甲醇/柴油双燃料发动机电控系统开发与排放特性研究

摘要

当前石油供需矛盾日益严峻，环境问题日趋恶化，同时汽车保有量的增大进一步加剧了这些问题。因此要研究新型替代能源（新型燃料和电动汽车等），其中新型燃料的燃烧需要对传统内燃机进行改造，如天然气、醇类燃料等。甲醇作为一种代用燃料，热效率高，动力性和经济性较好，具有良好的应用前景。本文对进气道喷射甲醇/柴油双燃料发动机进行了研究。
　　本文中在一台高压共轨柴油机上对柴油机进气道进行了改装，在进气道上加装喷射器，并搭建了甲醇/柴油双燃料发动机试验台架。对柴油的喷射，通过已有的双燃料电控单元进行控制。甲醇喷射采用了多点顺序喷射方式，开发了甲醇/柴油双燃料发动机甲醇喷射电控系统控制甲醇喷射。甲醇喷射电控系统分为两部分：下位机控制系统和上位机软件。下位机控制系统接收原柴油机凸轮轴位置传感器信号并对该信号进行处理，使该信号变成单片机可识别的信号，计算转速，并在人为控制下，利用串口通讯接收甲醇喷射的喷射正时和喷射脉宽信号，控制甲醇的喷射，同时可通过控制选择给某些气缸喷射甲醇，进行甲醇停缸控制。下位机控制系统的硬件有五个模块，包括两块Atmega128单片机、MAX3232收发器、MAX9924传感器信号处理芯片、LM2576S-5.0稳压器、IR2101和IRF3415驱动芯片，并对硬件电路进行了设计，对下位机控制系统控制软件也进行了开发。上位机软件将人为输入的控制参数发送给下位机控制系统控制甲醇喷射，并显示发动机转速、喷醇脉宽和喷醇正时的返回值。另外对下位机控制系统的电路板和外壳进行了加工，之后对设计开发的甲醇喷射电控系统进行了运行测试。
　　在搭建好的试验台架上，进一步地对甲醇/柴油双燃料发动机的排放特性和燃料经济性进行了试验研究。试验结果表明，甲醇喷射正时对排放特性的影响不大，相对来说对HC排放影响较大，对燃料经济性的影响也不大。柴油喷射正时对排放特性以及燃料经济性的影响较大，在试验设定条件下，随着柴油喷射正时的增大（供油提前角增大），HC和CO排放降低，碳烟减少，而NOx排放升高，燃料经济性变好。掺烧比对排放和燃料经济性的影响分别在不停缸和停缸两种模式下进行，不停缸模式下，掺烧比的增大会使燃烧变差，HC和CO排放增大，而碳烟和NOx排放降低。在停缸模式下，掺烧比对HC和CO的影响整体呈下降趋势，碳烟先略有增大后再减小，而NOx升高。相对于不停缸模式，HC和CO排放大幅下降，完全低于不停缸模式，对碳烟也有一定程度的改善，NOx则略有升高。停缸模式下相同掺烧比对应的有效燃油消耗率均低于不停缸模式。
　　总体来说，停缸可以显著改善发动机在小负荷下运行时的排放特性和燃料经济性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 背景介绍

1.2 甲醇在内燃机上的应用

1.3 双燃料发动机电控系统的研究现状和发展趋势

1.4 本文研究意义及研究内容

第二章 双燃料电控系统设计思路

2.1 甲醇/柴油双燃料电控系统的发展现状

2.2 甲醇喷射控制方式的选择

2.3 甲醇喷射电控系统的设计思路

2.4 本章小结

第三章 试验设备、试验台架搭建和数据处理

3.1 试验设备

3.2 试验台架搭建

3.3 数据处理

3.4 本章小结

第四章 甲醇喷射电控系统的设计开发

4.1 甲醇喷射电控系统的设计要求

4.2 甲醇喷射电控系统的硬件选型

4.3 甲醇喷射电控系统的下位机系统电路设计

4.4 电路板设计加工和下位机系统外壳设计

4.5 甲醇喷射电控系统软件设计

4.6 本章小结

第五章 甲醇喷射电控系统运行测试

5.1 喷醇正时的运行测试

5.2 喷醇脉宽的运行测试

5.3 停缸的运行测试

5.4 本章小结

第六章 甲醇/柴油双燃料发动机试验结果分析

6.1 甲醇喷射正时的影响

6.2 柴油喷射正时的影响

6.3 掺烧比的影响

6.4 本章小结

总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