内燃机工程杂志

内燃机工程杂志2025年第5期

• 柴油多组分模型燃料的目标参数耦合关系

  梁俊杰,王瑞阳,李格升,衡怡君,张千龙

  以柴油为例，结合遗传优化算法研究了其有限组分模型燃料构建时权重值对目标参数计算值的影响，分析了各目标参数间的关联性，并从模型燃料构成组分的角度探讨了这些影响和关联性的机制，研究同时关注了候选组分数量改变所造成的影响。结果表明，改变权重值时，十六烷值、低热值和烟阈指数计算值变化微弱；而H、C物质的量的比和相对分子质量受权重的影响较大，且低权重时受到权重的影响更高。模型燃料候选组分数量为19时，目标参数之间的关联性与密度、黏度和烟阈指数密切相关，当模型燃料候选组分数量为4时，这一关联性的核心目标参数是黏度、烟阈指数和表面张力。候选组分为19时，受密度和相对分子质量影响组分含量的个数最多，而候选组分为4时，影响组分含量个数最多的是表面张力和相对分子质量。

• 分循环–多冲程压燃式增程器燃烧特性与性能优化

  吴凯剑,李卓航,任飞,朱天奎,朱磊,黄震

  针对分循环–多冲程压燃式增程器开展了理论分析和试验研究，通过理想热力循环分析和理论计算证明了该新型热力循环的理论效率提升潜力。基于样机试验平台的研究结果表明：新型热力循环可使得该压燃式增程器在高进气压力、高负荷的条件下同时实现高热效率和高功率输出。通过掺混乙醇的方式提高燃料的辛烷值，可以提高预混燃烧比例，加速缸内燃烧。在高进气压力、高负荷条件下，通过喷油提前角和喷油压力协同优化，在乙醇掺混体积比例达到30%时，可将指示热效率提升至57.2%。

• 增压预燃室点火式汽油机稀薄燃烧及排放特性

  徐夏波,王成彬,尹丛勃,张振东

  为验证被动预燃室技术在商用缸内直喷（gasoline direct injection， GDI）发动机中的应用潜力，采用三阶段喷射策略研究了预燃室点火发动机在增压稀薄燃烧环境中的热效率、燃烧特性（累计放热量达到总放热量的50%对应的曲轴转角CA50、爆震指数和循环变动系数）和排放特性，建立了三维仿真模型进行模拟。结果表明，在高负荷条件下，平均爆震指数可控制在0.20~0.34 MPa之间，循环变动系数可控制在3.0%~3.5%之间；当指示平均有效压力（indicated mean effective pressure， IMEP）在1.0 MPa~1.4 MPa范围内，指示热效率均能达到40%以上；负荷增加时，氮氧化物呈下降趋势，碳氢化合物和一氧化碳排放略有增加。

• 氧化石墨烯对正己醇/柴油混合燃料喷雾与燃烧特性的影响

  官维,邓磊,付长城,吉振华,潘明章,文涛,陈昊

  在不同喷射压力下，研究了添加不同含量的氧化石墨烯对正己醇/柴油混合燃料喷雾、燃烧性能的影响。在柴油中按20%体积分数加入正己醇配置液体组分后，在其中分别加入质量分数为20×10-6、40×10-6、60×10-6的氧化石墨烯，得到三种混合燃料。结果表明，在160 MPa喷射压力下，混合燃料的雾化性能最佳，其中质量分数为40×10-6的氧化石墨烯含量的燃料喷雾贯穿距最长，喷雾扩散角最大，喷雾面积最大。此外，适量增加氧化石墨烯含量能提高燃料与空气混合的效率，提高燃烧效率，减少碳烟生成。在相同喷射压力下，质量分数为40×10-6的氧化石墨烯含量的燃料降低排放的效果最好，火焰浮起长度最长。

