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  • 内燃机工程
  • 2024年 第45卷 第6期
  • 出刊日期：2024-12-15
《内燃机工程》创刊于1979年，由中国内燃机学会主办，主管单位为中国科学技术协会。 《内燃机工程》是中文核心期刊、中国科技核心期刊、中国核心学术期刊，国内外公开发行，目前为双月刊。

2024年第45卷第6期

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    • 基于高斯过程回归的进气压力对船用柴油/甲醇组合燃烧发动机替代率拓宽研究
      范金宇,才正,杨晨曦,李品芳,黄朝霞,黄加亮
      为使柴油/甲醇组合燃烧（diesel/methanol compound combustion， DMCC）船用发动机满足日益严苛的排放法规，同时获得更高的经济效益，通过调节发动机进气压力，拓宽不同负荷下甲醇替代率，进而实现排放和燃油消耗率的同步下降。利用高斯过程回归模型，结合试验数据和仿真模型，分析了在不同负荷下进气压力对甲醇替代率边界的影响。并绘制了甲醇替代率边界MAP图，进一步分析了拓宽比例。随后建立了发动机有效燃油消耗率和NOx排放的预测模型。将所建模型与非支配排序基因算法-Ⅱ（nondominated sorting genetic algorithm-Ⅱ， NSGA-Ⅱ）相结合，对有效燃油消耗率（brake specific fuel consumption， BSFC）和NOx排放进行优化，获得最优Pareto前沿解集并选取最佳控制参数组合。最后将最优控制参数组合标定至电子控制单元（electronic control unit， ECU）中进行试验验证。结果表明：调节进气压力可使甲醇最大替代率平均拓宽12.7%。相较纯柴油模式，优化后BSFC平均下降5.6%， NOx排放平均下降16.4%。
      2024  Vol.  45(6):    1-11    [摘要](522)    [PDF](114)
    • 中介尺度内燃机甲醇-汽油混合燃料燃烧特性试验研究
      张超,许愿,郑子康,李阳阳
      为研究不同转速下混合气浓度和甲醇–汽油燃料掺混比对中介尺度内燃机燃烧特性的影响，以拓阳FS-S100AC四冲程往复活塞式微型单缸机为研究对象搭建燃烧试验台架，通过失火率、平均峰值缸压、峰值缸压循环变动和燃烧持续期等参数来反映燃烧质量，其中纯汽油记为G100，纯甲醇记为M100。结果表明：高转速下中介尺度内燃机失火率为0；转速较低时存在失火现象，并且λ与掺混比均对失火率有影响。平均峰值缸压随混合气浓度的增加而下降，λ为1.2时其值最大。当λ相同时呈现两头高中间低的趋势，且M100高于G100；当燃料掺混比和λ相同时，平均峰值缸压随转速的增大而上升。当λ和转速相同时，峰值缸压循环变动随甲醇掺混比的减少而下降，且混合气浓度越高峰值缸压循环变动越大。当掺混比和过量空气系数相同时，峰值缸压循环变动随转速的上升而减小。当λ相同时，中介尺度内燃机在各转速下燃烧持续期随甲醇掺混比的减少而上升，燃烧G100燃烧持续期最长。5种燃料的燃烧持续期均随均质混合气浓度的增加而下降，当λ为0.8时最短。当燃料和均质混合气浓度相同时，燃烧持续期随转速的增大而下降。
      2024  Vol.  45(6):    12-19    [摘要](380)    [PDF](89)
    • 空间在轨氢氧内燃机直喷模式缸内燃烧特性研究
      刘龙,李航,楚为盛,骆洪亮,连欢,郭冬妮,陈泽彬,李华杰
