车用气体燃料发动机电控喷射系统的关键技术研究

发布时间：2020-03-20 22:18

【摘要】：气体燃料具有储量丰富且能清洁燃烧的优点,作为替代燃料可以有效解决内燃机有关节能环保的问题。本文以大功率气体燃料发动机电控喷射系统为研究对象,以提高空燃比控制精度、改善混合效果为总体目标,立足于系统方案设计,进气道、缸内混合过程研究,缸间平衡控制研究三大主要方面,分别利用三维计算流体力学软件FLUENT和发动机建模软件GT-POWER研究了不同喷射方案对进气道、缸内混合效果的影响规律以及缸间平衡控制。(1)首先规划了大功率气体燃料发动机电控喷射系统的总体设计方案。完成了对气体燃料电控喷射系统的需求分析,从空燃比控制精度、排放特性、实现难易程度等方面综合评估了缸内直喷、缸外多点喷射、缸外单点喷射三种供气方式,最终选定电控缸外多点喷射方案。(2)针对传统由电磁铁驱动的气体燃料喷射装置存在的喷射流量小、落座速度大、撞击噪音大等缺陷,并基于课题组研制的发电用大功率气体燃料发动机电控喷射装置,建立喷射装置稳态喷射特性的CFD仿真计算模型,提出有效喷射压力、喷射效率概念,从执行机构形状、开启方向等方面优化喷射装置结构,据此设计了使用动圈式电磁直线执行器和流闭型非金属盘型阀的车用大功率气体燃料发动机电控喷射装置,它可以实现采用电控多点顺序间歇供气方式定时定量地向发动机供给燃料。(3)阐明了缸外多点喷射方式下进气道内气体燃料射流与空气主流之间的横向紊动射流的基础理论,结合所涉及的壁面冲击射流理论,从湍流模型、壁面函数两个方面分析CFD瞬态计算横向紊动射流、壁面冲击射流的准确性,并搭建喷射流量测定试验台架验证网格无关性。为了定量地分析不同喷射条件对进气道、缸内掺混过程的影响规律,探讨了多种混合效果评价指标的优劣,最终使用气体燃料质量分数标准差以及缸内各浓度区间占比来评价进气道、缸内混合效果。(4)建立了耦合气体燃料电控喷射装置运动、进排气门运动、活塞运动的缸外多点喷射气体燃料发动机瞬态CFD计算模型,研究执行机构开启方向、喷射角度、喷射位置等因素对进气道内横向紊动射流掺混过程、缸内掺混效果的影响。结果表明,流闭型喷射装置相对于流开型具有较高的喷射动量,进气道、缸内混合效果较好;流向涡激励机构有利于改善射流径向的混合,而在横向紊动射流中,流向涡激励机构因为导致核心区缩短,反而导致混合效果不佳;高喷射角度条件下,因为尾迹波等不稳定因素影响增强,进气道内的掺混过程沿进气道轴向呈现周期变化规律;进气过程在缸盖附近产生了干涉涡流,对于螺旋气道喷射方案,气体燃料向气缸中心靠近,压缩末了时刻气体燃料集中在缸盖附近,而切向气道喷射方案,气体燃料冲向活塞顶,最终气体燃料集中在活塞顶附近。(5)为满足气体燃料发动机各缸空燃比精确控制的要求,在对称排气歧管发动机各缸空燃比Kalman状态观测器基础上,设计了非对称排气歧管的系数矩阵时变Kalman状态观测器。通过监测排气汇合点处的空燃比变化情况估计各缸空燃比不平衡信息,最后依据所得各缸空燃比来实时控制喷射脉宽,实现缸间空燃比平衡控制。
【图文】：

天然气消费,中国天然气,汽车保有量,数据显示

经超过２３００万辆⑶。根据国际能源署（ＩＥＡ）估计，未来天然气汽车的市场占比将进一逡逑步提高，并且一直保持１０％左右的增幅直到２０５０年ｗ。截止２０１４年，，中国己经拥有超逡逑过４５０万辆天然气汽车，如图１．１所示，占世界天然气汽车保有量的２１．７％；中国天然逡逑气加气站由２０１２年的２７８４个增加到２０１６年的７９５０个，占全球总数的２７．６％丨５］。逡逑５邋逦邋５％逡逑■■Ｉ邋ＬＮＧ汽车逡逑４邋－邋■邋ＣＮＧ邋汽车逦Ｉ．邋４％邋＾逡逑＾逦一■—邋ＮＧ汽车年增长率逦｜逡逑ｆｍ逦＆■■神２逡逑ｒ－逦杝１逡逑２０００逦２００２逦２００４逦２００６逦２００８逦２０１０逦２０１２逦２０１４逡逑图１．１中国天然气汽车保有量逡逑数据显示，２０００年中国的天然气消费量为２４５亿立方米，２０１４年达到１８００亿立方逡逑米，年均增速高达１６％以上，远远高于同期能源消费总量的增速（７．６％）。而国内产量逡逑难以满足天然气消费量的高速增长，对外依存度不断攀升，２０１４年达到３２．２％１６］。据预逡逑测，２０２０年我国进口石油依存度将在６０°／。以上，与美国２００３年的５８％相当。而美国能逡逑源自给率从２００５年的７０％上升到２０１３年的８７％，原油对外依存度从２００５年的６６％下逡逑１逡逑

示意图,马来亚,工业大学,天津大学

增加了电子控制模块、氧传感器、燃料控制步进电机等，对空燃比进行闭环控制，逡逑代表机型有美国Ｃａｔｅｒｐｉｌｌａｒ公司的ｃａｔｅｒｐｉｌｌａｒ邋３２０８柴油／天然气双燃料发动机［１６］。电控系逡逑统示意图如图１．３所示，整个系统由天然气供给系统、引燃柴油供给系统和电控单元逡逑（ＥＣＵ）三个部分构成。ＥＣＵ通过传感器测定发动机的一系列参数，确定发动机的运行逡逑工况，据此控制油泵调节齿杆执行器和天然气流量控制阀的位置，调整天然气、引燃柴逡逑油的喷射时刻和喷射量。在满负荷条件下双燃料工作模式相对于全柴油工作模式ＰＭ排逡逑放量少９０％，而在低负荷条件下两者的差别较小，ＰＭ排放量与参与燃烧的柴油量有着逡逑很大的关联１１７］。逡逑国内胜利油田管理局机械厂［１８］自行研制了煤层气发动机电控混合器，发动机实时监逡逑控燃烧状况，由ＥＣＵ发出指令，执行器运动改变空气与煤层气通道面积，实现调节空逡逑４逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U464

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