• 某相继增压柴油机性能分析及控制策略

  滕帅平,王贺春,张祥臣,胡登,杨传雷,牛晓晓,刘昊喆,王政远

  基于一维性能仿真计算平台GT-Power，对某相继增压（sequential turbocharging， STC）柴油机进行推进特性和万有特性稳态仿真计算，并通过计算结果进行关键参数性能分析和切换控制策略研究。结果表明：在推进特性条件下，0~12%负荷采用1台增压器（1TC）运行模式，12%~70%负荷采用2台增压器（2TC）运行模式，70%~100%负荷采用3台增压器（3TC）运行模式，可以显著改善柴油机性能，提升做功能力，实现燃油消耗最佳。在万有特性条件下，高转速（转速高于2 090 r/min）对应的全负荷范围内采用3TC运行模式；中等负荷中等转速（1 100~2 090 r/min）区域采用2TC运行模式，低负荷低转速（转速低于1 100 r/min）区域采用1TC运行模式，可以保持进气压力、最高燃烧压力、涡前排温、燃油消耗等最佳，实现增压器和柴油机全工况范围的良好匹配。

• 面向商用车动力的甲醇发动机热效率提升路径与工程实践

  宋志辉,何建祥,张志敏,邱继虎,赵阳,李东利,刘岩,沈源

  针对采用ω燃烧室的重型商用车点燃式甲醇发动机热效率偏低的问题，基于某13 L甲醇发动机开展优化研究。将原ω燃烧室重新设计为屋脊型结构，将螺旋涡流气道改为高滚流气道，并对活塞顶进行适应性调整；同时根据甲醇特性重新设计了凸轮型线、冷却水套、进排气系统，并匹配了专用增压器。采用CAE分析工具对设计方案进行验证。结果表明：优化后发动机有效热效率由42.0%提升至50.2%，提升了8.2个百分点，相对提升率达19.5%。

• 大规模锂电储能模组浸没式热失控管理

  张晓军,张春风,盛雷,张振东,栗鑫,王李杨,金利杰

  针对大规模锂电储能用280 Ah电池模组的热失控管理问题，采用浸没式液冷温控方案对模组热失控的行为进行管控。研究了电池模组在浸没、非浸没情境下的热失控传播行为，及其在不同类别浸没液和不同热失控触发方式下的热失控行为特征。研究结果显示，模组在非浸没情境下发生了热失控传播，其峰值温度高达367.8 ℃，而在浸没情境下未发生热失控传播。模组在过充情境下的热失控峰值温度为227.1 ℃，高于其在针刺情境下的峰值温度214.7 ℃。碳氢基合成油与二甲基硅油对模组热场管控和热失控抑制的能力相当，前者在疏散模组热量方面的能力较强，后者在削弱模组峰值温度方面的能力较强。

• 基于NARX神经网络的瞬态虚拟排温传感器

  周圣凯,寇传富,叶宇,杜宇,戴振朝,陈美玲

  基于台架采集数据，采用外部输入非线性自回归（nonlinear autoregressive model with exogenous input， NARX）神经网络建立了具备瞬态特性的柴油机排气温度计算模型作为虚拟传感器，并采用并发式训练方法对模型进行训练。将结果与前馈神经网络、长短期记忆网络（long short term memory， LSTM）神经网络及量产发动机的排温传感器采集结果进行对比。经验证，稳态工况下，两种神经网络均能达到较高精度；欧洲瞬态循环 （European transient cycle， ETC）工况下，NARX神经网络计算温度的最大偏差为6.6 ℃，量产发动机排温传感器测得温度最大偏差为45.9 ℃。NARX神经网络所需的计算时间约为现有电控单元排温模型的2.5倍。

• 柴油机排气参数与催化型柴油颗粒捕集器结构参数对再生特性影响的数值模拟

  于津涛,宋崇林,李浩,周逸东,乔约翰

  为探究柴油机排气参数和催化型柴油颗粒捕集器（catalytic diesel particulate filter， CDPF）结构参数对CDPF再生特性的影响规律，采用了发动机台架试验与数值模拟相结合的研究方法，研究了排气温度、氧气体积分数、排气流量、NO2体积分数、初始炭载量、孔密度和孔壁厚度等因素对CDPF再生特性的影响规律。结果表明：提高排气温度、氧气体积分数和NO2体积分数能够提升碳烟的最大氧化速率，缩短再生时间；增加初始炭载量能够提高碳烟最大氧化速率，但是再生时间不改变。此外，CDPF结构参数对再生特性也会产生影响，即随着孔密度的增加，碳烟最大氧化速率会逐渐降低，再生时间略有增加；随着孔壁厚度的增加，碳烟最大氧化速率也会逐渐降低，而再生时间大致相同。通过敏感性分析结果可知，排气温度、氧气体积分数、排气流量、初始炭载量及孔密度对碳烟最大氧化速率影响显著，影响程度由高到低依次为：排气温度、初始炭载量、氧气体积分数、排气流量、孔密度。而NO2体积分数和孔壁厚度对碳烟最大氧化速率的影响不显著。另外，上述各参数中仅排气温度对再生时间的影响显著，而其他排气参数和CDPF结构参数对再生时间的影响并不显著。

