复合喷射汽油机热平衡和（火用）平衡试验研究

发布时间：2020-05-14 03:49

【摘要】：近年来,随着全球能源日益紧张,节能问题引起了普遍关注。由于内燃机占据着化石燃料消耗量的很大一部分,因此有必要在内燃机的开发和分析中采用一些新技术和新方法来降低能耗。复合喷射技术作为一种新近发展起来的技术,综合了进气道喷射和缸内直喷的优点,具有较好的工作性能,是未来内燃机发展的一个趋势。氢气作为一种理想的替代燃料,具有来源广泛、可再生等诸多优点,而且其独特的性质对于提高发动机动力性、经济性以及降低污染物排放,具有较高的应用潜力。在热力学研究领域,综合了热力学第一、二定律的热力学分析方法是一种科学全面的分析思路,因为其不仅考虑了能量转换时“量”之间的关系,还从“质”的方面进行了深入地分析。本研究在一台复合喷射发动机的硬件基础上,结合掺氢技术,并综合热力学第一、二定律分析方法,对比分析了掺混比、转速、负荷和过量空气系数等因素对复合喷射汽油机热平衡及（火用）平衡的影响。根据“外界分析法”,将发动机建立一个控制体,构建发动机热平衡及（火用）平衡模型。根据发动机热和（火用）平衡模型,建立热和（火用）平衡能量方程。在误差尽可能小的情况下选用一些经验或半经验公式进行能量方程的分项计算,完成能量方程的求解。最后对计算结果进行分析,主要研究结论如下:1)在选定工况条件下,冷却水带走的热量占据了燃烧产生的大部分热量,排气和有效功所占的热量比例大致相同,不可计余项损失最少。由于氢气和汽油理化性质的不同,随着掺混比的增大,GDI模式与HDI模式各个部分热量占比变化趋势基本相反。2)发动机转速对排气热量和冷却水热量比例有着较大的影响,但是有效热效率对转速的变化不敏感。随着转速升高,GDI模式与HDI模式的冷却水热量占比变化趋势不同。负荷因素对两种模式的影响趋势完全相同,负荷因素在能量分配中起到了主导作用,燃料差别的作用被掩盖。3)总体来看,随着过量空气系数的增大,两种模式的变化趋势基本相同:有效功比例呈下降趋势,排气热量比例逐渐降低,但是冷却水热量占比和余项损失都呈逐步上升的趋势。4)同样的工况下,热力学第一、二定律的分析结果有很大的不同。在热平衡分析中,冷却水的能量占比最大,而在（火用）平衡分析中,冷却水的能量占比却是最少的,（火用）损比例占据了总能量的一半以上。5)GDI模式下,排气（火用）比例随着掺混比的增加而逐渐上升,有效功比例下降,冷却水（火用）和（火用）损比例对掺混比变化不敏感。在变化趋势方面,（火用）平衡与热平衡的分析结果大致相同。HDI模式和GDI模式（火用）数值上差别不大,但变化趋势并不相同。HDI模式下,热平衡与（火用）平衡的区别在于排气比例随掺混比的变化趋势不同。6)GDI模式下,排气（火用）比例随着转速的升高而增大,冷却水（火用）占比降低,有效功比例对转速变化不敏感,（火用）损比例有所下降。HDI模式下,除冷却水外,其余三项变化趋势与GDI模式基本一致。两种模式（火用）平衡随负荷变化趋势基本一致:随着负荷的升高,排气（火用）比例逐渐上升,冷却水（火用）比例下降,有效功增幅明显,（火用）损比例下降幅度较大。7)（火用）平衡分析中,GDI模式和HDI模式有效功比例随过量空气系数的变化趋势与热平衡分析基本一致,由于计算方式的差别导致数值上略有不同。相较于热平衡结果,由于能量数量和品质双双下降,排气（火用）比例的下降趋势更为明显。冷却水（火用）比例皆随之减少,与热平衡的分析结果截然相反。两种模式（火用）损变化趋势相同,都呈现逐渐上升的趋势。
【图文】：

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图 2.1 台架试验原理图如上图所示，发动机控制单元为整套 dSPACE 硬件在环测控系统，用于实现信号的采集和处理，以及实现发动机点火、喷油、节气门开度等基本发动机控制逻辑。燃烧仪与缸压传感器相配合，采集缸内燃烧数据。测功机与发动机曲轴前端相连，用以对机加载负荷。进气流量传感器、进气温度/压力传感器、排气温度传感器和 Lambda 传等用于发动机进排气温度、压力、流量、空燃比等参数的测量。尾气分析仪用于分析成分，，确定排气组分，为后续计算部分提供数据。燃料供给系统分为三个部分，分别FI、GDI 和 HDI 子系统。在 PFI 子系统，油箱集成了燃油泵，负责提供压力为 0.38M低压燃油，油耗仪负责计量燃油消耗量。在 GDI 部分，高压氮气瓶的作用是为高压油燃油加压，形成高压燃油供给直喷系统。HDI 部分，高压氢气瓶存储高压氢气，经减调压后生成适当压力的氢气喷入气缸，电磁阀用于在紧急情况下及时切断氢气供给，危险情况发生。GDI 与 HDI 燃料供给系统共用一套缸内直喷系统，通过转换接头可以切换燃料供给模式。在循环水路部分，涡轮流量计和进、出水温度传感器用于发动机

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前两章的基础上，继续对能量平衡（热平衡和平衡）的主要包括研究体系的确定、计算模型的选取以及对排气成系统的建立模型建立在研究系统热平衡过程中，首先要明确体系的边界、分割和能量。具体到发动机系统，根据陈贵堂先生提出的“外动机建立一个控制体，进入系统的物质和能量包括：进气的化学能，流出系统的物质和能量包括：曲轴输出有效功失），冷却水及其带的走能量（冷却损失），不完全燃烧项损失。此时发动机系统能量流如图 3.1 所示。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK417

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