Vehicle Engine

Diesel engine NOx is the main harmful emission of motor vehicles. Accurate measurement of NOx emission is beneficial to the control of SCR (selective catalytic reduction) urea injection so as to reduce emissions. At present, NOx emission value is mainly obtained by NOx sensor or MAP calibration and these two methods have limitations in practical applications. In this study, PCA (principal component analysis) is used to reduce the dimension of diesel engine operating data of WHTC (the world harmonized transient cycle) bench test, which can make data visualized in three-dimensional space. Then transient diesel engine NOx prediction model is built based on LSTM, and GWO (grey wolf optimizer) is used to optimize the parameters of LSTM. The results showed that R2 (determination coefficients) of the GWO-LSTM is 0.987; In the untrained data set, MAE (mean absolute error), MAPE (mean absolute percentage error) and RMSE (root mean square error) are 18.75 × 10–6, 3.23

为了探明脉冲来流下蜗壳详细设计参数对转子进口流动时空变化及气动性能影响机理,提高涡轮效率,采用三维非定常数值模拟方法,研究了蜗壳出口半径、蜗壳截面形状和进口导管角对涡轮流动特性的影响.结果表明:蜗壳出口半径增大,可以有效抑制蜗舌引起的周向畸变,在脉冲波峰时刻降低蜗舌附近叶片吸力面熵产率,在脉冲波谷时刻降低叶片压力面熵产率,可提高涡轮气动性能;梨形截面蜗壳优于圆形截面蜗壳,降低了蜗舌处熵产率;进口导管角主要影响蜗舌处的气体流动,导管角增大使蜗舌处流动畸变增强,并使得蜗壳等效A/R值增大,质量流量(MFP)增加.

随着柴油机高喷油压力和燃油后喷技术的应用,润滑油受燃油稀释的问题愈发严重,同时温度对燃油黏度有显著影响,建立考虑温度和燃油稀释的黏度模型,对润滑油性能研究和柴油机摩擦副模拟计算具有重要意义.以柴油机用美孚15W-40润滑油为例,通过试验分别测定了未混入燃油的原15W-40润滑油和混入燃油体积分数为3％,6％,9％,12％,15％的15W-40润滑油在20～180 ℃之间的黏度变化.构建了考虑燃油体积分数的Vogel方程、Andrade方程及Reynolds方程,并比较了其拟合效果.构建了量纲一的稀释黏度比-温度方程,反映了燃油稀释在不同温度下对黏度的影响程度和规律.构建了基于润滑油温度和混合燃料体积分数的反向传播神经网络黏度模型.结果表明:Vogel方程对15W-40润滑油被稀释前后黏温曲线拟合效果最好;所构建的反向传播神经网络黏度模型对15W-40润滑油黏度预测值中90％的误差小于2％,整体误差不超过6％.

迷宫式油气分离器是重型柴油机油气预分离的主要设备,其性能直接影响柴油机排放达标度.基于CFD仿真在高窜气量下研究了迷宫式油气分离器主要结构参数对压力损失和分离效率的影响规律,包括过滤孔孔径、过滤孔板间距和过滤孔数量,并基于发动机试验台架对不同油气分离器的压力损失和分离效率开展试验验证.结果表明:在高窜气量条件下,对于以交错孔板进行分离的迷宫式油气分离器,对压力损失影响最大的是过滤孔板孔径,对分离效率影响最大的是过滤孔数量;在迷宫式油气分离器设计时应重点关注孔板开孔率.

声品质客观评价指标的有效性随评价对象和应用场景的不同而存在差异性,而传统的声品质客观评价参量多关注时域特征,难以有效地对啸叫、刺耳特征进行表征.针对上述问题,构建了音噪比(tone-to-noise ratio,TNR)和突出比(prominence ratio,PR)MAP频域衍生特征参量,并结合时、频域特征完善了声品质客观评价体系.本研究构建的柴油机客观参量相对传统客观参量具有更高的声品质预测精度,预测结果为MSE=0.0153,R2=0.9819.

