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低温燃烧模式重载压燃发动机先进控制策略的优化研究

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  • 【题名】:低温燃烧模式重载压燃发动机先进控制策略的优化研究
  • 【年份】:2019
  • 【作者】:徐光甫
  • 【关键词】:低温燃烧模式  先进控制策略  遗传算法  负荷范围  排放和燃油经济性
  • 【摘要】:压燃式发动机具有热效率高、动力性强等优点,然而其传统的扩散燃烧模式往往会产生大量氮氧化物(NOx)和碳烟(soot)排放。当前,在能源短缺和环境污染的双重压力下,节能、减排成为当前内燃机发展的必然趋势。低温燃烧(LTC)模式的提出极大改善了传统压燃式发动机(或传统柴油机)的性能。但是,其在宽广负荷内稳定运行仍然存在挑战。本文基于两种典型的低温燃烧模式,即预混压燃(PCCI)和反应活性控制压燃(RCCI)模式,探究了可变气门正时(VVT)、可变压缩比(VCR)以及多次喷油等先进控制策略对于改善PCCI或RCCI发动机性能的潜力。借助遗传算法的优化计算,提出了全负荷工况范围内的高效、清洁以及可稳定运行的优化控制策略。全面探究了关键运行参数对于燃烧和排放特性的影响,并深入分析了不同策略之间的协同控制机制。基于热力学第一定律和第二定律开展了能量分析,揭示了运行参数对能量利用的影响规律。另外,基于LTC燃烧模式,针对不同负荷工况,对各控制策略进行了系统、全面的比较和评估。(1)以降低燃油消耗率、NOx和碳烟排放为目标,对柴油PCCI燃烧模式耦合VVT策略在不同负荷下进行了优化计算。优化结果表明,随着负荷增加,优化算例的选取范围缩小。低负荷时,优化策略中进气门关闭(IVC)时刻可在较大范围内变化;中、高负荷下,IVC时刻固定在-110 0℃A ATDC左右。对于喷油时刻(SOI),中、低负荷下应采用缸内早喷来提高缸内混合物的均匀度,高负荷下应采用上止点(TDC)后喷油以降低缸内最高压力和压力升高率。另外,随着负荷增加,应该增加进气压力并降低废气再循环(EGR)率,从而提供充足氧气实现完全燃烧。中、低负荷下,燃烧过程可认为是预混(或部分预混)压燃模式;高负荷下,燃烧过程切换为晚喷低温燃烧模式。(2)基于PCCI燃烧耦合VVT策略不同负荷下的优化结果,探究了各运行参数对燃烧、排放以及经济性的影响,并进一步探究了进气门晚关策略和进气增压的匹配,以及SOI与EGR的协同影响。当采用IVC晚关策略时,需配合较高的进气压力来提高燃油经济性,同时降低NOx和soot排放。通过扫描SOI和EGR率发现,中、低负荷下,当采用早喷策略时,需要配合较高的EGR率来控制NOx排放。高负荷下,为了避免爆震,SOI需推迟至上止点后,这在一定程度上也可降低EGR的使用量。另外,SOI过早会导致传热损失增加,过晚会导致排气损失增加。同时,EGR率过低会导致传热损失增加,过高会导致不完全燃烧增加。因此,SOI和EGR率的选取存在最佳区域。通过(?)分析发现,在保证进气量恒定的条件下,进气门晚关会导致(?)损失略有增加。此外,与低负荷和高负荷相比,中负荷的(?)损失最低。(3)对VVT策略在RCCI燃烧中的应用进行了进一步探究。通过优化计算发现,中、低负荷下,借助VVT策略,可以使柴油/汽油RCCI模式实现NOx排放的欧VI标准以及较低的soot排放。然而高负荷下,仅依靠缸内燃烧过程的优化难以同时满足较低的NOx和soot排放,至少需要配备一种后处理设备(SCR或者DPF)。对于燃油经济性,全负荷工况下均可满足EPA油耗法规。通过比较不同的控制策略发现,高预混比结合较早IVC时刻的策略在燃油经济性和soot排放方面展现了明显优势,而低预混比结合较晚IVC时刻的策略在控制RI方面更具有优势。另外,在全负荷范围内,进气门晚关均有助于降低NOx排放。为了解决RCCI燃烧结合VVT策略在高负荷下的排放问题,本文进一步引入了两次喷油策略,旨在提升高负荷下的性能表现。通过优化喷油参数发现,与单次喷油策略相比,两次喷油策略改善了直喷燃油与缸内充量的混合过程,从而降低了soot排放。同时,通过有效的控制燃烧相位和燃烧持续期,使RCCI燃烧在燃油经济性方面也略有提升。此外,通过分析目标值和变量参数的演变历程发现,两次喷油间隔较长的算例在优化过程中更具有竞争力,通过提前SOI1将一部分直喷柴油与缸内充量充分预混合,从而提高混合物均匀度,有利于降低soot排放,但是其比例受最高压力升高率(PPRR)的限制;通过推迟S0I2来避免过早着火,从而避免过高的NOx排放。(4)基于RCCI模式系统评估了VVT和VCR策略。通过比较发现,VCR策略对于降低RCCI发动机缸内最高爆发压力(pmax)的效果更加明显。在中、低负荷下,VCR策略和VVT策略均采用较高的预混比结合较早的喷油时刻以及较高的有效压缩比(ECR),使柴油/汽油RCCI模式满足NOx排放的欧VI标准的同时,保证较低的soot排放以及较高的燃油经济性。高负荷下,需要降低ECR来控制RCCI燃烧的PPRR和pmax。与VVT策略相比,VCR策略由于可以采用更低的ECR,为燃油早喷提供了条件,在满足PPRR和NOx排放限制的前提下,明显改善了RCCI燃烧高负荷下的soot排放和燃油经济性。对于VVT策略,ECR降低(推迟IVC)会导致充量系数明显降低,进气量不足,从而造成发动机失火。而VCR策略中,ECR降低(降低几何压缩比)时,充量系数不受影响。因此,VCR策略可采用相对更低的ECR,有利于满足PPRR和pmax限制。
  • 【会议名称】:博士
  • 【类别名称】:贾明
  • 【载体】:大连理工大学
  • 【会议地点】:2019
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