米勒循环对生物柴油发动机排放的控制与优化

发布时间：2020-04-06 03:59

【摘要】：能源危机和环境污染两大问题日益显著,生物柴油作为一种可再生、环境友好型燃料成为各国研究的热门课题。同时,近年来地沟油重返餐桌的现象屡见不鲜,对人体健康带来极大的危害。发展地沟油生物柴油产业不仅是保证国家能源安全、减少排放污染的有效手段,更是将地沟油变废为宝的有效途径。本文以4JB1型柴油机为研究对象,分析不同体积比的地沟油生物柴油和纯柴油掺烧对柴油机动力性、经济性和排放性的影响。研究发现,燃用混合燃料出现扭矩恶化、NO_x排放大幅增加的问题,为保证扭矩不受影响,本文选用体积比为30%的混合燃料(简称B30)进行研究,选择提前关闭进气门实现米勒循环,在扭矩基本不变的情况下对生物柴油发动机排放进行控制和优化。首先,将变气门重叠角和变凸轮型线两种米勒循环实现方式对原机带来的影响进行对比分析,选择变凸轮型线米勒循环方式与地沟油生物柴油相结合。经过计算分析得到高、中转速,不同负荷下燃用B30时NO_x和Soot排放与纯柴油排放相当时所对应的进气门提前关闭角度。由于低转速下控制效果不理想,故将可变涡轮截面增压器(VGT)与米勒循环相结合,利用DOE试验设计与遗传算法实现多目标优化。研究表明:(1)在不对柴油机结构进行调整的前提下,建议燃用体积比在40%以内的混合燃料,发动机燃用B40时最大扭矩点扭矩降低6.2%,NO_x排放浓度增加27.7%,Soot排放浓度降低40%,燃油消耗率在25%负荷下增长率最高达到12.7%。(2)原机最大扭矩工况点下,两种米勒循环随进气门提前关闭角的增加,性能变化趋势基本一致,相比之下变气门重叠角米勒循环变化速率更加明显。在进气门提前关闭角度为60°CA时,变气门重叠角米勒循环扭矩开始恶化,此时变气门重叠角米勒循环和变凸轮型线米勒循环NO_x浓度降低分别降低83.7%和51.2%。(3)在不影响扭矩的前提下,得到在中、高转速下燃用B30混合燃料NO_x排放和Soot排放与燃用纯柴油排放相当的时所对应的进气门提前关闭角度。(4)在低速100%和50%负荷时燃用B30,进气门提前关闭角分别为98°CA和85°CA,VGT阀门开度分别为0.25和0.16时,多目标优化目标函数值最优,此时NO_x分别比优化前降低23.17%和8.2%。虽然Soot排放有所上升,但与燃用纯柴油的Soot排放相当。
【图文】：

三维图,丰田公司

改变凸轮轴与曲轴之间的相对角度，该机构不可改变气门升程曲线的形状仅能够实现升程曲线的平移[35]。例如丰田公司开发的进气道可变气门正时系统（VVT-i）运用的就是凸轮轴调节机构，在电子控制器（ECU）中存储了各个工况下的优化参数，发动机在工况改变后，ECU 会通过检测得到的转速和负荷查找该工况下对应的参数，调相机构会根据控制参数切换机油通道，使内外转子发生相对转动。其定时器结构如图 1-1 所示。外转子随着曲轴转动带动内转子转动，内转子与凸轮轴相连，内外转子相对位置的改变就能够实现凸轮型线相对于曲轴转角向前或向后平移。1.3.1.2 三维凸轮调节机构典型的三维凸轮调节机构是来自 Fiat 的可变气门正时机构[37]，如图 1-2 所示。三维凸轮沿凸轮轴方向的厚度较大，并且凸轮型线会沿着凸轮轴方向发生改变，通过液压机构使三维图论沿轴向移动，通过改变与可倾斜导板接触的凸轮型线，实现气门升程以及气门正时的变化。

三维图,凸轮机构

改变凸轮轴与曲轴之间的相对角度，该机构不可改变气门升程曲线的形状仅能够实现升程曲线的平移[35]。例如丰田公司开发的进气道可变气门正时系统（VVT-i）运用的就是凸轮轴调节机构，在电子控制器（ECU）中存储了各个工况下的优化参数，发动机在工况改变后，，ECU 会通过检测得到的转速和负荷查找该工况下对应的参数，调相机构会根据控制参数切换机油通道，使内外转子发生相对转动。其定时器结构如图 1-1 所示。外转子随着曲轴转动带动内转子转动，内转子与凸轮轴相连，内外转子相对位置的改变就能够实现凸轮型线相对于曲轴转角向前或向后平移。1.3.1.2 三维凸轮调节机构典型的三维凸轮调节机构是来自 Fiat 的可变气门正时机构[37]，如图 1-2 所示。三维凸轮沿凸轮轴方向的厚度较大，并且凸轮型线会沿着凸轮轴方向发生改变，通过液压机构使三维图论沿轴向移动，通过改变与可倾斜导板接触的凸轮型线，实现气门升程以及气门正时的变化。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK421.5

【参考文献】