针对自由活塞内燃直线发电机稳定运行时产生的三相感应电动势难以直接应用到负载或动力电池的问题,提出了基于电压外环比例积分(proportion integration,PI)、电流内环准比例谐振(quasi proportional resonance,QPR)的双闭环交流/直流(alternating current/direct current,AC/DC)控制策略加上基于PI的双向直流/直流(direct current/direct current,DC/DC)控制策略,将直线发电机产生的三相感应电动势转换为稳定可控的直流电压.首先根据双闭环AC/DC 控制策略生成控制三相电压源型整流器开关管通断的信号,将三相感应电动势整流为波动较小的直流电压,然后通过双向 DC/DC控制策略将波动的直流电压转换为稳定可控的电压,最后在 MATLAB/Simulink 环境下搭建了相应的控制模型进行验证.仿真结果表明,双闭环 AC/DC 控制策略中电流内环采用 QPR 控制相比于 PI和比例谐振(proportional resonance,PR)控制直流侧电压具有更快的响应速度和更小的电压纹波,可以在 0.3 s稳定在400 V,电压纹波为 48.9 V.在加入DC/DC转换器后直流侧电压可以在 0.2 s稳定在 300 V.
利用三维计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真软件,用数值模拟的方法研究了某型二冲程船用柴油机在不同扫气口仰角与径向倾角下的扫气过程,得到了扫气过程中各时刻气缸内气体的速度矢量图与废气浓度分布图,分析了不同扫气口径向倾角与仰角对扫气过程效果的影响.结果表明:扫气口径向倾角增大时,涡流比增大,气缸中心处废气清扫效果变差,而缸壁附近处废气清扫效果变好;径向倾角较小时情况则与之相反.扫气口仰角增大时,涡流比基本不变,吹扫活塞凹坑处废气效果变差,但整体扫气效率升高.
针对某型柴油机增压器压气机,基于整级全通道数值模拟和正交试验设计方法,研究了自循环机匣处理实现高亚声速压气机扩稳增效的潜力.结果表明:自循环机匣能够在提高设计点气动性能的前提下推迟失稳,但会牺牲堵塞流量.压气机的失稳和堵塞流量分别与叶片前缘及叶片扩压器中的堵塞程度相关.小流量侧自循环机匣通过抽吸叶轮叶顶附近低能流体,缓解堵塞,推迟失稳.但在大流量侧自循环机匣的喷射效应会增大扩压器进口攻角,加剧扩压器叶片流动分离,减小堵塞流量.抽吸效应与喷射效应强度均取决于抽吸槽的位置和宽度,压气机稳定性和堵塞流量与抽吸槽参数的变化基本呈负相关.自循环机匣对气动性能的影响包含两方面:在抽吸槽前,经回流槽流出的流体与主流的掺混及其产生的进口畸变将带来额外的效率和压比损失,适当减小回流槽角度可以降低该损失;在抽吸槽下游,得益于抽吸效应对叶顶流动状态的改善,压气机抽吸槽附近及下游高熵区减小,做功能力增强,气动损失大幅降低.在上述两方面共同影响下,压气机设计点气动性能最终得以提高.
针对内燃机增压器滚动轴承振动信号易受噪声影响、故障特征微弱的问题,提出了一种基于倒谱(cepstrum)-对称点图谱(symmetrized dot pattern,SDP)-卷积神经网络(convolution neural network,CNN)的智能故障诊断方法.通过倒谱对原始信号进行故障特征提取,获取能够反映滚动轴承故障类型的特征向量.然后应用对称点图谱方法将一维倒谱数据映射到极坐标空间,并进行灰度化处理得到 SDP特征灰度图,将特征图导入到卷积神经网络进行特征挖掘和故障识别.最后通过滚动轴承外滚道、内滚道和滚动体出现损伤的故障试验,构建了 9类故障状态原始信号,验证了基于倒谱-SDP-CNN 的智能故障诊断方法.结果表明:倒谱-SDP-CNN方法具有运算简便、快捷、受噪声影响较小等优点,对试验测试集的故障识别准确率达到 97.5%,可以较为准确地诊断增压器滚动轴承的故障状态和严重程度.