      基于CONVERGE仿真平台，通过改进美国阿贡国家实验室的光学氢发动机仿真模型分别研究了直喷氢（direct injection-H2， DI-H2）和直喷氧（direct injection-O2， DI-O2）两种模式下氢氧内燃机缸内燃烧特性。首先针对DI-H2模式，通过控制氢气喷射质量流量，研究不同氧气当量比（Φ）0.33、0.10、0.08下缸内混合程度、燃烧可控性及输出功率，并与DI-O2模式Φ=8.00的富燃环境下缸内燃烧特性进行对比。研究工作针对缸内氢氧混合均匀程度、燃烧可控性及内燃机输出功率进行系统分析。研究结果表明：在DI-H2模式下，Φ=0.33时，燃料急速燃烧出现失控风险，缸内最高燃烧压力已超过10.0 MPa；Φ=0.08时，虽然燃烧可控，但由于稀薄燃烧，缸内燃料混合程度低且输出功率不满足低温流体集成（integrated vehicle fluids， IVF）系统2 kW要求。当Φ=0.10时，既能满足发动机缸内燃气混合均匀与燃烧可控的需求，同时也能满足IVF系统对于内燃机功率输出的要求。考虑到缸内温度和压力承受极限，适合小型发动机工作的氧气当量比应在0.10左右。而在DI-O2模式下，由于缸内富燃使得燃烧可控，缸内混合程度Φ=8.00与DI-H2模式下Φ=0.33时相当，最高燃烧压力低于5.0 MPa，最高温度低于1 500 K，输出功率2.26 kW也符合设计要求。该模式具备较大潜力，也是未来空间在轨氢氧内燃机可选的燃烧模式之一。
      2024  Vol.  45(6):    20-30    [摘要](379)    [PDF](89)
    • 基于非道路用柴油机选择性催化还原混合器优化及验证研究
      莫瑞,刘学渊,吴瑞婷,杨通云,乔梦雪,蔡文杰
      为了解决装载机空间小、筒式后处理无法布置的问题，提出一种U型非道路用的柴油机选择性催化还原器（selective catalytic reduction， SCR）系统混合器优化及结晶性能验证方案。首先，通过计算流体动力学（computational fluid dynamics， CFD）软件，对建立的3种柴油机U型SCR系统典型混合器结构模型进行了3种典型工况条件下湍流运动、速度场和氨（NH3）分布均匀性等性能的数值仿真分析，研究了不同混合器结构对NH3分布及NOx转化效率的影响。基于仿真结果分析，部分结构设计方案可以加速液滴破碎、水解和雾化过程，提高NH3的分布均匀度，并提高SCR系统在新鲜状态下的NOx转化效率，但这些方案更容易产生并累积结晶，从而导致SCR系统的NOx转化性能下降。因此提出了一种组合导流装置、扰流板、出气孔板等设计的柴油机U型SCR系统混合器方案优化新方法，获得一款同心、内外筒式静态混合器结构，搭载装载机发动机结晶试验失效时长大于28.0 h。
      2024  Vol.  45(6):    31-38    [摘要](338)    [PDF](76)
    • 水蒸气稀释条件下NH3/H2层流燃烧特性研究
      古祥,孟顺,钱叶剑,龚震,孙豫,葛鑫斌
      通过定容燃烧弹试验结合一维层流预混火焰数值计算的方法，在初始压力为101.3 kPa，化学当量比为0.8~1.4，掺氢比为0.3~0.7的条件下，探究水蒸气含量（0~50%）对NH3/H2燃烧特性的影响机制。研究结果表明：随着当量比的增加，NH3/H2层流火焰速度先增大后减小，其峰值出现在当量比1.2左右。随着水蒸气稀释比增大，NH3/H2层流火焰速度线性降低，其峰值向当量比1.1偏移，且受当量比影响的敏感度降低。化学动力学分析表明在水蒸气的物理化学作用中，稀释作用的影响最大。主要基元反应中R1、R3、R68等支链反应对层流火焰传播具有促进作用，而R16、R58、R60等支链反应具有抑制作用。提高水稀释比会增加关键支链反应对层流火焰速度的敏感性系数，并且其增加的幅度不断变大。随着水稀释比不断增加，反应区的NO、N2O、OH等自由基的物质的量分数显著降低，导致NH3/H2层流火焰速度降低。
      2024  Vol.  45(6):    39-47    [摘要](339)    [PDF](73)
    • 氨/氢/柴油三燃料燃烧机理构建及研究
      袁国存,刘少华,申立中,毕玉华,雷基林,彭益源
