多脉冲喷油模式的调制及其对柴油HCCI燃烧过程影响的研究

摘要

均质压燃着火(HCCI)燃烧因具有实现高效率、低排放的潜力而成为国际内燃机界研究的热点.但在应用上仍有许多难题.对柴油HCCI燃烧过程而言,混合气形成过程和自燃着火过程的控制是其中的关键.有效的燃油喷射策略能减少燃油湿壁现象,控制均质混合气的形成,进而控制预混燃烧过程.本文提出了调制多脉冲燃油喷射技术,通过对喷油模式的调制实现了柴油均质压燃着火过程中预混速率、自燃着火速率和燃烧速率的控制,并有效扩展了HCCI发动机的负荷范围. 共轨式喷油器电磁阀具有高的电磁响应速度是实现多次燃油喷射策略的基础. 采用直流110V高压驱动有助于保证电磁阀的高速响应特性.本文基于斩波升压电源的工作原理,开发了高性能的非隔离DC-DC升压型变换器,将直流24V升压到110V.并对Boost变换器驱动共轨式喷油器时的动态工作特性进行了创新性的研究. 本文创新提出并设计了调制多脉冲燃油喷射的电控开发系统.开发系统基于PC机丰富的硬件和软件资源,以中断控制技术为核心,通过软件的层次化设计和控制信号的逻辑合成,实现了对多脉冲喷射定时、脉冲喷射次数、控制脉宽和脉冲间隔的独立灵活地调制. 在电控开发系统的基础上,进行了典型喷油模式的调制.基于对组织HCCI燃烧过程的认识,设计并实现了如下四种典型喷油模式,交错式(SM)、驼峰式(HM)、递增式(PIM)和均衡式(EM)喷油模式,并开展了基于调制喷油模式的预混燃烧机理的研究.研究结果发现,通过调制喷油模式可以实现对预混燃烧着火速率和燃烧速率的控制.可以有多种喷油模式组织的预混燃烧实现接近于零的NO<,x>和碳烟排放.但为了获得更高的HCCI燃烧的功率输出,喷油模式需要仔细地调制,多脉冲喷射次数、脉冲喷油量、脉冲喷油比例和喷油间隔是喷油模式调制的关键控制参数. 在拓展柴油HCCI燃烧工况的研究中,不同发动机转速1400、1600和1800rpm下,基于调制喷油模式的预混燃烧仍具有极低的NO<,x>和碳烟排放.随着发动机转速升高,预混燃烧NO<,x>排放轻微的恶化,预混合气可能出现较大的分层现象.此时调制的喷油模式,其后期脉冲喷油量应递减且减少单次喷油量.在高转速(如1800rpm)下,进气压力和喷油定时等参数对预混燃烧的影响减弱,喷油模式的调制更关键.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2柴油HCCI技术发展面临的问题

1.3柴油为燃料的HCCI发动机技术发展

1.3.1缸外预混合柴油HCCI

1.3.2缸内早喷柴油HCCI

1.3.3缸内晚喷柴油HCCI

1.4本课题的研究意义和内容

第二章调制多脉冲燃油喷射控制柴油HCCI研究方案

2.1柴油HCCI研究的总体方案

2.1.1研究方案的提出

2.1.2基于调制多脉冲喷射的预混燃烧基本方案

2.2单缸柴油HCCI发动机实验系统

2.2.1单缸实验发动机的改造

2.2.2高压共轨系统

2.3 FIRCRI共轨喷油系统响应特性的仿真研究

2.3.1系统仿真简图

2.3.2无量纲参数的定义

2.3.3响应时间的定义

2.3.4系统仿真结果及分析

2.4基于微机的多脉冲复合喷射电控系统

2.4.1电控系统的硬件设计

2.4.2电控系统的软件设计

2.5本章小结

第三章高压共轨系统中升压型变换器的研究与开发

3.1 DC-DC变换器的设计方案

3.1.1喷油器电磁阀驱动电路对DC-DC变换器的要求

3.1.2 Boost变换器电路的工作原理

3.1.3 Boost变换器电路的工作模式

3.2 Boost变换器主电路的设计与研究

3.2.1电流型PWM控制器

3.2.2控制电路PWM占空比和工作频率的计算

3.2.3双环控制策略的研究

3.2.4双环控制系统的电路设计

3.2.5斜坡补偿电路的设计

3.3 Boost变换器主要元件选择及参数计算

3.3.1功率NMOS管驱动电路及散热设计

3.3.2储能电感器的设计及计算

3.3.3续流二极管与储能电容的选择

3.4 Boost变换器工作过程的仿真研究

3.4.1表征升压电路的基本方程

3.4.2表征喷油器电磁阀响应特性的基本方程

3.4.3 Matlab仿真结果及分析

3.5 Boost变换器动态小信号分析

3.5.1 DC-DC变换器动态小信号状态方程

3.5.2 Boost变换器双环控制系统小信号等效处理

3.5.3等效的单环控制系统动态小信号分析

3.6 Boost变换器电路电磁兼容设计

3.6.1电路内部产生的干扰

3.6.2电路外部的干扰

3.7本章小结

第四章基于调制多脉冲喷油模式的预混燃烧机理研究

4.1单区放热模型

4.1.1单区放热模型的基本假设

4.1.2数学描述

4.1.3气缸容积约束方程

4.1.4传热量的计算

4.1.5燃烧过程相关评价参数的定义

4.2基于调制多脉冲喷射的预混燃烧过程研究概述

4.2.1本研究拟解决的问题

4.2.2基本研究方法

4.2.3基本实验方案

4.3典型喷油模式的调制

4.4基于调制喷油模式的预混燃烧试验结果及分析

4.4.1四次多脉冲喷射预混燃烧排放和热效率分析

4.4.2五次多脉冲喷射预混燃烧排放和热效率分析

4.4.3六次多脉冲喷射预混燃烧排放和热效率分析

4.5调制喷油模式的预混燃烧着火时刻和放热速率的控制

4.5.1多脉冲喷射定时对预混燃烧着火时刻和放热速率的影响

4.5.2喷油模式对预混燃烧着火时刻和放热速率的影响

4.6进气压力对调制喷油模式的预混燃烧过程的影响

4.6.1进气压力对四次多脉冲喷射预混燃烧过程的影响

4.6.2进气压力对五次多脉冲喷射预混燃烧过程的影响

4.6.3进气压力对六次多脉冲喷射预混燃烧过程的影响

4.7多脉冲喷射次数对调制喷油模式预混燃烧过程的影响

4.7.1多脉冲喷射次数对驼峰式喷油模式预混燃烧的影响

4.7.2多脉冲喷射次数对递增式喷油模式预混燃烧的影响

4.7.3多脉冲喷射次数对均衡式喷油模式预混燃烧的影响

4.8本章小结

第五章基于调制喷油模式的预混燃烧工况拓展的研究

5.1基本实验方案

5.2基于调制喷油模式的预混燃烧工况拓展时试验结果及分析

5.2.1工况拓展时调制喷油模式的预混燃烧排放和热效率分析

5.2.2进气压力对不同转速时预混燃烧过程的影响

5.3工况拓展时预混燃烧过程的放热规律分析

5.4本章小结

第六章全文总结

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