利用高速相机基于纹影法获取上置喷油器和侧置喷油器在单独喷射和垂直喷射状态下的喷雾和燃烧火焰发展图像.柴油喷射压力设置为 80、120、140 MPa,环境背压设置为 4 MPa,环境温度在喷雾和燃烧研究中分别设置为 500 K和 800 K.结果表明:随着喷射压力的增加,不管是单独喷射还是垂直喷射,喷雾贯穿距和面积均增大;垂直喷射状态下,两油束碰撞后损失部分能量,导致其喷雾面积小于两单独喷射状态下的喷雾面积之和.采用双色法研究不同工况下燃料燃烧特性,结果表明:在喷射后 1.50～3.50 ms的燃烧稳定时期内,随着喷油压力的提高,各喷射状态下的火焰面积均增大,燃烧温度提高,碳烟生成量降低;垂直喷射状态下的火焰面积小于两单独喷射状态下的火焰面积之和,燃烧温度和碳烟生成量均高于两单独喷射状态.
为了解决增程式电动轻卡辅助动力单元(auxiliary power units,APU)和动力电池之间能量的合理分配问题,在 Simulink中建立面向控制的仿真模型,并提出一种基于双延迟深度确定性策略梯度(twin delayed deep deterministic policy gradient,TD3)算法的实时能量管理策略,以发动机燃油消耗量、电池荷电状态(state of charge,SOC)变化等为优化目标,在世界轻型车辆测试程序(world light vehicle test procedure,WLTP)中对深度强化学习智能体进行训练.仿真结果表明,利用不同工况验证了基于TD3 算法的能量管理策略(energy management strategy,EMS)具有较好的稳定性和适应性;TD3 算法实现对发动机转速和转矩连续控制,使得输出功率更加平滑.将基于TD3 算法的EMS与基于传统深度Q网络(deep Q-network,DQN)算法和深度确定性策略梯度(deep deterministic policy gradient,DDPG)算法进行对比分析,结果表明:基于 TD3 算法的 EMS 燃油经济性分别相比基于 DQN 算法和 DDPG 算法提高了12.35%和 0.67%,达到基于动态规划(dynamic programming,DP)算法的 94.85%,收敛速度相比基于 DQN算法和 DDPG算法分别提高了 40.00%和 47.60%.
针对传统复合翼垂直起降(vertical take-off and landing,VTOL)无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)垂直机动时间短的固有缺陷,提出了一种应用油电混动技术的直驱混合动力系统拓扑结构.面向起飞质量约 15～20 kg的复合翼垂直起降无人机对直驱混合动力系统的软硬件进行开发与选型,设计出了满足上述起飞质量下功率需求的直驱混合动力系统.为对动力系统的设计方法进行验证并在探究其特性规律的基础上建立简化的直驱混合动力系统数学仿真模型,搭建了能够在地面模拟搭载直驱混合动力的复合翼垂起无人机飞行工况与工作模式的直驱混合动力系统地面一体化验证平台.基于此验证平台,设计了直驱混合动力系统特性一体化探究试验方案,采用试验建模法建立了简化的直驱混合动力系统的稳态与动态数学仿真模型,通过仿真与实物对比试验分析法,验证了试验方案的可行性与模型准确性.直驱混合动力系统配装复合翼垂直起降无人机搭建飞行验证平台并完成垂直机动飞行试验,试验过程中,全系统工作正常,飞行验证平台垂直机动时间超过预期指标.飞行试验结果表明,直驱混合动力系统设计方法是正确且有效的,动力系统具有良好的功率输出表现,能够改善复合翼垂起无人机垂直机动时间短的固有缺陷.
