内燃机工程杂志

内燃机工程杂志2021年第4期

• 柴油机侧卷流和ω燃烧系统性能试验与仿真

  陈金昊，李向荣，魏福华，陈彦林，刘栋，常江

  基于侧卷流燃烧系统(lateral-swirl combustion system, LSCS)良好的油气混合与燃烧效果，在多种实际工况下对侧卷流和ω燃烧系统进行了试验研究，将两者的燃烧及排放结果进行了对比分析，并通过仿真研究揭示其工作机理。试验结果表明：在各种工况下，相比ω燃烧系统，侧卷流燃烧系统的燃油消耗率和碳烟排放均降低，其中燃油消耗率最大降幅为3.83%，碳烟排放最大降幅为82.21%；侧卷流燃烧系统瞬时放热率大，缸压和缸内平均温度更高。仿真结果表明：侧卷流燃烧系统的分流造型及时将燃油导流向壁面两侧，避免了燃油在壁面的堆积，从而有利于充分利用燃烧室周向空气，提高混合燃烧性能，减少碳烟生成。

• 不同过量空气系数下射流点火发动机燃烧、排放和爆震特性的试验研究

  高强，周磊,华剑雄,卫海桥

  基于单缸试验机研究了过量空气系数对射流点火发动机性能的影响。通过分析发动机性能曲线、缸内燃烧情况及爆震特性探究射流点火最佳运行区间，并与火花点火燃烧方式进行对比。结果表明，射流点火可以有效提升瞬时放热率并拓展发动机稀燃极限，缩短缸内混合气滞燃期与燃烧持续期，同时燃油经济性有一定提升。在稀燃条件下氮氧化物排放极低。爆震方面，随着点火提前角增大，射流火焰的多点点火效应会在缸内产生明显压力震荡，继续增大点火提前角会诱导末端混合气自燃。因此射流点火爆震缸压表现为两阶段压力震荡，爆震因子集中性高。提升过量空气系数可以降低射流点火爆震因子幅值，使发动机工作在轻微爆震或无爆震状态。

• 不同初始温度和水蒸气稀释比对乙醇/异辛烷层流火焰特性的影响

  余自洋，孟顺，钱叶剑，唐飞，边顺，庄远

  在101.3kPa的初始条件下，利用定容燃烧弹系统结合高速纹影摄像技术，研究不同水蒸气稀释比(0～10%)和不同初始温度(400～500K)下乙醇体积分数为10%的乙醇/异辛烷混合燃料(E10)的层流火焰特性。试验结果表明：E10/空气的层流火焰速度随着水蒸气稀释比的增加呈线性下降，随着初始温度的升高呈指数增加；无量纲层流火焰速度随着水蒸气稀释比的增加而下降，受当量比的影响不大。化学敏感性分析表明：链分支反应有利于提高E10/空气层流火焰速度，链终端反应则会降低层流火焰速度。水蒸气的稀释作用、热力学作用、直接反应作用和三体作用都会降低E10层流火焰速度，其中稀释作用的影响最大。

• 增压直喷汽油机细小颗粒物排放特性研究

  侯宇旭，葛蕴珊，王欣，苏盛，谭建伟，郝利君

  在一辆国六增压直喷、未安装颗粒捕集器的汽油车上分别采用常温(23℃）全球轻型车统一测试循环（worldwide harmonized light vehicles test cycle, WLTC）、常温(23℃）RTS95和低温(0℃）实际道路排放（real drive emission, RDE）测试循环对粒径在23nm以上和10nm以上的颗粒物数量排放进行了同步测试研究，以研究增压直喷汽油车的细小颗粒物（粒径10nm～23nm）排放特性。结果表明，在常温WLTC、RTS95及低温RDE循环测试中，10nm以上颗粒物的数量排放比国六标准规定的23nm以上颗粒物分别高32.4%、30.4%和15.6%。无颗粒捕集器时，急加速、减速和怠速工况细小颗粒在总颗粒物排放中的占比明显增加；冷起动和暖机阶段细小颗粒物的排放占比很低。细小颗粒主要在车辆充分暖机和三元催化器（three way catalyst，TWC）起燃后产生；较低的环境温度并未引起细小颗粒物的明显增加。

• 凸轮驱动式全可变液压气门系统仿真与试验研究

  张晋群，李小霞，谢宗法，常英杰，韩康，张坤

  提出了一种凸轮驱动式发动机全可变液压气门系统（fully hydraulic variable valve system, FHVVS），搭建了AMESim仿真计算模型，探究了泄油起始时刻、终止时刻和节流面积等因素对气门运动规律的影响，优选了FHVVS柱塞控油装置泄油节流方案。在此基础上研制了某6缸柴油机的全可变液压气门系统，并进行了相应的试验测量和模拟仿真计算。研究结果表明：随发动机转速增高，FHVVS的液压波动幅值明显增大，柱塞控油装置的节流作用对液压压力波动具有“削峰填谷”的效果；研制的FHVVS可以实现气门的最大升程、开启持续期和配气相位的无级连续可变，并具有良好的循环稳定性和气门动力学性能。