为研究活塞双射流入口内冷油腔在活塞往复运动时机油的振荡流动情况和换热效果,基于CFD软件采用动网格研究了双射流入口油腔在瞬态运动条件下冷却机油在油腔内的分布规律和油腔壁面的换热情况,并与相同边界下单射流入口油腔的机油分布和油腔换热能力进行了对比.分析表明,相较单射流入口油腔,双射流入口油腔的机油填充率提升11.5％,平均传热系数提升13.3％,并且机油和壁面传热系数在油腔周向的分布也更均匀.最后将振荡冷却计算的结果映射至活塞温度场边界,分析开设两种油腔的活塞温度场,结果表明,开设双射流入口油腔的活塞顶部温度整体较低,最高温度降低了7℃,顶面副推力侧温度降低明显.

针对高效混动专用发动机开发过程中发动机热效率未达到设计目标的问题,使用试验数据校正了热力学模型,应用模型对问题原因进行了量化评估,提出了提高热效率的优化方案.结果表明:样机燃烧速率慢、抗爆震性能差、压缩比低是热效率未达标的原因;优化方案包括:优化燃烧系统、提高压缩比到12、增加进排气升程的高度;优化方案的部分负荷平均燃油消耗率平均降幅为4.4％,最低燃油消耗率为209 g/(kW·h),对应热效率为40.5％,满足设计目标.米勒循环+冷却EGR技术需要匹配快速燃烧系统使用.

通常可以使用压差传感器估计柴油机微粒捕集器(DPF)中的碳载量,但其在较低排气流量时的非线性和非稳定状态下,准确性会严重下降.为了提高精度,建立了新的碳载量估算方法,以计算DPF中的炭烟累计量,从而提高主动再生触发时间的精度.该模型基于发动机炭烟排放和DPF内的炭烟氧化平衡,由炭烟排放模型、NO2被动再生模型和炭烟高温氧化模型3个子模型组成.测试验证是基于全球统一瞬态试验循环(WHTC)进行的.试验结果表明,在载碳形成过程中,碳载量计算值与实测值的平均误差为4.6％.随着排气温度和NO2浓度增加,被动再生加快,主动再生间隔延长.

针对GDI喷油器流量特性在小脉宽下存在的非线性问题,分析了小脉宽非线性的成因并提出了一种能够精确控制小脉宽喷油量的闭环控制系统.该系统能够基于GDI喷油器驱动电压的反馈信号,识别出针阀关闭时刻,在不同温度、黏度下进行自学习,采用数据拟合的方式获得喷油器开启延迟时间.结果表明:该控制策略能有效提高GDI喷油器小脉宽流动特性的一致性,在小脉宽区燃油喷射量偏差最高可降低30％,大部分偏差都在±10％以内,线性模式下流量偏差均低于5％.

为了降低重型车NOx排放速率监测控制中OBD设备异常采集数据和数据耦合问题的影响,基于BP神经网络建立了排放预测模型.为了提高预测模型的准确性,引入了遗传粒子群组合算法,并对其进行动态改进,同时利用PCA分析提取数据特征.结果表明:对比传统遗传算法和粒子群算法,动态改进的遗传粒子群组合算法在适应度函数上提升了5.75％和3.37％;与其他9种预测模型相比,动态改进后的遗传粒子群-BP网络在评价指标MASE、RMSE和R2上表现最优,MASE、RMSE分别为0.024和0.0336,R2为0.951,预测结果与原始数据基本吻合,所建预测模型具有较高的预测准确性.

