發(fā)布時間：2020-03-20 22:18

【摘要】：氣體燃料具有儲量豐富且能清潔燃燒的優(yōu)點,作為替代燃料可以有效解決內(nèi)燃機有關(guān)節(jié)能環(huán)保的問題。本文以大功率氣體燃料發(fā)動機電控噴射系統(tǒng)為研究對象,以提高空燃比控制精度、改善混合效果為總體目標,立足于系統(tǒng)方案設(shè)計,進氣道、缸內(nèi)混合過程研究,缸間平衡控制研究三大主要方面,分別利用三維計算流體力學(xué)軟件FLUENT和發(fā)動機建模軟件GT-POWER研究了不同噴射方案對進氣道、缸內(nèi)混合效果的影響規(guī)律以及缸間平衡控制。(1)首先規(guī)劃了大功率氣體燃料發(fā)動機電控噴射系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。完成了對氣體燃料電控噴射系統(tǒng)的需求分析,從空燃比控制精度、排放特性、實現(xiàn)難易程度等方面綜合評估了缸內(nèi)直噴、缸外多點噴射、缸外單點噴射三種供氣方式,最終選定電控缸外多點噴射方案。(2)針對傳統(tǒng)由電磁鐵驅(qū)動的氣體燃料噴射裝置存在的噴射流量小、落座速度大、撞擊噪音大等缺陷,并基于課題組研制的發(fā)電用大功率氣體燃料發(fā)動機電控噴射裝置,建立噴射裝置穩(wěn)態(tài)噴射特性的CFD仿真計算模型,提出有效噴射壓力、噴射效率概念,從執(zhí)行機構(gòu)形狀、開啟方向等方面優(yōu)化噴射裝置結(jié)構(gòu),據(jù)此設(shè)計了使用動圈式電磁直線執(zhí)行器和流閉型非金屬盤型閥的車用大功率氣體燃料發(fā)動機電控噴射裝置,它可以實現(xiàn)采用電控多點順序間歇供氣方式定時定量地向發(fā)動機供給燃料。(3)闡明了缸外多點噴射方式下進氣道內(nèi)氣體燃料射流與空氣主流之間的橫向紊動射流的基礎(chǔ)理論,結(jié)合所涉及的壁面沖擊射流理論,從湍流模型、壁面函數(shù)兩個方面分析CFD瞬態(tài)計算橫向紊動射流、壁面沖擊射流的準確性,并搭建噴射流量測定試驗臺架驗證網(wǎng)格無關(guān)性。為了定量地分析不同噴射條件對進氣道、缸內(nèi)摻混過程的影響規(guī)律,探討了多種混合效果評價指標的優(yōu)劣,最終使用氣體燃料質(zhì)量分數(shù)標準差以及缸內(nèi)各濃度區(qū)間占比來評價進氣道、缸內(nèi)混合效果。(4)建立了耦合氣體燃料電控噴射裝置運動、進排氣門運動、活塞運動的缸外多點噴射氣體燃料發(fā)動機瞬態(tài)CFD計算模型,研究執(zhí)行機構(gòu)開啟方向、噴射角度、噴射位置等因素對進氣道內(nèi)橫向紊動射流摻混過程、缸內(nèi)摻混效果的影響。結(jié)果表明,流閉型噴射裝置相對于流開型具有較高的噴射動量,進氣道、缸內(nèi)混合效果較好;流向渦激勵機構(gòu)有利于改善射流徑向的混合,而在橫向紊動射流中,流向渦激勵機構(gòu)因為導(dǎo)致核心區(qū)縮短,反而導(dǎo)致混合效果不佳;高噴射角度條件下,因為尾跡波等不穩(wěn)定因素影響增強,進氣道內(nèi)的摻混過程沿進氣道軸向呈現(xiàn)周期變化規(guī)律;進氣過程在缸蓋附近產(chǎn)生了干涉渦流,對于螺旋氣道噴射方案,氣體燃料向氣缸中心靠近,壓縮末了時刻氣體燃料集中在缸蓋附近,而切向氣道噴射方案,氣體燃料沖向活塞頂,最終氣體燃料集中在活塞頂附近。(5)為滿足氣體燃料發(fā)動機各缸空燃比精確控制的要求,在對稱排氣歧管發(fā)動機各缸空燃比Kalman狀態(tài)觀測器基礎(chǔ)上,設(shè)計了非對稱排氣歧管的系數(shù)矩陣時變Kalman狀態(tài)觀測器。通過監(jiān)測排氣匯合點處的空燃比變化情況估計各缸空燃比不平衡信息,最后依據(jù)所得各缸空燃比來實時控制噴射脈寬,實現(xiàn)缸間空燃比平衡控制。
【圖文】：