基于潍柴 WP10H改造的单缸机试验平台,深入研究中、高负荷工况充量热力学参数和柴油喷射参数之间的耦合关系及多参数协同获得高热效率的控制方法.结果表明,在平均指示压力(indicated mean effective pressure,IMEP)为 1.0 MPa的中负荷工况,提前喷油定时会减少引燃油量的需求量;随着预混天然气当量比增大,柴油喷射定时推迟且喷油定时对引燃油量变化的敏感性降低,指示热效率(indicated thermal efficiency,ITE)和燃烧速率趋于最大值时所需要的最小引燃油量减小;中高负荷工况(IMEP为 1.4 MPa)下,增大废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)率需提前喷油定时,增加引燃油量;增压会带来当量比减小从而减缓燃烧速率和提高压缩温度利于快速压燃着火两方面的影响,综合作用取决于混合气自身的热力学氛围.在中负荷工况下,柴油喷射参数的控制需要尽可能地提升燃烧速率以降低燃烧损失,而通过优化当量比调控传热损失与排气损失是提升热效率的关键;在满足粗暴燃烧限值的同时,优化燃烧相位避免过高的排气损失是中高负荷工况提高热效率的关键;随着负荷升高,进气压力与 EGR 率均增大,最小引燃油量减小,IMEP 为 1.7 MPa 时,ITE 可提升至52.1%,最小柴油能量占比为 4.7%.
基于多体动力学理论,采用 AVL EXCITE 建立了 2.0 L 发动机平衡轴剪刀齿机构啸叫计算模型,并进行了模型验证,通过振动色谱图和齿轮谐次噪声与总谐次噪声差值综合评价啸叫.针对 4 缸机平衡轴齿轮系统,分析了平衡轴剪刀齿机构啸叫产生原因,同时分析了剪刀齿机构弹簧刚度和正、反旋向剪刀齿机构对啸叫的影响.研究结果表明:驱动齿轮与剪刀齿机构浮动齿轮传递误差最大,是引起空载啸叫的主要原因;弹簧预紧力矩相同时,弹簧刚度为 0.5 N·m/(°)时的传递误差比弹簧刚度为 1.0 N·m/(°)时降低约 7.2%;反旋向剪刀齿机构为一个减振系统,在 2 500～4 000 r/min工况浮动齿轮角加速度相对正旋向剪刀齿机构降低约 25%,在空载加速工况啸叫的改善效果明显.
考虑实际的排气系统流动状态,将排气歧管结构加入到涡轮机性能仿真计算中(集成式结构边界).针对分离式结构边界和集成式结构边界,在不同的入口截面位置设置相同的入口条件,以某款增压汽油机的涡轮机为例进行研究.研究结果表明:在 80 000 r/min、相同的定常进气环境下,两种结构边界在涡轮机入口截面的流动状态有明显的差异.集成式结构边界的流动均匀性指数为 0.719,涡轮机膨胀比下降 0.051,效率下降 3.73%.在不同的转速下,性能都有不同程度的下降.对涡轮机MAP图修正后的计算结果更加接近发动机实际状态.
为探究影响柴油机排气管尿素水溶液(urea water solution,UWS)雾化效果的因素,搭建了 UWS 喷射试验台架,通过激光粒度仪测得尿素液滴粒径分布,并运用Rosin-Rammler 函数对试验获得的累积粒径分布进行非线性拟合,利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件对柴油机负荷工况、UWS 喷射温度和排气管壁温 3 种不同因素对 UWS喷雾雾化特征、NH3 浓度分布及液膜形成的影响进行仿真计算.结果表明:低负荷工况下的排气流量和温度低,UWS喷入量少,尿素液滴分解 NH3 的速率较低,80 ms时刻 NH3 主要分布在排气管中游;中高负荷工况,排气温度高、UWS喷入量多,有利于尿素蒸发热解生成 NH3,该时刻 NH3 浓度区域偏离轴线,贴近排气管上表面;喷雾液滴粒径随UWS喷射温度的升高而减小,范围在 1～12 μm,空间内 NH3 浓度小幅增加,液膜沉积率随喷射温度升高显著降低;排气管壁温对 UWS喷雾液滴粒径和蒸发热解速率影响较大,壁温升高加快了液滴粒径减小的速度,当壁面温度为 473 K时,150 ms时刻下液滴粒径主要集中在 30 μm以下,附着壁面的液膜厚度明显减小直至消失,尿素结晶问题得以改善.