• 涡轮增压器进/排气蜗壳结构优化与性能分析

  张立楠，李宏磊，岳国强，张路阳，郑群

  为了分析涡轮增压器涡轮部件进/排气蜗壳对涡轮级性能的影响及相互作用机理，提高涡轮效率，采用数值模拟的方法对涡轮增压器中的进/排气蜗壳进行优化设计，提出进气蜗壳和排气蜗壳的优化方案，并与涡轮整机联合运算，对比分析涡轮整机的性能。结果表明：进气蜗壳主要对静叶10%叶高的来流攻角产生影响，优化方案可为涡轮提供更好的进口条件，排气蜗壳主要对动叶尾缘的载荷分布产生影响，优化方案可以增加涡轮的做功能力，进/排气蜗壳的优化设计可使整机总静效率提高1.19%。

• 柴油机活塞组件结构参数对其密封性能的影响

  雷启铭，雷基林，邓晰文，辛千凡，文均，温志高

  以一款非道路高压共轨柴油机为研究对象，结合活塞温度场试验研究，建立了活塞组件运动学模型。着重研究了不同配缸间隙、开口端倒角对柴油机窜气量及缸内润滑油消耗的影响规律，运用响应曲面法分析了活塞环开口间隙对窜气量的影响，在此基础上对顶环及二环开口间隙参数进行优化，得到最优解。分析结果表明：配缸间隙的增大使得润滑油消耗增大，最大增幅为7.54%，配缸间隙对窜气量影响较小。顶环开口端倒角对窜气量影响较为明显，顶环开口端倒角从0增加到1mm，窜气量增大13%。顶环及二环开口间隙对柴油机窜气量影响具有线性关系，油环开口间隙对柴油机窜气量影响较小。顶环开口间隙0.42mm、二环开口间隙0.48mm为最优解，此时窜气量为13.11L/min。

• 不同曲轴平衡率下柴油机主轴承润滑特性分析及变壁厚优化设计

  刘凯，陈锐，赵家辉，王凤艳，赵滨

  基于弹性流体动压润滑及多体动力学理论，以某船用大功率柴油机主轴承为研究对象，考虑曲轴主轴承的弹性变形、表面粗糙度、供油特性等因素，建立主轴承的弹性液体动力学仿真分析模型；通过试验对该模型建立方法进行了验证。基于该模型，分析了曲轴平衡率对主轴承最小油膜厚度、最大油膜压力、轴心轨迹及滑油填充率等润滑特性参数的影响规律，并就主轴承边缘接触压力较大的现象进行了变壁厚设计优化。研究表明：曲轴平衡率从0增大到100%，主轴承最大油膜压力平均值减小60%，最小油膜厚度平均值增大5倍，轴心轨迹偏心率减小；通过变壁厚优化设计，主轴承最小油膜厚度最小值增大24%，最大粗糙接触压力减小40%，粗糙边缘承载较大的现象得到有效改善。

• 连杆大头油孔喷油飞溅数值仿真模拟

  张勇，范相彬，杨靖，何联格，吴杰

  运用流体体积（volume of fluid， VOF）法两相流模型，结合自适应网格加密技术、重叠网格和动网格技术，建立了连杆大头喷油飞溅过程的计算模型，验证了模型的可靠性。分析了喷油飞溅过程，探讨了喷油速度与喷油孔偏角对气缸壁上机油量的影响。结果表明：在发动机工作的大部分时间里，左侧缸壁的润滑效果要好于右侧缸壁。较大的喷孔喷油速度，能更早地润滑右侧缸壁，改善右侧壁面润滑条件。喷油孔适当右偏也能提前润滑右侧缸壁，改善右侧缸壁的润滑，使两侧缸壁机油分布更加均匀。但是喷孔偏角较大时，反而会影响左侧缸壁的润滑。为了使左右两侧缸壁油量分布更均匀，当喷油孔喷油速度较大时，喷孔往右偏的角度应该更大。

• 基于增压发动机耦合仿真的涡轮性能预测模型研究

  魏江山，薛颖娴，杨名洋，马泽泰，邓康耀

  针对发动机排气管来流条件下涡轮一维性能预测模型进行深入研究，建立脉动与空间不均匀来流条件下涡轮性能预测模型，该模型预测得到的涡轮流通能力与试验误差小于2.0%。将该模型与发动机性能预测模型耦合，开发增压发动机自主性能仿真软件，试验验证结果表明发动机整机的性能预测误差小于3.5%。基于该模型，进一步构建了涡轮与发动机耦合匹配方法，并通过双通道涡轮几何优化设计，实现了发动机功率提升2.7%，同时燃油消耗率降低1.6%。