对非共沸混合工质的柴油机ORC系统进了研究,提出了一种基于平衡和非平衡权重的热力学高维多目标优化(EMO)方法.研究表明,使用非共沸混合物,可提高换热器中工质和热源的匹配度,苯/甲苯(质量比:60％/40％)的输出功率(Wnet)比纯工质提高5.4％～19.2％.敏感性参数分析表明,随着蒸发温度的增大,Wnet先增大后减小,热效率(ηth)单调增加,总损(Izon)单调减少.由于Wnet,ηth和Izon相互矛盾,不存在同时满足这三个指标的运行参数,为此开展高维EMO,利用RPD-NSGA-Ⅱ进行多目标优化并通过TOPSIS进行分析.当基于ηth,Wnet和Izon的平衡权重进行选择,最佳ηth,Wnet和Izon分别为24.07％,72.36 kW和44.66 kW,而柴油机废气能量回收率(ηg)为12.5％;当基于Wnet和ηth的非平衡权重进行选择,最佳ηth和Wnet分别为22.42％和81.44 kW,对应的Izon为52.33 kW,ηg为14.07％.可见,基于不同权重的选取能够给出更多的工程选择.

基于甲醇发动机三维模型,通过CONVERGE仿真软件计算分析了EGR稀释和空气稀释下进气道喷射裂解气对甲醇发动机燃烧特性和排放特性的影响.结果表明:掺烧甲醇裂解气后,缸内混合气分布趋于均匀;同一稀释比下,甲醇裂解气掺烧对空气稀释下燃烧速率的提高要大于EGR稀释;相同裂解气掺烧比下,EGR稀释的CO排放和HC排放明显高于空气稀释,NOx排放明显低于空气稀释,甲醇裂解气掺烧在空气稀释下对CO和NOx排放的降低相对于EGR稀释更为明显,HC排放则相反;随着甲醇裂解气掺烧比的增大,EGR稀释下的最高综合指示热效率逐渐逼近空气稀释,在裂解气掺烧比达到30％时,两种稀释方式的最高综合指示热效率只相差2.6％.

柴油机国六排放法规的推出使DPF成为柴油机达到国六排放法规要求的必要后处理装置,且DPF再生技术是国六柴油机的核心技术.国六柴油机后处理型式复杂,不恰当的再生验证试验会导致错误的试验结果.根据再生的发生周期,DPF再生可分连续再生和周期性再生两类.详细介绍了不同再生类型下柴油机的再生验证过程,并通过不同类型的柴油机再生试验研究,得到了国六柴油机的炭烟排放再生规律.针对周期性再生验证的难点,创新性地提出了周期试验替代方案,可有效计算再生因子,优化了周期性再生验证试验流程,缩短周期性再生的验证时间,大幅减少了其验证成本.

煤制油的生产工艺成熟、来源广泛,有利于降低我国对石油进口的依赖.通过定容燃烧弹进行了可视化研究,分析了煤制油在不同环境条件下的喷雾和着火特性.研究结果表明,煤制油喷雾和柴油喷雾在不同工况下均表现出良好的一致性,喷雾发展趋势相同.当环境温度保持500 K不变,随着环境压力由3 MPa提高到6 MPa,煤制油喷雾的贯穿距减小了22.67％,而喷雾锥角增大了46.9％.随着环境温度的提高,大量燃油液滴在破碎后迅速汽化,故喷雾贯穿距和喷雾锥角均表现出明显的降低趋势.在高环境压力下,煤制油的着火时刻提前,火焰浮起长度由38.8 mm缩短至30 mm,并表现出良好的球形火焰形态.与柴油相比,煤制油喷雾的贯穿距较短而锥角较大.在500 K,6 MPa的环境条件下,煤制油和柴油的喷雾贯穿距分别为46.4 mm和49.6 mm,表明煤制油在实际使用时更不容易产生撞壁现象.

为了研究缸内燃气通过活塞环组窜入曲轴箱后对整机性能的影响,基于内燃机热力学理论,建立了相关的数学模型,包括柴油机性能计算模型、漏气模型和磨损模型.漏气模型考虑了活塞环开口间隙影响下的漏气对性能参数的影响,并基于当量开口间隙,研究了气缸套-活塞环磨损对内燃机性能的影响.基于Archard模型,由性能衰退规律,预测了柴油机的大修期.计算结果表明,在气缸套最大磨损400μm,第一环磨损200μm时,功率衰退7.52％,标定工况下,有效燃油消耗率增加7.73％.