针对一款 V 型风冷柴油机,研究其在不同海拔、温度环境下的工作性能及冷却散热能力,进而提高柴油机热效率.为充分考虑动力舱下柴油机的冷却散热,提出一种将动力舱模型一维离散,以此搭建柴油机冷却系统模型的方法,并与柴油机工作模型进行耦合仿真.结果表明:柴油机在 2 000 r/min外特性工况条件下,外界环境海拔、温度的升高使得柴油机缸内燃烧工作曲线后移,海拔每增加 1 000 m,放热峰值点后移 2°,缸内燃气温度升高;一定转速下的风扇空气质量流量会随海拔、温度的增大而减小,柴油机冷却能力下降,缸盖燃气侧表面平均温度升高;柴油机热效率随海拔、温度的升高而降低,高海拔、高温环境下,增大风扇转速可提升柴油机热效率,随着风扇转速提高,海拔 4 000 m、温度 20℃环境下,柴油机热效率从29.7%升至 35.7%.
基于一台湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)甲醇发动机开展发动机负荷拓展和性能优化试验研究.结果表明,稀燃工况下(过量空气系数大于 1.4),采用进气增压技术可有效提升 TJI甲醇发动机在高负荷工况下的燃烧稳定性和动力性,同时降低指示油耗率,提升排放性能;此外,基于进气增压技术提出了 TJI甲醇发动机宽负荷工况下的最佳油耗运行策略.低负荷运行工况下,相较于质调节方式,采用量调节方式改变发动机负荷可使指示油耗率最高降低 5.2%(平均指示压力为 0.30 MPa时),一氧化碳(carbon monoxide,CO)、甲醛(methanal,HCHO)及碳氢化合物(hydrocarbon,HC)等污染物排放均有所降低,同时可提升燃烧稳定性,避免过于稀薄而造成的燃烧恶化现象.
针对挖机机油滤清器异常受载问题,借助自主高频压力测试系统采集典型路谱并利用频域分析解读了低频高能脉动现象.根据主油道压力和低频脉动的强相关性浅析论证了低频波的产生机理,其来源于信号调节需求下的阀芯受迫位移变化引起的泄流不均衡,且阀芯的轴向振动频率由弹簧刚度与液动力刚度共同决定.在对比分析几种典型调压控制方式的基础上,验证了不同优化方案及竞品的油压脉动情况,结果表明:减小机油泵流量及采用主油道直泄调压等方式可有效消除低频脉动,相对而言,主油道直泄调压因其对机油泵流量不敏感而具有更强的适应性.
采用进气节流降低排气氧浓度的方式,试验研究了柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)入口氧浓度对柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)主动再生时的入口温升特性、载体峰值温度、有效再生时间和再生过程燃油消耗的影响.结果表明:随着排气氧浓度降低,DPF温升速率增大,入口温度上升时间缩短;在所有氧浓度下,载体峰值温度均出现在 DPF轴线后端位置.随着氧浓度降低,载体峰值温度先增后减,最大径向温度梯度先减后增,有效再生时间先缩短后延长,再生过程燃油消耗先减后增.在恒定 DPF碳烟负载量和再生温度的前提下,当排气氧体积分数为 11.0%时 DPF 主动再生时间最短,再生过程燃油消耗最少.
在利用短行程法构建行驶工况的过程中,为综合考虑短行程的典型性和行驶工况的代表性,将二者量化并作为多目标优化过程中的两个目标函数,引入非支配排序遗传算法Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ,NSGA-Ⅱ)对短行程的选择进行优化.将 NSGA-Ⅱ优化方法与常用的短行程选择方法进行对比,在相同时间内,随机选择法、相关性法、距离法和NSGA-Ⅱ分别构建了 7 582、7 209、9 615 和 20 个候选行驶工况.结果显示,4 种方法中,在整体上,NSGA-Ⅱ产生的行驶工况集中在代表性较高的区域同时使得构成行驶工况的短行程整体上典型性较高;在最优工况的比较中,NSGA-Ⅱ的最优工况与原始数据的特征参数相对误差最小,包含的短行程到离簇中心的平均距离最短,表明采用 NSGA-Ⅱ算法对短行程选择过程进行优化有助于从多个角度提升行驶工况的构建质量.