      使用Chemkin软件中的Reaction Workbench模块，构建了由70种物种和392步基元反应组成的氨/氢/柴油（ammonia/hydrogen/diesel， AHD）三燃料燃烧机理。利用Chemkin软件对AHD机理进行化学动力学验证，同时通过将AHD机理与计算流体力学（computational fluid dynamics， CFD）模型耦合的方法，对发动机不同燃料燃烧模式下的燃烧过程和排放进行对比验证。结果表明，AHD机理对氨、氢、柴油的点火延迟时间、层流火焰传播速度、射流搅拌反应器（jet stirred reactor， JSR）氧化关键组分浓度变化的预测值与试验结果吻合较好，平均误差均在一个数量级内；通过CFD模型与AHD机理耦合，在纯柴油、氨/柴油、氨/氢/柴油三种燃烧模式下，发动机缸内压力和放热率的模拟值与试验结果的变化趋势一致，最大误差均在10%以内。在标定工况（1 800 r/min）下，随着氢能比增大，点火延迟期缩短，燃烧速率加快，CO和碳氢化合物排放逐渐下降，NOx排放呈上升趋势。
      2024  Vol.  45(6):    48-59    [摘要](455)    [PDF](78)
    • 基于神经网络的柴油机活塞环组窜气量预测方法研究
      吴玥,梁兴雨,屠丹红
      针对发动机中出现密封不严而造成的发动机动力性和经济性下降及重要零部件损坏的现象，以某柴油机的单缸试验机为研究对象，对活塞环组的密封性能进行仿真计算，针对开口间隙、倒角长度、径向弹力、工作温度等5个输入和窜气量1个输出，建立窜气量反向传播神经网络（back propagation neural network， BPNN）预测模型，并通过灰狼优化（grey wolf optimization， GWO）算法、鲸鱼优化算法（whale optimization algorithm， WOA）、遗传算法（genetic algorithm， GA）、粒子群优化（particle swarm optimization， PSO）算法进行优化，提高模型的预测性能。结果表明，粒子群优化–反向传播（particle swarm optimiation-back propagation， PSO-BP）预测模型对窜气量具有较强的泛化能力和预测性能。PSO-BP预测模型的高准确性和稳定性为发动机设计和维护提供了强有力的决策支持工具，有助于实现更精确的故障诊断和预测性维护，降低运营成本，提高发动机的整体性能和经济效益。
      2024  Vol.  45(6):    60-70    [摘要](348)    [PDF](87)
    • 基于融合数据增强的柴油机故障诊断方法
      景亚兵,郭明智,毕晓阳
      针对基于深度学习的柴油机故障诊断方法在训练样本数量匮乏时易发生过拟合并导致诊断准确率下降的问题，提出一种基于融合数据增强的柴油机故障诊断方法。利用融合数据增强方法扩充训练集中的故障样本：先将合成少数过采样技术（synthetic minority over-sampling technology， SMOTE）和改进辅助分类器生成对抗网络（auxiliary classifier generative adversarial network， ACGAN）相结合，分两阶段进行样本生成；再通过K近邻算法（K-nearest neighbors， KNN）去除噪声生成样本。然后使用扩充后的训练集训练深度学习故障诊断模型，用于识别未知振动信号。经柴油机故障模拟试验实测信号验证，在仅用10个样本进行训练时，一维卷积神经网络（one-dimensional convolutional neural network， 1DCNN）能达到90.21%的故障诊断准确率，且所提融合数据增强方法在不同深度学习模型上均能提高故障诊断准确率。
      2024  Vol.  45(6):    71-80    [摘要](310)    [PDF](66)
    • 引气结构对引气压气机性能影响的研究