• 基于多重注意力-卷积神经网络-双向门控循环单元的机械故障诊断方法研究

  程建刚，毕凤荣，张立鹏，李鑫，杨晓，汤代杰

  为解决传统机械故障诊断方法需要人工提取特征的不足，提出一种基于多重注意力-卷积神经网络-双向门控循环单元（multiple attention-convolutional neural networks bidirectional gated recurrent unit， MA-CNN-BiGRU）的端到端的故障诊断方法。首先将原始时域数据输入卷积神经网络（convolutional meural networks, CNN）进行初步特征提取并降维，然后将结果重组输入双向门控循环单元（bidirectional gated recurrent unit, BiGRU），可以有效地解决BiGRU对于过长序列数据处理困难的问题。采用美国凯斯西储大学开源轴承数据集进行训练，确定了最佳卷积层数和最佳样本长度约减比例分别为2和1/8。同时，通过在CNN和BiGRU中分别加入卷积注意力模块（convolutional block attention module, CBAM）和序列注意力模块（sequence attention module, SAM），进一步加强了模型对于关键信息的提取能力。最后实测柴油机故障振动信号试验表明：MA-CNN-BiGRU模型可以实现端到端的故障诊断，与变分模态分解(variational mode decomposition, VMD)〖CD*2〗核模糊C〖CD*2〗均值聚类算法（VMD-kernel fuzzy C-means clustering, VMD-KFCM）、VMD-反向传播神经网络（back propagation neural network, BPNN） 和一维CNN等方法进行对比，MA-CNN-BiGRU模型的故障诊断性能更优。

• 柴油机冷却水套空化两相流三维瞬态数值模拟研究

  林杰威，李宇寒，刘泉，黄鹏，王西博，张俊红

  为了深入研究柴油机湿式气缸套振动引发穴蚀的机理和影响因素，在水套内部冷却液流动稳态数值模拟得到冷却液压力场与速度场的基础上，以完整单缸水套为研究对象，提取6缸稳态模拟结果作为边界条件。基于Mixture多相流模型与Singhal完全空化模型，采用动网格技术建立柴油机冷却液空化数值模拟的气液两相流仿真模型，进行冷却液空化瞬态数值模拟。计算结果表明：振动导致的冷却液对壁面的脉冲压力是缸套穴蚀的主因，冷却液脉冲压力幅值随壁面振动速度升高而增大，在6.75°即振动速度最大时刻出现最大脉冲压力。在柴油机一个工作循环内，缸套主、次推力侧均有可能发生穴蚀现象，其中主推力侧发生穴蚀现象的可能性更高，且存在4个易发生穴蚀的区域。按壁面所受脉冲压力幅值进行排序，发生穴蚀可能性由大到小依次为主推力侧的中上部、顶端、中下部及底端。最后从抑制振动、缸套表面改性处理和降低脉冲压力角度提出了降低穴蚀风险的措施。

• 动铁式电磁调速执行器动态特性影响因素分析

  赵文圣，刘鹏，邓家福，范立云，徐进

  为提高柴油机电磁式调速器的性能，揭示调速执行器动态特性参数的影响规律，采用数值模拟与试验相结合的方法，建立了动铁式电磁调速执行器的数值仿真模型，并通过试验验证了模型的精度，其最大误差为7%。通过数值模拟研究分析了电磁调速执行器的动态工作特性及脉冲宽度调制（pulse width modulation， PWM）频率、弹簧预紧力、弹簧刚度、负载大小、线圈匝数及导磁材料等参数对执行器动态特性的影响。结果表明：初始阶段适宜采用大占空比或满占空比来加快执行器的动态输出速度，以较小的占空比来维持满行程的输出以提高执行器的动态回位速度；提升执行器的位移-力的水平特性有助于提高执行器行程输出的线性度；此外，发现PWM频率、弹簧预紧力、弹簧刚度、负载大小、线圈匝数及导磁材料等参数对执行器动态特性均具有重要影响。

• 双复位弹簧高速电磁阀动态特性研究

  范玉，杨建国，贺玉海

  为了同步提高船用柴油机电控喷油系统高速电磁阀的开启和关闭响应速度，提出了一种双复位弹簧的设计方案。首先采用数值模拟的方法建立了单弹簧电磁阀的数值仿真模型，在电磁阀试验台上验证了仿真模型的准确性，在此模型的基础上建立了双复位弹簧的电磁阀模型。研究了低刚度弹簧预紧力与刚度、高刚度弹簧刚度及高刚度弹簧端面与衔铁的初始间隙对电磁阀动态响应的影响。研究结果表明：相较于单弹簧的情形，双复位弹簧的设计可以同时优化电磁阀的开启和关闭响应，特别当低刚度弹簧预紧力为110N，刚度为16N/mm，高刚度弹簧刚度为100N/mm，高刚度弹簧端面与衔铁的初始间隙为0.01mm时，电磁阀开启响应时间减少了1%，关闭响应时间减少了15.2%。