• 积炭层的形态及其二次迁移对柴油机颗粒捕集器孔道堵塞的影响

  张韦,房玉峰,孟丽苹,陈帅,陈朝辉,赵逸群,郭宥成

  为探究非对称柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter， DPF）的孔道堵塞现象，采用计算流体动力学（computational fluid dynamics， CFD）–离散单元法（discrete element method， DEM）耦合计算与DPF可视化试验相结合的方法，研究了DPF内不同沉积形态积炭层的破碎及二次迁移对孔道堵塞特性的影响。结果表明：DPF孔道内碳烟颗粒的均匀或线性增加沉积形态，其积炭层的二次迁移最为活跃，积炭层极易运动至孔道末端形成大型端塞。对于碳烟颗粒的线性减少、凹型、凸型沉积形态，其积炭层的二次迁移会在孔道内形成多个小型堵塞段，其中凹型形态的堵塞段距DPF入口端的距离最近，而凸型形态的堵塞段积炭层分布率最高。均匀与线性增加形态的积炭层在孔道前、中段的分布较为轻薄，因此更易随气流运动至孔道末端形成端塞。线性减少、凹型、凸型形态的积炭层在孔道前、中段的分布较为厚重，因此更易过早脱离气流运动在孔道内形成中段堵塞。

• 基于径向基函数神经网络重载发动机曲轴的可靠性分析

  赵明轩,桑建兵,丛继坤,钟星宇,李长远

  针对传统可靠性分析方法计算成本高且精度不高等问题，结合灰色关联度分析（grey relational analysis， GRA）、径向基函数神经网络（radial basis function neural network， RBFNN）及粒子群优化算法（particle swarm optimization， PSO），提出了一种针对重载发动机曲轴的可靠性分析方法。首先，根据曲轴的动力学分析和点火做功状态确定了其危险工况并利用有限元软件ANSYS Workbench建立了静力学计算模型。其次，结合曲轴的几何参数和总体结构确定了影响最大Mises应力的不确定性因素，并对其进行灰色关联度分析筛选出径向基函数神经网络的输入参数。最后，依据不确定性参数的分布情况使用最优拉丁超立方（optimal Latin hypercube sampling， OLHS）进行采样，根据第四强度理论确定曲轴的破坏准则后，引入粒子群优化算法，结合径向基函数神经网络和蒙特卡洛方法（RBFNN–Monte Carlo， RBFNN–MC）预测了曲轴的可靠度和失效概率。研究结果表明，RBFNN–MC方法与传统可靠性分析方法相比，在保证高精度的前提下具有更高的效率和更好的鲁棒性。

• 燃烧室类型对航空煤油发动机燃烧及活塞可靠性的影响

  陈贵升,梁玉新,朱文霞,龚航,代如,孔维龙

  以一款燃烧RP-3航空煤油的直列四冲程压燃式发动机为研究对象，建立了三维燃烧模型，并基于三维燃烧模型的边界条件建立了活塞与内冷油腔双向耦合模型。在喷油参数和压缩比相同的情况下，对ω型燃烧室（omega combustion chamber， OCC）、双旋涡碗型燃烧室（double swirl bowl combustion chamber， DSBCC）、加深型燃烧室（deepened combustion chamber， DCC）及浅型凹入式燃烧室（shallow re-entrant combustion chamber， SRCC）4种不同类型燃烧室进行了对比研究。研究分析了燃烧室类型对缸内当量比分布、指示热效率、活塞温度场及活塞热机耦合应力等的影响。研究结果表明，与原机OCC结构相比，DSBCC、DCC及SRCC结构的当量比分布更均匀，指示热效率均得到了明显提升，分别提升了0.93、1.48和2.44个百分点。DSBCC、DCC和SRCC结构的活塞最大温度分别增大了4.39%、1.26%及47.89%。DSBCC结构活塞的最大热机耦合应力降低了1.24 MPa，DCC和SRCC结构活塞的最大热机耦合应力分别增大了16.57 MPa和76.11 MPa。