基于高压可视化定容燃烧弹试验台,利用高速相机和光学系统在高压环境条件下对麻疯树油甲酯(JME)燃料的雾化特性进行研究,分析了不同试验条件下气相喷雾贯穿距和喷雾锥角的影响规律.结果表明:随着喷射时间的增加,JME燃料的喷雾贯穿距离呈现先增大后趋于稳定的趋势,且环境密度对其影响最大;喷雾锥角最大值出现在环境温度为 823 K,环境密度为 21 kg/m3,氧质量分数为 15%的条件下.

基于对置活塞二冲程(OP2S)柴油机的特殊结构,开发了高压共轨燃油系统,利用喷射试验获取的共轨压力、喷油脉宽对应的喷油量图谱,实现了对循环喷油量的精确控制,通过燃油单次喷射试验验证了该高压共轨燃油系统的可行性.为进一步考察燃油系统中喷油器雾束形态对柴油机性能的影响,利用单次喷射的喷油速率曲线及三维CFD仿真模型对喷油器喷射雾束夹角进行了研究.结果表明:适当增大喷油雾束角将有利于燃油与缸内气体的混合,从而提高 OP2S柴油机的循环热效率;但当喷射雾束夹角过大时则会出现雾束碰壁现象,不利于油气混合及燃油燃烧;另一方面,为避免对置二冲程柴油机燃烧粗暴的隐患,可以通过调节喷射雾束夹角得以改善.

涡轮增压器广泛应用于汽车、轮船等领域,随着增压器工作转速不断提高,增压器压气机气动噪声问题日益突出.针对某车用涡轮增压器搭建了增压器噪声测试试验台架,在增压器加速和稳态工况下开展了噪声测试试验研究.试验结果表明:在中高流量区域,转速低于 80 000 r/min时,压气机进口气动噪声中随机噪声占主导地位,相同转速下随着流量增加,叶片通过频率噪声与总体噪声均先减小后增大;转速高于 80 000 r/min时,压气机进口气动噪声主要由叶片通过频率噪声与锯齿噪声主导,相同转速下随着流量增加,叶片通过频率噪声先增大后减小,总体噪声减小;接近喘振点的小流量高压比区域,叶尖间隙噪声与随机噪声占主导地位.

采用一维GT-Power和三维CFD仿真软件耦合甲醇氧化详细化学动力学机理,以某传统柴油机参数为基础,搭建了火花点火式甲醇发动机的一、三维物理模型,研究了该甲醇发动机的非常规排放.研究表明:随着负荷的增大,未燃甲醇与甲醛的排放呈现先减少后增多的趋势;小负荷时,增加点火提前角更能有效降低未燃甲醇及甲醛排放;随着转速增加,未燃甲醇排放有增加的趋势,而甲醛排放呈现先增加后减少的趋势;增大EGR率更能明显地降低未燃甲醇及甲醛的排放;压缩比增大可以降低未燃甲醇及甲醛排放,且其增加到17.5之后,排放量几乎接近于0;当压缩比较小时,当量比的增大能有效减少未燃甲醇及甲醛排放;未燃甲醇与甲醛主要分布在缸壁、缸盖底面与活塞顶面的一些缝隙区域.

为了同步提升插电式混合动力汽车(PHEV)燃油经济性和整车性能,选取P0+P3构型作为研究对象,通过对混合动力汽车的构型分析,确定P0+P3构型PHEV的可行工作模式.在此基础上制定基于规则的CD-CS控制策略,在MATLAB/Simulink中建立PHEV整车动力系统关键模型,以3组 WLTC循环工况组合仿真分析双电机构型P0+P3与单电机构型P3的节油潜力.仿真结果显示:整车模型搭建合理,所提出的整车控制策略对整车控制效果较好,对比燃油车,P3构型的PHEV节油率为55.2％,P0+P3构型的PHEV节油率为66.3％,引入电机后燃油经济性有明显提升.