經(jīng)超過２３００萬輛⑶。根據(jù)國際能源署（ＩＥＡ）估計，未來天然氣汽車的市場占比將進一逡逑步提高，并且一直保持１０％左右的增幅直到２０５０年ｗ。截止２０１４年，，中國己經(jīng)擁有超逡逑過４５０萬輛天然氣汽車，如圖１．１所示，占世界天然氣汽車保有量的２１．７％；中國天然逡逑氣加氣站由２０１２年的２７８４個增加到２０１６年的７９５０個，占全球總數(shù)的２７．６％丨５］。逡逑５邋邐邋５％逡逑■■Ｉ邋ＬＮＧ汽車逡逑４邋－邋■邋ＣＮＧ邋汽車邐Ｉ．邋４％邋＾逡逑＾邐一■—邋ＮＧ汽車年增長率邐｜逡逑ｆｍ邐＆■■神２逡逑ｒ－邐杝１逡逑２０００邐２００２邐２００４邐２００６邐２００８邐２０１０邐２０１２邐２０１４逡逑圖１．１中國天然氣汽車保有量逡逑數(shù)據(jù)顯示，２０００年中國的天然氣消費量為２４５億立方米，２０１４年達到１８００億立方逡逑米，年均增速高達１６％以上，遠遠高于同期能源消費總量的增速（７．６％）。而國內(nèi)產(chǎn)量逡逑難以滿足天然氣消費量的高速增長，對外依存度不斷攀升，２０１４年達到３２．２％１６］。據(jù)預(yù)逡逑測，２０２０年我國進口石油依存度將在６０°／。以上，與美國２００３年的５８％相當(dāng)。而美國能逡逑源自給率從２００５年的７０％上升到２０１３年的８７％，原油對外依存度從２００５年的６６％下逡逑１逡逑

增加了電子控制模塊、氧傳感器、燃料控制步進電機等，對空燃比進行閉環(huán)控制，逡逑代表機型有美國Ｃａｔｅｒｐｉｌｌａｒ公司的ｃａｔｅｒｐｉｌｌａｒ邋３２０８柴油／天然氣雙燃料發(fā)動機［１６］。電控系逡逑統(tǒng)示意圖如圖１．３所示，整個系統(tǒng)由天然氣供給系統(tǒng)、引燃柴油供給系統(tǒng)和電控單元逡逑（ＥＣＵ）三個部分構(gòu)成。ＥＣＵ通過傳感器測定發(fā)動機的一系列參數(shù)，確定發(fā)動機的運行逡逑工況，據(jù)此控制油泵調(diào)節(jié)齒桿執(zhí)行器和天然氣流量控制閥的位置，調(diào)整天然氣、引燃柴逡逑油的噴射時刻和噴射量。在滿負荷條件下雙燃料工作模式相對于全柴油工作模式ＰＭ排逡逑放量少９０％，而在低負荷條件下兩者的差別較小，ＰＭ排放量與參與燃燒的柴油量有著逡逑很大的關(guān)聯(lián)１１７］。逡逑國內(nèi)勝利油田管理局機械廠［１８］自行研制了煤層氣發(fā)動機電控混合器，發(fā)動機實時監(jiān)逡逑控燃燒狀況，由ＥＣＵ發(fā)出指令，執(zhí)行器運動改變空氣與煤層氣通道面積，實現(xiàn)調(diào)節(jié)空逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U464

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本文編號：2592283