区域和影响空化效应的关键结构参数，并分析其对流场及空化特性的影响规律。结果表明：较小针阀升程时，在针阀锥形表面台阶和喷孔下边缘位置处发生明显空化现象，当升程增加时，空化集中分布在喷孔位置处，从倒圆处开始诱发并逐渐向下游延伸；针阀台阶夹角增大使得针阀表面台阶处和喷孔下缘的前部的局部空化增强，穴蚀更严重，且燃油流量减小；通过增大针阀座倒圆半径和喷孔直径锥度系数可有效地改善喷孔局部空化程度。

• 船用低速柴油机电控喷油器多参数优化匹配

  贺玉海，蒋乾

  为了更好地优化电控喷油器性能，基于一种自主设计的船用低速机电控喷油器结构，借助AMESim 软件搭建了电控喷油器的仿真模型，利用专用试验平台验证了模型的准确性。随后通过开展各结构参数对电控喷油器性能影响灵敏度量化分析，筛选出对电控喷油器性能影响较大的结构参数，并采用正交试验和遗传算法两种优化法相结合的数值模拟方法，以提高电控喷油器针阀响应速率为目标，对电控喷油器开展了参数优化匹配，得到了关键结构参数对电控喷油器针阀动态响应特性的影响权重和最佳参数组合。结果表明：出油口直径是对针阀响应特性影响权重最大的结构参数，控制活塞直径和进油口直径次之，而控制腔容积和针阀弹簧预紧力影响相对较小；应用正交试验法优化后，与原参数方案相比，参数优化后针阀上升时间缩短了1.00ms，针阀下降时间缩短了140ms；相比于原参数方案，通过应用遗传算法优化，后电控喷油器针阀响应特性明显改善，针阀上升时间缩短了40.90%，针阀下降时间缩短了29.10%。

• 某船用柴油机活塞件疲劳寿命预测及损伤演化分析

  王浩宇，徐建安，曲东越

  针对船用柴油机活塞在实际运行工况下出现活塞烧顶、活塞顶开裂等问题，运用有限元软件FEMFAT中的BASIC模块对船用柴油机活塞进行热机耦合仿真，模拟周期性最高燃烧压力、惯性力、热应力耦合作用下的活塞受力情况。利用Miner准则对活塞进行疲劳寿命预测，采用Aeran理论对活塞机械负荷、热负荷及热机耦合3种边界条件进行损伤演化分析，建立了活塞在不同载荷条件下的加速寿命模型，确定了活塞循环次数与其损伤演化之间的关系。

• 排气参数对水下排气柴油机防倒灌的影响

  马有福，王硕，陆鹏，朱奎，马浩

  通过数值模拟方法研究了船用柴油机排气温度与排气背压变化对水平布置排气管内气液两相逆流特性的影响。结果表明：在相同排气量下，排气温度升高会使水倒流减弱，降低水倒灌发生风险；排气背压增大会使水倒流增强，即增大水倒灌发生风险。除排气速度外，排气的密度、黏度等物性参数也对水下排气管内水倒灌的发生具有重要影响。因此在柴油机排气系统设计中，需考虑排气参数波动对防倒灌的影响；在基于Wallis数的防倒灌设计准则中，需进一步考虑排气黏度对气液逆流极限完全携带点的影响。

• 基于瞬时转速和机器学习的船用柴油机健康状态评估

  余永华，陈育成

  在一台Z6170型船用中速柴油机上进行了发动机故障模拟试验。首先，将不同工况下监测的瞬时转速信号的多维特征参数进行极差(MIN-MAX)标准化处理，并利用t-分布领域嵌入(t-SNE)算法对特征参数进行降维处理。然后，采用随机森林(RF)算法建立了发动机气缸故障诊断模型。 结果显示，监测蕴含柴油机运行状态丰富信息的瞬时转速信号，采用t-SNE和RF算法建立的柴油机运行状况评估及气缸故障诊断模型可以有效评估发动机健康状态，以保证其安全可靠运行。

• 低速二冲程柴油机活塞环-缸套润滑模型及相关软件开发

  焦博文，王福鑫，马旋，卢熙群，李彤阳

  在传统润滑模型基础上，将活塞环润滑特性、活塞环动力学、滑油输送、活塞环窜气、几何结构参数、缸套变形、固体颗粒等多种因素进行耦合，建立一个专门为低速二冲程船用柴油机结构和供油方式设计的供油润滑模型，并对活塞环间窜气及缸套表面特有的表面织构与油槽结构进行了研究。结果表明，低速柴油机活塞环在整个行程中跨越动压润滑，混合润滑和边界润滑3个区域，这使润滑油的供给条件及固体磨粒的存在直接影响着活塞环-缸套摩擦副的润滑状态。

• 船用低速机十字头滑块和十字头轴承摩擦动力学建模及低摩擦设计

  李瑞，孟祥慧

  以某型号船用低速机为对象，基于多体动力学和混合润滑耦合建模，研究了十字头滑块和十字头轴承的摩擦动力学性能。利用MEBDF算法对高度非线性和刚性的摩擦动力学方程组进行了求解，得到了各个摩擦副在一个工作循环中的摩擦动力学性能，讨论了滑块供油孔尺寸和十字头轴承宽度对低速机摩擦动力学的影响。计算结果表明：十字头滑块承担发动机的侧推力，摩擦损失较大；十字头轴承在上止点和下止点附近摩擦功率较高；滑块供油孔的半径会影响其摩擦动力学特性；适当降低轴承宽度，能够降低十字头轴承摩擦损失。

• 柴油机配气滚轮浮环轴承润滑特性优化研究

  巫立民，李梅，李丽婷，梁刚，胡云

  为研究配气机构滚轮浮环衬套动态载荷、运动与润滑特性的内在联系，以某高指标船用柴油机配气机构排气滚轮浮环轴承为对象，考虑动态载荷和弹性变形，建立了润滑仿真模型。研究了浮环衬套供油、间隙匹配、浮环衬套厚度等关键结构参数对滚轮浮环轴承动态润滑特性的影响规律。结果表明：浮环衬套周向油槽能增加供油流量，但对内圈油膜厚度、油膜压力不利；浮环衬套间隙匹配对内外圈油膜影响规律不同，但优化匹配方案能有效改善油膜厚度、油膜压力、平均热载等润滑特性；适当减小浮环衬套厚度，也有利于提升润滑特性。