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增压柴油机残余废气量评价方法与研究
类型:
浙江省自然科学基金
二、研究目的和意义:
随着汽车工业的飞速发展,汽车保有量急剧膨胀,汽车排放严重影响着生态环境、人身健康,制约着经济的发展,汽车排放问题已受到极大关注。
特别是近十年来由于环保意识加强,世界各国相继颁布了愈来愈严格的排放法规。
增压可提高内燃机的功率,降低油耗和排放,由于柴油机压燃的工作方式使排放中
排放量比汽油机高,微粒的排放量也明显高于汽油机,限制了增压内燃机达到更高的排放法规,因此各国的排放法规对柴油机的这两种污染物也重点加以限制。
采用废在循环(EGR)技术,在保证内燃机功率和油耗下降不大的情况下可有效降低
排放。
EGR技术是将一定量的废气引入到进气系统中,使得进气充量中惰性气体(
蒸气,N
和CO
等)的比例增加。
由于这些惰性气体不参加燃烧,放缓了柴油机的燃烧过程,这是降低氮氧化物的主要原因,且这些惰性气体具有较高的比热容可以吸收燃烧放出的热量,从而使发动机最高燃烧温度下降。
同时,废气的加入,也降低了进气中的氧浓度,破坏了
的生成条件,抑制了
的生成[35]。
但是废气的加入又会使微粒、CO和HC的排放量增大,比油耗升高。
因此应用残余废气时必须进行
排放的改善和包括动力性、经济性及其它有害排放物恶化的折衷优化。
GiorgioZamboni[34]的最新研究表明在结合低压EGR和可变截面涡轮增压器可以降低分别燃油消耗率2.1%,
水平下降50%,炭烟排放下降22.8%。
在不同工况下,不同的EGR影响下会有不同的排放和不同发动机动力性和经济型表现。
所以不同工况下有一个对应的不同的EGR率。
因此要实现排放,动力性,经济型的最优化就需要对EGR实现实时监测并控制。
根据废气进入气缸是否经过发动机的进气系统EGR可分为内部EGR和外部EGR,外部EGR利用专门的管道将废气引入进气歧管,使废气与新鲜充量在进入气缸前充分混合。
外部EGR的研究相对较多,根据废气引入点和压气机的位置可分为高压回路,低压回路和高低压回路组合。
外部EGR的明显特点是便于计算残余废气量,但是由于涡轮增压的作用使进气管平均压力要打于排气管压力所以很难像汽油机或者轻型柴油机一样通过简单管系直接将废气从排气歧管引入进气歧管。
腐蚀也是一个不可忽略的问题。
采用对废气加压,变截面涡轮,在进排气管上装节流阀,加装文丘里管[29]这些措施都可以提高EGR率,但增加了能量的消耗且使发动机的装置变得复杂,残余废气对EGR系统有腐蚀作用[30]降低了EGR精度。
增压柴油机对EGR率的需要会超过40%[32],而外部EGR率在结合文丘里管和可变喷嘴增压器的情况下最高只能达到30%[31]。
并且低压循环的外部EGR的响应很慢,一般它的时间常数在几秒[36],这对于控制发动机瞬态工况的残余废气量是很难实现的。
因此需要内部EGR。
内部EGR是通过改变配气相位来实现的。
相对外部EGR,内部EGR对发动机的改动较小,也不存在腐蚀和进排气逆差的问题,并且使EGR率的最高值得到较大程度的提高,满足了增压柴油机对EGR率的要求。
然而由于缸内气体交换过程复杂,对内部残余废气量的评价相对外部EGR来说要困难得多。
国内外也有不少研究者对残余废气量的评价做了很多的工作。
三、国内外研究现状和发展趋势:
内部EGR是通过改变凸轮轴的配气相位来实现的。
常用三种方法:
1.负阀重叠。
排气门在排气上止点前关闭,进气门在上止点后打开,这样有一
部分废气留在缸内排不出去,从而实现内部EGR;
2.废气倒吸。
原有的排气凸轮型线的基础上再设计一个凸轮型线,使得在进气
冲程时,排气门再次打开从而在排气管中吸入一部分尾气;
3.同理,在原有的进气凸轮型线的基础上再设计一个凸轮型线,使得在排气冲
程时,进气门再次打开将一部分废气排入进气管道,在进气冲程时废气将会再次被吸入气缸,或将排气门早关而进门早开,利用排气冲程的压力降废气压入进气道,都可以实现内部EGR。
由于增压柴油机的进气压力平均值大于排气压力,使用排气门晚关的方法气
门叠开期会使一部分缸内混合气从排气门排除造成燃油浪费,加大了燃油消耗率,并且未然混合气体直接排入大气,增加了发动机的污染物排放。
