船用EGR柴油机性能改善仿真研究

摘要

随着排放法规的日益严格，EGR技术作为一种行之有效的机内降低NOx排放的措施得到人们的广泛研究。在稳态工况下，通过闭环反馈控制EGR率，柴油机可以达到经济性与排放性的最佳折中;然而在瞬态过程，进气氧含量与柴油机NOx排放的线性相关性较大（与EGR率相比），EGR率不再是瞬态过程唯一的反馈控制变量。氧含量传感器虽然能够对进气氧含量进行精确测量，但是其存在滞后性并且受工作环境温度影响较大，在瞬态过程很难对进气氧含量进行实时测量。EGR系统的引入使通过涡轮的排气流量减小，涡轮做功能力减弱，柴油机与压气机联合运行点向喘振边界移动，进而影响柴油机的整机性能;另外在非EGR模式当柴油机运行在高负荷时，柴油机爆压可能会超限，机械负荷增加。在EGR柴油机瞬态加载过程初期，由于涡轮增压器存在迟滞效应，柴油机进气量不足、空燃比下降，进而导致柴油机Soot排放严重。
　　为了解决上述EGR柴油机出现的一系列问题，本文利用GT-power软件建立了6EX340EF船用低速二冲程柴油机整机仿真模型，并通过试验数据验证了模型的准确性，然后在此基础上主要进行了如下仿真研究:(1)进气氧含量与柴油机NOx排放的相关性分析。(2)人工神经网络在进气氧含量预测中的可行性验证。(3)进排气旁通和高工况放气对EGR柴油机性能影响研究。(4)不同加载方案对EGR柴油机性能影响研究。(5)高压气源对EGR柴油机瞬态加载过程性能改善研究。(6)基于多目标优化算法对EGR柴油机整机性能进行优化。
　　仿真计算结果表明:无论在稳态工况还是瞬态过程，进气氧含量与NOx排放的线性相关性比EGR率与NOx排放的线性相关性更大，进气氧含量可以作为反馈控制变量用于EGR柴油机的稳态工况和瞬态过程的控制;与此同时在瞬态过程，通过试验验证了普通的氧含量传感器存在明显的滞后性，并且进气氧含量人工神经网络预测值能够很好地逼近进气氧含量实时仿真计算值。通过研究进排气旁通和高工况放气对EGR柴油机性能影响可以发现，合理的进排气旁通可以提高压气机的喘振裕度以及降低EGR柴油机的油耗，高工况放气可以使EGR柴油机在110％工况、-30℃以上环境中爆压不超限。在加载方案方面，增大线性加载时间可以很好地改善EGR柴油机的整机性能，在相同加载时间下通过空燃比加权优化可以有效改善EGR柴油机瞬态加载过程Soot排放严重的问题。另外高压气源的引入可以使EGR柴油机在瞬态加载过程空燃比能够很好地跟踪稳态工况下的最佳空燃比，使NOx排放增加不多的情况下大大降低Soot排放。最后通过多目标优化可以得到EGR柴油机不同负荷下的最佳EGR阀开度和进排气旁通阀开度;并且通过“多目标优化+多策略”联合仿真计算进一步验证了人工神经网络预测进气氧含量在进气氧含量反馈控制中的可行性以及高压气源在瞬态加载过程中存在的必要性。

目录

声明

摘要

1．1前言

1．2柴油机NOx生成机理概述

1．2．1柴油机排气中的NOx生成途径

1．2．2“捷尔杜维奇机理”概述

1．3降低柴油机NOx排放的有效措施

1．4 EGR研究现状

1．4．1 EGR国外研究现状

1．4．2 EGR国内研究现状

1．5 EGR控制现状与难点分析

1．5．1 EGR控制现状

1．5．2 EGR控制难点分析

1．6本文主要研究内容

第2章不同反馈控制变量与NOx排放的相关性分析

2．1柴油机工作过程数学模型

2．1．1气缸内热力过程数学模型

2．1．2涡轮增压器工作过程数学模型

2．1．3进气中冷器热力过程数学模型

2．1．4进排气系统热力过程数学模型

2．2柴油机整机建模及模型验证

2．2．1 GT-Power软件简介

2．2．2基于GT-power软件的柴油机整机建模

2．2．3柴油机GT-power仿真模型验证

2．3稳态工况不同反馈控制变量与NOx排放的相关性分析

2．3．1 EGR率的测量方法

2．3．2柴油机EGR系统建模

2．3．3稳态工况进气氧含量和EGR率与NOx排放的相关性分析

2．4瞬态过程不同反馈控制变量与NOx排放的相关性分析

2．4．1柴油机调速系统建模

2．4．2瞬态过程进气氧含量和EGR率与NOx排放的相关性分析

2．5本章小节

第3章基于人工神经网络的进气氧含量预测研究

3．1氧含量传感器滞后性试验验证

3．1．1试验装置简介

3．1．2氧含量阶跃试验及结果分析

3．2灰色系统理论在最佳进气氧含量决策中的应用

3．2．1灰色系统理论简介

3．2．2基于灰色系统理论的最优决策流程

3．2．3最佳进气氧含量的灰色决策

3．3人工神经网络在进气氧含量预测中的可行性验证

3．3．1 BP神经网络学习算法研究

3．3．2进气氧含量预测研究中的人工神经网络建模

3．3．3瞬态过程人工神经网络在进气氧含量预测中的可行性验证

3．4本章小结

第4章基于多种策略的EGR柴油机性能改善研究

4．1进排气旁通对EGR柴油机性能影响研究

4．1．1 EGR阀开度对联合运行特性的影响研究

4．1．2进排气旁通对EGR柴油机性能改善研究

4．2高工况放气对EGR柴油机性能影响研究

4．2．1环境温度对柴油机性能影响研究

4．2．2高工况放气对柴油机性能改善研究

4．3不同加载方案对EGR柴油机性能影响研究

4．3．1线性加载时间对EGR柴油机性能影响研究

4．3．2空燃比加权优化对EGR柴油机线性加载过程的性能改善研究

4．4基于高压气源的EGR柴油机瞬态加载过程优化

4．4．1传统加载方案瞬态性能分析

4．4．2基于高压气源的加载方案瞬态性能分析

4．5小结

第5章基于多目标优化算法的EGR柴油机整机性能优化

5．1 EGR柴油机优化目标分析

5．2多目标优化算法

5．3 EGR柴油机整机性能优化研究

5．3．1基于mode FRONTIER软件的EGR柴油机整机性能优化建模

5．3．2 EGR柴油机整机性能优化结果分析

5．4“多目标优化+多策略”对EGR柴油机瞬态性能的改善验证

5．4．1“多目标优化+多策略”瞬态控制系统建模

5．4．2“多目标优化+多策略”瞬态控制仿真结果分析

5．5本章小节

全文总结与展望

6．1全文总结

6．2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