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地球石油资源日趋枯竭,环境污染问题越发严重,寻找合适的汽车替代燃料已迫在眉睫。甲醇燃料生产及应用技术相对比较成熟,污染较小,是符合我国富煤贫油能源基本国情的合适的石油替代燃料。进气预混甲醇双燃料发动机对原柴油机改动较小,可以对甲醇与柴油的掺烧比灵活控制,通过制定合理的控制策略实现较少的碳烟及NOx排放。因此,在短期内石油燃料仍为交通运输主导能源的大背景下,在柴油机上应用甲醇具有良好的推广前景。
论文提出用进气歧管压力识别发动机负荷的方法,并结合甲醇燃料的理化性质,开展对4B26柴油机进气道预混甲醇双燃料发动机的控制策略研究。基于工况法设计的控制策略内容分为工况管理策略、信号输入及处理策略和各工况处理策略三个组成部分。在工况管理策略中,根据不同工况的特征,将工作模式划分为停止模式、起动,怠速模式、常规模式、过渡模式和转速限制模式,确定各模式间相互转换条件,并由此设计工况判断策略;信号输入及处理策略中,利用曲轴与凸轮轴信号计算平均转速,并根据信号齿特征,判断气缸上止点的位置,采取定时的控制方法对模拟量信号进行处理;工况处理策略内容包括起动工况、怠速工况、常规工况、过渡工况、转速限制工况处理策略等,提出限速工况的概念,将其作为常规工况的延伸,以降低双燃料发动机超速的风险。
建立涡轮增压柴油机的平均值模型,并在此模型基础上增加甲醇燃油系统模型,完成了双燃料发动机建模及控制器建模工作。在Simulink环境下对建立的模型进行了仿真,验证了控制策略的可靠性及正确性。
为验证控制策略对甲醇/柴油双燃料发动机经济性、排放性的改善情况,对双燃料发动机进行了外特性、负荷特性试验,并通过试验研究了甲醇掺烧比对发动机排放的影响。试验工作表明:(1)制定的甲醇/柴油双燃料发动机控制策略合理正确,保证了双燃料发动机的良好运行。(2)甲醇的掺烧对改善柴油机中高负荷的燃油经济性有较大作用,高速时可以考虑在较宽负荷范围内掺烧甲醇,低速时尽量在中高负荷掺烧甲醇以提高柴油机的燃油经济性。(3)因甲醇汽化吸热,进气温度及最高燃烧温度降低,双燃料发动机的NOx排放下降明显,最高降幅可达50%;甲醇中不含C链,而且甲醇的掺烧减少了柴油的扩散燃烧,因此碳烟排放明显下降;由于甲醇汽化吸热,导致部分混合气燃烧不完全,HC与CO排放增加,燃烧后期的低温也抑制了CO的进一步氧化,CO排放比原机略有上升,但HC与CO排放随转速升高而降低。(4)随甲醇掺烧比的增加,NOx和碳烟排放呈下降趋势,而HC和CO的排放呈上升趋势。