VNT与EGR耦合对不同大气压力下车用柴油机性能与排放的研究

发布时间：2018-04-03 03:33

本文选题：高压共轨　切入点：柴油机　出处：《昆明理工大学》2017年博士论文

【摘要】：高原地区较低的大气环境压力给柴油机带来诸多不利影响,如动力性下降、经济性恶化、部分污染物排放增加以及可靠性下降等问题。过去针对高原地区运行的柴油机,研究重点是解决柴油机的可靠性与高原性能恢复。随着"轻型汽车污染物排放限制及测量方法(中国第六阶段)"的发布,其中规定了轻型汽车在不同海拔高度下必须满足相应的排放限值,使得运行在不同海拔下的内燃机污染物排放也受到了相应的重视与关注。传统的固定截面涡轮增压系统难以保证运行在不同海拔下柴油机的进气需求,并且在高海拔地区还将导致严重的进排气逆差问题。排气再循环(EGR)技术的使用,使得这些问题更加突出,而采用可变喷嘴涡轮增压器(VNT)可以有效缓解上述问题。为了获得柴油机在不同海拔下运行时的良好特性,提出了 VNT与EGR耦合对不同大气压力下车用柴油机性能与排放的研究,进行了深入的理论分析与系统的试验研究。主要的工作集中在以下几个方面:(1)系统研究了 VNT对不同大气压力下高压共轨柴油机动力性、经济性、燃烧特性以及排放性能的影响关系。结果表明:在不同大气压力下,采用VNT可以提高柴油机的动力性与改善燃油经济性,并且随着海拔的升高,VNT对于燃油经济性的改善幅度越大。在高原地区的低速与高速工况,为了防止压气机喘振与超速现象的发生均不宜采用过小的VNT喷嘴环开度。在中小负荷工况下,NOx比排放随着VNT喷嘴环开度的增大或者大气压力的降低而升高;在高负荷与全负荷工况下,NOx比排放随着VNT喷嘴环开度的增大或者大气压力的降低而降低。在海拔较低的地区,较小的VNT喷嘴环开度可能导致中小负荷工况的CO比排放增加。在高原地区的不同负荷下,烟度排放随着VNT喷嘴环开度变化呈现出不同的变化趋势。(2)采用基于VNT的EGR驱动方式,试验研究了不同大气压力下基于VNT的EGR对柴油机动力性、经济性、燃烧性能以及排放的影响以及随大气压力变化的规律。研究表明:随着大气压力的升高,EGR率的容忍能力增强。基于VNT喷嘴环开度驱动EGR率的方式,进气流量与空燃比随EGR率的变化趋势与选取的VNT喷嘴环开度范围有关。EGR对柴油机性能的影响主要体现在空燃比的变化上。在不同的大气压力下,NOx比排放均随着EGR率的增大而降低;在EGR率相同时,随着大气压力的升高,NOx比排放升高,CO比排放降低。在高原地区的高速高负荷工况,采用基于VNT驱动的EGR方式,能够同时降低NOx与烟度排放。(3)基于响应曲面法,以响应曲面图的形式研究分析了不同大气压力下VNT与EGR耦合对柴油机关键性能参数的影响关系,结果表明:VNT与EGR耦合时,在不同的运行工况下,动力性和经济性表现出不同的变化趋势。在中低转速,在EGR阀开度关闭或者开度较小时,空燃比随着VNT喷嘴环开度的增大而降低;在EGR阀开度较大时,空燃比随着VNT喷嘴环开度增大的呈现相反的趋势。在高速时,无论EGR阀开度的如何变化,空燃比均随着VNT喷嘴环开度的增大而降低。在EGR阀关闭或者开度较小时,随着VNT喷嘴环开度的增大,NOx比排放降低,CO比排放升高;在EGR阀开度较大时,随着VNT喷嘴环开度的增大,NOx比排放升高,中低转速的CO比排放降低,而高速的CO比排放呈现相反的趋势。(4)针对运行在高原地区的高压共轨柴油机,为了解决VNT与EGR的耦合问题、缓解NOx与碳烟固有的此消彼长关系、折中燃油经济性与排放性能之间的矛盾,选取了对柴油机性能影响显著的标定变量,在保持原机动力性不变以及满足其耐久性约束与最低冒烟限制的条件下,利用支持向量机建模,遗传算法优化,在全工况范围内,进行了经济性与排放性能的多目标综合优化。结果表明:优化之后的标定变量MAP,保持了原机的动力性,并且满足耐久性约束与最低冒烟限制的条件;与原机相比,在选取的36个优化工况点,优化之后的燃油经济性略有改善,在不严重恶化烟度排放同时,NOx比排放平均降低52.92%。通过多目标优化方法,可以平衡高原地区柴油机面临动力性下降、经济性恶化、可靠性较差以及部分污染物排放较高的矛盾,能够实现高原地区车用柴油机良好的综合性能。
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【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U464.172

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