瞬变工况下车用发动机能量流的检测与分析

发布时间：2020-07-13 06:16

【摘要】：能源危机和环境污染是威胁人类生存发展的两大难题。作为在动力工程领域应用最广的热机之一,内燃机不仅消耗众多化石燃料,而且还产生大量有害污染物,因此内燃机节能减排势在必行。能量流分析法能够揭示各能量平衡项在内燃机不同子系统中的分布规律,评估不同控制策略和附件布置下的内燃机性能表现,有助于针对性改善各子系统的结构和运行参数,对稳态和瞬态工况下内燃机能量平衡系统的精益管控具有重要意义。本文采用MAP扫描试验方法,对一台增压直喷汽油机开展了基于冷却液温度的台架稳态能量流研究,分析了冷却液温度对发动机经济性能和缸内燃烧过程的影响,建立了有效功、冷却液损失、排气损失和未计入损失的能量流平衡系统。并利用本团队开发的一种车用内燃机瞬变过程中多项运行及性能参数连续性检测方法,对一辆搭载该汽油机的整车开展了新欧洲测试循环(NEDC)下冷热启动的能量流试验,基于瞬态工况下发动机运行及性能数据的同步耦合,揭示了NEDC工况下冷热启动时整车能量流的变化规律与分布特性。在此基础上,对比研究了发动机稳态和瞬态性能之间的差异与影响因素。主要研究内容和结果如下:(1)建立了稳态工况下发动机能量流热力学模型,研究了冷却液温度对发动机性能参数的影响及各能量平衡项随发动机运行参数的变化趋势:小负荷时,随着冷却液温度的升高,比油耗略有下降;有效功占比和排气损失占比随负荷的增大而增大;除去外特性点,随着负荷的增大,冷却液损失百分比和未计入损失百分比下降,排气损失百分比和有效功百分比上升。(2)提出了瞬态工况下各形式能量流的计算方法,结合整车与发动机的运行参数,揭示了NEDC工况下冷热启动时发动机的有效输出功率、排气损失、冷却液损失及泵气损失能量流的分布特性及其变化规律,梳理了各形式能量流的主要影响因素:车辆运行工况对各能量平衡项的分布有显著影响;NEDC循环初期,冷启动的燃油质量流量比热启动高,有效热效率低于热启动;排气损失百分比主要取决于排气温度。(3)将所测的冷热启动时发动机的标定参数、燃烧特征参数及排放性能参数与台架稳态值进行对比分析,揭示了冷启动和热启动、稳态和瞬态性能水平的差异程度及优化潜力:过晚的点火正时导致50%燃烧点位置靠后和较低的有效膨胀比,加之过稀的混合气不利于火焰发展和稳定燃烧,使样机冷启动的油耗高于热启动;低的冷却液温度仅是次要因素;提高瞬态标定水平,优化整车运行工况下缸内燃烧相位才是保证冷启动性能的关键。研究结果揭示了冷却液温度对发动机性能的影响和台架稳态及整车瞬态运行工况下的能量流分布特性,并结合稳态与瞬态工况下标定参数与性能参数的差异性分析,为改善瞬态工况下发动机能量使用效率提供了理论和数据支撑,为瞬变工况下发动机的性能优化指明了方向,对提高整车燃油利用率及降低整车排放具有重要意义。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U464
【图文】：

浓度分布,主要国家,一次能源,百分比

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 20160年份图 1.2 主要国家及地区消耗的一次能源占全球百分比外，人类还面临着诸多的环境问题，如大气污染、全球气候变暖等。图 2014 年主要国家和地区对流层 NO2浓度分布。NO2是形成酸雨和光化主要物质之一，对臭氧层有强烈的破坏作用，主要由化石燃料燃烧产生要影响欧洲和东亚[3]。元化、清洁化及高效化，是能源生产和消费的理想标准。我国大力提倡境和能源三者的可持续发展，提高能源利用效率，清洁利用能源。

浓度分布,主要国家,交通运输业,二氧化氮

45% 46% 46% 46% 46% 46% 47%47% 47% 47% 47% 48%21% 21% 20% 20% 19% 19% 18% 17% 18% 18% 17% 17%14% 13% 13% 12% 12% 12%2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 20160204060占全球一次性能源消耗总量百年份图 1.2 主要国家及地区消耗的一次能源占全球百分比此外，人类还面临着诸多的环境问题，如大气污染、全球气候变暖等。图 1.3给出了 2014 年主要国家和地区对流层 NO2浓度分布。NO2是形成酸雨和光化学烟雾的主要物质之一，对臭氧层有强烈的破坏作用，主要由化石燃料燃烧产生，并且主要影响欧洲和东亚[3]。多元化、清洁化及高效化，是能源生产和消费的理想标准。我国大力提倡经济、环境和能源三者的可持续发展，提高能源利用效率，清洁利用能源。

分布情况,能量流,汽油车,工况

瞬变工况下车用发动机能量流的检测与分析AP 图，结果表明：排气能量中余热能占比最高，余压能次之，余动能几乎可以略不计；余热能的脉动性较小，余压能与余动能的脉动性较大；高转速大负荷，排气能量回收潜力大。刘敬平等[36]对一台涡轮增压直喷汽油机进行了热平衡平衡试验，揭示了各种形式能量流和流分布特性，提出了改善发动机能量用效率的途径。结果表明：各种形式能量流占比随工况波动明显；约有 50%的料能量散失在废热中；不可逆损占比最大，是限制发动机效率的主要因素。尽管关于内燃机能量平衡方面的工作早已开展，但重点仍是稳态工况，且很兼顾燃烧和排放，瞬变工况下冷热机的对比研究更是极少。.3 论文的研究内容和意义图 1.4 描绘了一台汽油车在实际道路工况下的能量流分布情况。

【参考文献】