基于计算流体平台 CONVERGE,对化学当量比下 H2 射流火焰引燃 NH3、空气预混气过程中射流火焰的发展历程、射流特性及主/预燃室物质场分布进行了数值仿真.结果表明:射流火焰发展历程可分为射流阶段、过渡阶段和热射流阶段三个阶段;射流火焰的前锋面移动距离的增长率受 NH3 火焰传播速度的制约而逐渐下降;随着射流引燃的进行,射流火焰温度场和物质浓度场呈现明显分层现象,NH2 高浓度区经分离后分布在射流头部的 NH3 燃烧区及射流尾部的 H2 射流火焰区.
采用等体积浸渍法制备了 Ce-Cu/SSZ-13、Ce-K-Cu/SSZ-13 和 K-Cu/SSZ-13 催化剂,通过模拟气试验平台研究了 Ce-Cu/SSZ-13、K-Cu/SSZ-13 和 Ce-K-Cu/SSZ-13 催化剂的氨气选择性催化还原(NH3 selective catalytic reduction,NH3-SCR)性能,并且利用 X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、比表面积(brunauer emmett teller,BET)、X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectrometer,XPS)和 NH3 程序升温脱附(NH3 temperature programmed desorp-tion,NH3-TPD)等表征手段评价碱金属钾(K)对 Ce-Cu/SSZ-13 催化剂理化性质的影响规律.结果表明,碱金属 K 的引入使得 Cu/SSZ-13 催化剂的 NH3-SCR 性能下降,导致催化剂出现中毒失活现象.与 K-Cu/SSZ-13 催化剂相比,Ce-K-Cu/SSZ-13 催化剂的 NOx脱除效率显著提高,T80(NOx转化率达到 80%的温度区间)温度窗口扩宽到 220℃～580℃,催化剂表面酸性位点和活性中心Cu2+物种数量增加,表明 Ce 对 Cu/SSZ-13 催化剂的改性可以提高 NH3-SCR性能,且对催化剂 K中毒失活具有一定的抑制作用.
为了深入探究大功率低速机重油(heavy fuel oil,HFO)的颗粒物排放的理化特性,通过扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transforms infrared spectroscopy,FTIR)和能量色散 X 射线光谱(energy dispersive X-ray spectroscopy,EDS)对低速机重油颗粒的微观形态、表面官能团及表面元素等理化学特性进行分析,并与车用高速机的柴油颗粒特性进行对比.结果表明,大功率船用低速机重油颗粒中,发现了不同于车用柴油颗粒的团聚态的单独大尺寸球形颗粒形态,尺寸约 3 μm.重油颗粒表面吸附的元素除大量 C、O元素外,还发现一定量的 Si、Ca、Cu、Al、Na、Zn、Ba、Cl、K、S等其他元素.这些元素与燃料本身及气缸润滑有关,使重油颗粒具有更高的毒性.在重油颗粒中,没有明显发现 1 750 cm-1～1 630 cm-1 谱范围内的 C=O键.
为了改善极寒条件下柴油机的起动性能和怠速稳定性,基于起动/发电一体式电机拖动柴油机进行-43℃下的冷起动试验,研究了单次、两次(预喷 1+主喷)和三次喷射(预喷2+预喷 1+主喷)3 种喷射方式对柴油机冷起动过程及燃烧特性的影响,分析了不同喷射组合对极寒条件下柴油机冷起动过程的影响规律.研究表明:在-43℃环境温度下,柴油机采用三次喷射时,冷起动性能明显优于单次和两次喷射.随着喷射次数的增加,起动燃烧首循环的缸内压力峰值升高,峰值相位提前,压力升高率和瞬时放热率峰值显著降低,滞燃期缩短;在冷起动过程中,相比单次喷射,两次和三次喷射时倒拖阶段和升速阶段所需时间分别减少 9 个循环和 22 个循环,最高燃烧压力升高,循环变动率分别降低 37.7%和 46.8%,使得起动时间分别缩短 0.88 s和 2.58 s,起动累积油量分别减少 511 mg 和 1 290 mg;在起动后的怠速过程,怠速转速波动率分别降低 54.2%和 82.2%,随着喷射次数的增加,怠速稳定性显著提高.研究结果可为柴油机极寒条件下冷起动过程的控制和参数标定提供理论依据.
