涡轮增压和废气再循环耦合的HSDI柴油机清洁燃烧机理研究

【摘要】：现代高速直喷(High Speed Direct Injection,简称HSDI)柴油机是乘用车节能减排最有效的技术之一。HSDI柴油发动机兼备传统柴油机和汽油机的卓越性能：油耗低、低转速高扭矩和升功率大等优点。随着节能和减排问题的日益突出,国内多数汽车企业已经把节能减排的“重担”落在HSDI柴油机上。然而,柴油机传统燃烧方式的燃烧路径经过了T-φ图中的碳烟和NOx易生成区,造成碳烟和NOx缸内源排放较高,达到欧Ⅳ和欧V排放标准需要采用复杂的后处理系统。因此,探索可行的清洁高效的燃烧系统,减轻后处理系统的负担和降低后处理系统成本已成为世界柴油动力汽车发展的当务之急。 为了实现HSDI柴油机清洁燃烧,使缸内NOx源排放量达到欧V标准,同时尽可能地降低碳烟的排放量,本文通过仿真与试验相结合的方法,探索了HSDI柴油机通过增压后缸内引入大量冷却EGR实现稀释低温清洁燃烧相关技术路线和优化方法,包括增压技术和EGR控制技术。重点分析了EGR率和喷油规律等参数对缸内喷雾燃烧过程的机理和品质特性。论文研究的主要内容及创新性有以下几方面： 1)分析HSDI柴油机原机(采用单级VGT增压方式)的源排放特性,然后利用整车动力学仿真平台(GT-drive)将原机搭载于某轿车上进行NEDC和FTP75道路循环仿真分析,了解该发动机在这两个典型道路循环行驶工况下的工作区域以及对应工作区域的排放特性。分析结果得知HSDI柴油机应重点改善中低转速中低负荷的排放特性,同时为后期研究稀释低温清洁燃烧发动机工况点的选取提供重要依据。 2)通过反求方法建立了EGR率对增压压力的变化关系式和HSDI柴油机性能仿真模型,得到了多工况点最优VGT开度以及相应的EGR率。研究结果表明,对单级增压而言,增压压力随EGR率增加而增大,当EGR率增加到50%时,增压压力应达0.4MPa以上；对于两级增压而言,两级增压器分担的增压比相等,将造成大部分工作点处于压气机的低效区,不利于提高发动机的燃油经济性；增压压力压比分配应一级大一级小,有利于提高增压系统的效率和整机的燃油经济性。 3)针对内燃机各缸新鲜空气进入量和EGR量不均匀性带来的各种问题,建立了发动机稳态和瞬态进气过程1D3D耦合仿真平台。利用该平台,研究分析了发动机稳定工况和多种变工况下新鲜空气和EGR的各缸均匀性,包括变工况过程中不同气缸同类气道的进气流量均匀性,以及各缸进气量大小的变化规律。此外,还研究了变工况过程中喷油量变化结束后,进气总量、新鲜空气、EGR、空燃比和BMEP的变化规律,以及趋于稳定的响应时间和响应特性。提出了一种EGR和新鲜空气各缸平衡快速响应的控制方法,该方法获得一项国家发明专利。通过建立该分析手段可以更好地分析和优化各缸的进气均匀性和响应特性,为了解发动机瞬态行为提供了重要的监测和分析手段,也为保证每一缸每一循环实现高效清洁燃烧提供重要的技术保障。 4)建立了稀释低温清洁燃烧仿真研究Kiva-3V平台,包括复杂几何结构拓扑方法,六面体结构网格生成技术。基于Kiva-3V仿真优化平台研究了常规燃烧方式(EGR率为0时)燃油喷射系统对喷雾和燃烧过程的影响,确定了喷嘴的最优几何参数。研究结果表明,过多的喷孔数不利于喷雾和燃烧的改善；油束夹角较小,NOx和碳烟排放升高；喷嘴凸出高度应与燃烧室深度及喷射夹角匹配合理。为了便于数据的快速处理和分析,评价分析发动机各项性能参数,课题开展过程中开发了一套“发动机性能评价数据库及数据自动化处理软件”,并获得了软件著作权。 5)针对HSDI柴油机中等转速中等负荷工况点(RPM=2500r/min BMEP=0.9MPa),利用仿真分析手段和实验验证相结合的方法研究了喷油规律、EGR率、过量空气系数、喷油定时、进气温度和涡流比等参数对高EGR率下喷雾燃烧过程的影响,并揭示NOx、碳烟和CO生成的环境和机理,分析各参数的变化对滞燃期、放热率峰值和排放污染物的变化趋势。通过多参数的耦合优化,得到改善燃烧过程,降低有害排放的参数技术路线,为后期标定该发动机实现欧V排放标准起到指导作用。 最后,通过实验验证了Kiva-3V仿真平台的可靠性,认为该仿真平台能很好的预测缸内喷雾燃烧过程以及排放污染物的生成量。该仿真研究平台不仅可作为发动机燃烧系统的有利开发工具,还可为制定EGR率和增压压力控制策略提供重要的分析手段,获得更多重要信息,为开发清洁低温燃烧系统提出优化方法和提出技术路线。 【关键词】：HSDI 柴油机 清洁燃烧 耦合 废气再循环 涡轮增压 仿真 Kiva-3V GT-Power
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK421
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 插图索引14-19
• 插表索引19-20
• 第1章 绪论20-44
• 1.1 研究背景20-28
• 1.1.1 车用柴油机发展现状20-22
• 1.1.2 柴油车的优势22-24
• 1.1.3 节能减排政策和法规导向24-28
• 1.2 柴油机传统燃烧方式28-30
• 1.3 柴油机清洁高效燃烧方式30-35
• 1.3.1 均质混合气压缩点火(HCCI)燃烧方式31-32
• 1.3.2 预混充量压缩点火(PCCI)燃烧方式32-33
• 1.3.3 EGR稀释低温清洁燃烧(DLTCC)方式33-34
• 1.3.4 反应受控压缩点火(RCCI)燃烧方式34-35
