论文部分内容阅读
随着排放法规的日益严苛和能源危机,柴油/天然气双燃料发动机因其良好的动力性、经济性以及低排放成为研究热点。在不改变原柴油机机械结构和废气处理装置采用氧化型催化器的前提下,提高双燃料发动机的经济性、可靠性和降低排放是本文主要解决的问题。本文采用实验与数值模拟相结合的方法,针对柴油/天然气双燃料发动机不同负荷区域燃烧特点和需要解决的问题,开展燃烧策略的研究,提高可靠性和降低排放。具体研究内容为:(1)为了能深入地了解柴油/天然气双燃料发动机燃烧过程,建立了柴油/天然气双燃料发动机燃烧机理模型。该模型由多维模型和柴油/天然气双燃料简化动力学模型耦合而成,多维模型模拟发动机缸内复杂的气流运动和柴油喷射现象,双燃料简化动力学模型模拟燃烧的化学过程。将燃烧机理模型计算结果与试验结果验证比较,燃烧机理模型对滞燃期、缸内压力曲线、最大缸内压力位置以及排放的预测与试验结果较吻合,可用于燃烧策略的研究,寻求高效低排燃烧模式。(2)本文以正庚烷、甲烷分别作为柴油、天然气的参比燃料,开展构建柴油/天然气双燃料简化动力学模型的研究,建立了包含77组分和136个基元反应的柴油/天然气双燃料简化动力学模型。该模型重点分析了燃料之间化学作用对燃烧始点的影响,提高了模型对燃烧过程的预测精度。通过与详细动力学模型对比验证,简化动力学模型能较好的模拟正庚烷、甲烷以及正庚烷与甲烷混合气的燃烧过程,对滞燃期、重要中间产物和最终产物的浓度预测较准确。(3)针对双燃料发动机工作于大负荷区域可靠性降低和NO_x排放高的问题,研究了稀薄燃烧策略、柴油替代率(DSR:Diesel substitution rate)控制以及多次喷射策略对发动机燃烧性能和排放的影响规律。发现增大过量空气系数λ能有效降低NO_x排放,但会导致扭矩下降,发动机经济性变差;DSR控制能有效改善天然气燃烧,提高燃烧效率,但是最大压力升高率有可能超过1 MPa/?CA,合适的预喷量和预喷间隔可以降低最大压力升高率,提高发动机的可靠性,但不能降低NO_x排放。结合三种方法的优点本论文提出了多喷稀燃替代率控制(MILBSRC:Multiple Injection lean burn substitution rate control)燃烧策略,并制定控制参数标定策略,MILBSRC燃烧策略可以有效降低最大压力升高率,活塞表面温度和NO_x排放,实现双燃料发动机动力性、经济性、可靠性以及NO_x排放的多目标优化。(4)针对双燃料发动机小负荷时未燃HC(u HC:unburned HC)排放高的问题,开展了部分预混合压燃(PPCI:Part premixed compression ignition)燃烧策略的研究,合适的早喷量能有效地降低u HC排放,提高发动机的燃烧性能。根据研究结果,本文以u HC排放和DSR为约束条件,以PPCI燃烧策略为控制手段,优化小负荷时的模式切换面。优化后小负荷时的掺烧范围得到了扩展,提高了双燃料发动机的经济性。中负荷时,PPCI燃烧策略能同时有效的降低NO_x和u HC排放。针对小负荷模式切换时出现的转速波动较大问题,以小脑神经网络(CMAC:Cerebellar Model Articulation Controller)作为前馈控制,与PID反馈控制相结合,实现转速异常波动的快速抑制,并与PID控制器作比较,CMAC-PID能实现更好的动态性能。(5)将仿真得到的多喷策略、MILBSRC燃烧策略以及PPCI燃烧策略参数作为初始值,嵌入到自主研发新一代并行式柴油/天然气双燃料发动机主动掺烧电控系统进行台架验证。验证结果与仿真结果基本吻合,主动掺烧电控系统能够实现MILBSRC、柴油多次喷射和PPCI等燃烧方式,能够根据工况实现不同负荷区域的最优燃烧。