• 基于多体动力学仿真的发动机活塞裙部曲面多目标优化设计

  李照宇,晋刚,王飞,李茂源,王英俊,程世豪

  针对某款4缸发动机搭建了活塞柔性多体动力学模型，提出活塞裙部曲面多目标优化设计方法。建立活塞温度场并通过试验验证，利用Optistruct对活塞缸套有限元模型进行自由度缩减，通过活塞裙部横向曲线和纵向曲线的关系将活塞裙部曲面参数化，收集相关参数在AVL EXCITE中建立活塞柔性多体动力学模型并通过试验验证模型可靠性。再以一个周期内活塞二阶运动、活塞裙部与缸套间油膜厚度和摩擦损失为优化目标，将活塞裙部曲面参数进行拉丁超立方采样。采用不同响应面模型对仿真模型进行拟合，并选取精度最高的径向基函数神经网络响应面模型，结合非支配排序遗传算法（non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ， NSGA-Ⅱ）算法对活塞裙部曲面进行多目标优化，得到Pareto解集并选取其中所需解进行对比验证。优化后活塞最大径向位移减少1.16%，最大倾斜角减小2.32%，最小油膜厚度增加6.00%，摩擦损失降低2.63%。

• 航空活塞发动机活塞结构优化设计

  缪奇锋,符字简,李伟杰,刘震涛

  为了解决某型号航空活塞发动机在进行功率提升设计时出现的失效问题，根据失效原因设定优化目标为活塞最高温度与最大变形量优化幅度不低于5%，并据此开展活塞结构优化设计。建立并验证了活塞热机耦合仿真模型，通过活塞热机耦合仿真模型研究了结构因素对活塞热机耦合性能的影响，基于研究成果对活塞结构进行优化设计，提出了针对活塞结构的优化设计方案。与原始活塞相比，优化设计后的活塞最高温度优化幅度为7.21%，最大变形量优化幅度为6.27%，达到优化目标。

• 摆线转子发动机径向密封片静态泄漏特性

  李凤舒,邓晰文,刘瑞,万桂银,雷基林,贾德文

  为解决摆线转子发动机径向密封泄漏问题，以摆线转子发动机为研究对象，采用计算流体力学的方法，研究相邻腔室压力差、温度差及等效泄漏面积对摆线转子发动机泄漏过程中压力、速度及质量流量的变化规律。研究结果表明，增大相邻腔室压力差会使泄漏通道达到超临界状态，这种状态下质量流量随前腔室压力增大而增大，当燃烧室压力处于峰值时泄漏质量流量达到最大值。相邻腔室温度差增大会降低泄漏质量流量，泄漏过程在亚音速流动和超音速流动状态下，前腔室温度由400 K升温至1 780 K，泄漏质量流量分别降低50.07%和46.64%。减小等效泄漏面积可有效改善泄漏，在气流为亚音速流动及临界状态下，当等效泄漏面积由2.0 mm2减小为1.1 mm2，泄漏质量流量平均降低69.48%。

• 氨燃料低速机活塞环–缸套磨损特性

  胡嘉,杨建国,范玉,余永华,谢良涛

  基于船用低速机大环段活塞环–缸套摩擦磨损试验台，将氨水雾化并喷射至活塞环–缸套试件的摩擦区域以模拟氨燃料对其腐蚀，进行润滑油、润滑油+水和润滑油+氨水溶液润滑状态下的活塞环–缸套摩擦磨损的对比试验。通过测量活塞环–缸套摩擦力及摩擦系数、表面几何形貌特征等参数，并分析了氨对活塞环–缸套摩擦磨损性能的影响。基于磁阻法在线监测活塞环–缸套的磨损量，揭示了在氨燃料环境下船用低速机活塞环–缸套的腐蚀磨损行为机制。分析了润滑油、润滑油+水和润滑油+氨水溶液的黏度及pH值。试验结果表明，润滑油中掺入氨水会使得其黏度和pH值增加，影响其理化特性，使活塞环–缸套摩擦系数增加，并加剧其表面的涂层剥落和腐蚀，尤其是在长时段试验中，润滑油+氨水润滑状态下活塞环磨损量达到85.3 μm，超过其最大许可磨损量（70 μm）。