进气预混甲醇双燃料发动机控制策略及试验研究

摘要

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。

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摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 甲醇在柴油机上的应用研究

1．2．1 甲醇在柴油机上应用特点

1．2．2 柴油机燃用甲醇主要方式

1．3 双燃料发动机控制策略研究现状

1．4 课题研究意义及主要工作

第2章 双燃料发动机甲醇共轨电控喷油系统

2．1 甲醇共轨电控喷油系统简介

2．2 传感器

2．2．1 凸轮轴位置传感器

2．2．2 曲轴位置传感器

2．2．3 进气压力传感器

2．2．4 油门踏板位置传感器

2．2．5 水温传感器

2．3 执行器

2．4 电控单元(ECU)

2．5 本章小结

第3章 甲醇/柴油双燃料发动机控制策略设计

3．1 工况管理策略

3．1．1 工况划分

3．1．2 工作模式间相互转换关系

3．1．3 工作模式判断策略

3．2 信号输入及处理策略

3．2．1 曲轴及凸轮轴信号处理策略

3．2．2 模拟量信号处理策略

3．3 起动、怠速工况处理策略

3．4 常规工况处理策略

3．5 转速限制工况处理策略

3．6 急加速、急减速工况处理策略

3．7 过渡工况处理策略

3．8 本章小结

第4章 甲醇/柴油双燃料发动机建模及控制策略仿真

4．1 柴油机模型

4．1．1 涡轮增压器模型

4．1．2 发动机模型

4．2 Simulink中柴油机整机模型的建立

4．3 整机模型的性能校验

4．3．1 模型静态性能

4．3．2 模型动态性能

4．4 双燃料发动机模型建立

4．5 ECU控制器模型的建立

4．5．1 工况判断模块

4．5．2 动作执行模块

4．6 仿真结果及分析

4．7 本章小结

第5章 甲醇/柴油双燃料发动机的试验研究

5．1 台架试验装置

5．2 双燃料发动机的标定试验

5．3 双燃料发动机负荷特性试验

5．4 双燃料发动机外特性试验

5．5 甲醇掺烧比对双燃料发动机排放的影响

5．6 本章小结

第6章 工作总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

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