• 1.4 清洁高效柴油机关键技术介绍35-38
• 1.4.1 电控高压共轨技术35
• 1.4.2 涡轮增压中冷技术35-36
• 1.4.3 废气再循环及中冷技术36-37
• 1.4.4 各缸平衡控制技术37
• 1.4.5 先进燃烧室设计37
• 1.4.6 燃料改进37-38
• 1.5 研究思路与主要研究内容38-42
• 1.5.1 问题提出38-40
• 1.5.2 研究思路及内容40-42
• 1.6 课题来源42
• 1.7 课题研究的意义42-44
• 第2章 研究平台的建立与应用44-70
• 2.1 本章引言44
• 2.2 实验平台搭建44-46
• 2.2.1 HSDI柴油机基本参数介绍44-45
• 2.2.2 试验装置及测试设备介绍45-46
• 2.3 仿真平台的应用及开发46-66
• 2.3.1 一维气体动力学软件的应用48-55
• 2.3.2 一维三维联合仿真平台的建立及应用55-56
• 2.3.3 Kiva-3V程序开发及应用56-65
• 2.3.4 其他软件平台的应用65
• 2.3.5 数据自动化处理及标准化软件的开发及应用65-66
• 2.4 原HSDI柴油机排放特性分析66-69
• 2.4.1 商用车柴油机排放法规测试方法介绍66
• 2.4.2 轻型车(乘用车)排放法规测试方法介绍66-67
• 2.4.3 单级增压HSDI柴油机/车排放特性工况分析67-69
• 2.5 本章小结69-70
• 第3章 增压系统的选型匹配及可行性研究70-97
• 3.1 本章引言70
• 3.2 不同可变增压方式的对比70-73
• 3.3 动力性与EGR率和增压压力的理论关系73-76
• 3.4 单级VGT增压系统匹配优化研究76-90
• 3.4.1 增压器选型试验76
• 3.4.2 HSDI发动机仿真模型标定76-79
• 3.4.3 多工况点EGR率匹配优化研究79-90
• 3.5 低温清洁燃烧单级增压可行性研究90-93
• 3.5.1 高压EGR引入方式增压器选型研究91-92
• 3.5.2 低压EGR引入方式增压器选型研究92-93
• 3.6 低温清洁燃烧两级增压可行性研究93-96
• 3.7 本章小结96-97
• 第4章 基于1D&3D耦合进气过程瞬态分析97-122
• 4.1 本章引言97-98
• 4.2 耦合模型创建98-101
• 4.2.1 1D耦合模型创建98-99
• 4.2.2 3D耦合模型创建99-101
• 4.3 稳态工况进气过程分析101-103
• 4.4 同转速变负荷瞬态过程分析103-112
• 4.4.1 同转速小负荷到大负荷瞬态分析103-108
• 4.4.2 同转速大负荷到小负荷瞬态分析108-112
• 4.5 变转速变负荷瞬态过程分析112-120
• 4.5.1 不同转速小负荷到大负荷瞬态分析112-117
• 4.5.2 不同转速大负荷到小负荷瞬态分析117-120
• 4.6 本章小结120-122
• 第5章 燃油喷射系统几何参数的优化匹配研究122-146
• 5.1 本章引言122-123
• 5.2 仿真模型创建123-127
• 5.2.1 网格划分及模型介绍123-124
• 5.2.2 计算模型标定124-127
• 5.3 喷孔数对燃烧的影响研究127-137
• 5.3.1 不同喷孔数总有效流通面积相等对燃烧的影响分析128-134
• 5.3.2 不同喷孔数单喷孔流通面积相等对燃烧的影响分析134-137
• 5.4 不同油束夹角对燃烧的影响研究137-140
• 5.5 不同油嘴凸出高度对燃烧的影响研究140-144
• 5.6 本章小结144-146
• 第6章 低温清洁燃烧仿真及试验研究146-184
• 6.1 本章引言146-147
• 6.2 缸内组分分析及燃烧评价方法147-152
• 6.2.1 缸内气体组分分析147-151
• 6.2.2 燃烧过程评价方法151-152
• 6.3 喷油规律对燃烧的影响分析152-157
• 6.3.1 多次喷射对燃烧的影响分析152-155
• 6.3.2 相同初始状态不同预喷油量对燃烧的影响分析155-157
• 6.4 EGR率及过量空气系数对燃烧的影响分析157-170
• 6.4.1 相同进气量不同EGR率对燃烧的影响157-161
• 6.4.2 相同EGR率不同过量空气系数对燃烧的影响分析161-164
• 6.4.3 相同过量空气系数不同EGR率对燃烧的影响分析164-170
• 6.5 喷油定时及进气温度对燃烧的影响分析170-176
• 6.5.1 喷油定时对燃烧的影响分析170-173
• 6.5.2 进气温度对燃烧的影响分析173-176
• 6.6 喷孔数及涡流比对燃烧的影响分析176-180
• 6.6.1 相同涡流比不同喷孔数对燃烧的影响分析176-178
• 6.6.2 多参数耦合对燃烧的影响分析178-180
• 6.7 试验验证180-182
• 6.8 本章小结182-184
• 第7章 总结与展望184-187
• 7.1 全文总结184-186
• 7.2 研究展望186-187
• 参考文献187-197
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文及专利197-198
• 附录B 攻读博士学位期间参与的课题198-199
• 致谢199

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