      王智慧,祝飞,马朝臣
      基于压气机扩压器引入废气再循环（diffuser exhaust gas recirculation， DEGR）方案，通过计算流体力学（computational fluid dynamics， CFD）数值模拟的方法研究引气压气机性能的影响。研究了无引气时引气结构对压气机性能的影响，分析了有无涡旋进气段时引气压气机的性能。结果表明：与压气机原机相比，在无引气时，引气结构使引气压气机峰值效率降低近2%；有无涡旋进气结构仿真结果表明采用涡旋进气能够有效降低引气结构出口与叶轮出口气体的切向速度差，降低引气进入扩压器造成的流动损失和混合损失，进而提高引气压气机绝热效率。
      2024  Vol.  45(6):    81-87    [摘要](332)    [PDF](70)
    • 高速电磁阀衔铁偏心对其动态响应特性的影响
      商荣凯,张如琴,刘鹏
      为揭示衔铁偏心作用的影响机制，采用场路耦合方法建立了高速电磁阀多物理场耦合数值仿真模型，并通过试验验证了仿真模型的准确性。然后分析了衔铁中心偏移和偏转对高速电磁阀动态响应特性的影响。结果表明：衔铁中心偏移对动态响应特性的影响不明显，而中心偏转对动态响应特性具有较大影响，且对吸合响应时间的影响大于对释放响应时间的影响；中心偏转角度从0°增大到0.2°，吸合响应时间增加了19.37%，释放响应时间减少了11.35%。
      2024  Vol.  45(6):    88-93    [摘要](296)    [PDF](66)
    • 边界润滑下表面涂层对活塞裙摩擦学性能影响研究
      张源,王静思,崔启航,廖君慧,李承娣
      为研究边界润滑条件下表面固体润滑涂层对活塞裙摩擦磨损性能的影响，从而为高强化内燃机活塞裙涂层的设计提供支撑，采用自制往复式摩擦磨损试验机，设计活塞裙–气缸套试样级试验，开展38CrMoAl镜面氮化气缸套分别与石墨、二硫化钨涂层活塞裙（铝硅合金基体）的摩擦磨损试验，获得了不同工况条件下两种活塞裙–气缸套配副的摩擦系数和磨损量结果，并分析了磨损表面情况。结果表明：在所有试验工况下，二硫化钨涂层活塞裙磨损量、摩擦系数均小于石墨涂层活塞裙。在15、25、35 MPa三种强化负荷试验条件下，随着负荷升高，摩擦系数和磨损量整体呈现上升趋势；试验温度由120 ℃升高到150 ℃时会促进润滑油中二烷基二硫代磷酸锌（zinc dialkyl dithiophosphate， ZDDP）添加剂的分解，摩擦系数和磨损量总体呈下降趋势；在35 MPa条件下，试验温度由150 ℃升高到180 ℃时，摩擦系数和磨损量会再次升高，在高温高载作用下，活塞裙基体硅颗粒露出引起的磨粒磨损程度增加。
      2024  Vol.  45(6):    94-103    [摘要](352)    [PDF](72)
    • 冷热起动模式和后处理对轻型车实际行驶细颗粒物排放的影响
      尹黛霖,岳志刚,孙国阳,潘朋
      采用实际行驶污染物排放测试的方法，对两辆国六轻型汽油车的细颗粒物排放进行研究，重点分析冷、热起动两种模式和汽油机颗粒捕集器（gasoline particulate filter， GPF）对细颗粒物的影响。结果表明，PN10主要产生于冷起动阶段，且排放峰值易出现在急加速和急减速工况，最高排放峰值为8.10×1011个/s。带GPF车辆的PN23和PN10在各速度段的占比分布差异较大，总行程的PN10数量较PN23增长30.9%，增长率为不配备GPF车辆的3倍左右。低温下的细颗粒物排放较常温大幅上升，且带有GPF车的增长幅度明显高于未配备GPF的车辆。研究表明，冷起动阶段的细颗粒排放控制是未来监管的重点。
      2024  Vol.  45(6):    104-108    [摘要](354)    [PDF](80)

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