在以前的文献中,对气门叠开时期和废气倒吸引起的内部EGR的研究较多,很少涉及到排气门早关,进气门早开方法残余废气在压缩冲程被压入进气歧管,并且在活塞下移时重新被吸入缸内实现内部EGR的研究。
T.Leroy,M.Bitauld,J.Chauvin[36]等人提出一种基于进排气压力和进气温度的均值模型。
推导出一个平均值公式:
+
该公式中的R代表理想气体常数,但实际上在进气门开启和排气门关闭两个时刻缸内的气体成分是很复杂的并不是理想的,所以这也就造成了改模型的理论误差。
本文主要在增压柴油机试验基础上,针对排气门早关,进气门早开方法实现的内部EGR量的计算。
建立一种基于废气温度和压力与空气在进气歧管内混合的热动力学气体交换模型,进而对残余废气量进行评价。
混合物的循环变动和未然充质的同质性对燃烧过程和污染物形成过程有决定性的影响。
新鲜燃气和残余废气的均质混合程度对燃烧时火焰传播的初始阶段和IMEP循环变动有重要影响。
对于残余废气量,早期的研究有几种方法:
1.高速气体采样法结合对气体分子的检测,气体分子的检测多数是对
或
的检测。
气体分子的检测应用在高速发动机上,但是仅适于稳定运转状态下的发动机,由于一个循环的熄火可能导致持续的熄火,另一个缺点是当缸压很低时,气体的采样成为一个难题[33],并且由于装置的复杂和成本的昂贵,不适用于大批量生产的发动机;
对
气体分子的检测方法很好弥补了对
检测的不足,一个标准的宽范围尾气氧传感器的时间响应在50-100ms,并且可以通过改进使其时间响应达到10ms之内。
但是由于引用增压器导致的进气歧管压力远大于环境压力时,这种方法也变得不准确;
2.虽然FFID系统和基于激光的
吸收技术能够测量实时的残余废气率,但
是采用管的原因使测量有一个时间延迟的作用;
3.激光检测技术。
包括SpontaneousRamanScattering(RSR)和Laser-Induced
Fluorescence(LIF)。
但是这些光学方法都要求改变发动机燃烧室的结构设计,因为需要透明的光学窗口。
因此这些方法不适于商用发动机。
并且时间序列的分析受限于高功率激光发射器的激光重复率;
4.红外检测是用一个被安装在火花塞上的光学传感器。
的吸收特新是用一
个固定体积的配有加热系统的器皿来测量的。
燃烧过程的热动力深分析越来越常见。
几个例子明显涉及了热动力分析,其中包括可控自然式发动机,它的点火正时受残余废气和新鲜充质的热交换影响很大。
残余废气率的直接测量很复杂。
很多人尝试了几种试验的方法,但是这些试验的方法在商用车上的应用不现实。
并且由于功率计的发展,这些试验方法也越来越被弃用了。
这些试验的方法大致可以分为两类:
1.基于进排气口;
2.基于缸内。
同时这些方法都需要几个假设条件:
1.缸内的混合气体是均质的,这使得传感器的位置没有要求;
2.数据的采集速率和取样阀的反应时间都限制了所研究发动机的转速;
3.为了比较新鲜充质和目标燃烧产物使用的跳火技术,影响缸内的热动力条件并且对结果中的残余废气率的评价产生误差;
4.实验技术(包括拉曼散射此类的光学方法)要求复杂且昂贵的仪器,同时也要求对发
动机进行改装以适应实验的要求。
有跳火和部分燃烧的循环会导致不同的尾气成分,和完全燃烧相比,这些循环会使拉曼信号恶化。
RGF评价数字仿真技术可分为以下几类:
1.零维气体交换模型。
分别考虑了气门叠开时期从排气歧管流入缸内的和在进气门开
启前残留在缸内的废气两种情况,而忽略了如何从缸内流入进气歧管的废气。
利用测量压力
清空和填满计算公式[10],同时这些模型提出了一个简单的在精度可接受范围的公式,这些
仿真结果受不同压力的测量点影响很大;
2.一维气体交换模型,使用进排气压力曲线。
此类模型使用基于曲轴转角的进排气压
力曲线对气体的交换过程进行仿真,利用传感器独立布置的优点。
这种方法很昂贵并且在一
个运行的发动机上不现实;
3.经验和半经验的公式,利用稳态参数(体积效率,空燃比,RPM)。
这些模型提供了
一种合理的,精确的,可操作的方案。
同时为RGF评价提供了很大的方便。
基于进排气压力和温度,压缩比,空燃比的数字方法,有两个基本条件(进气门开启时缸内的混合气,气门叠开时期回流现象)。
因此这些模型使用气门重叠因子和进排气口的压力差评价残余废气的回流影响。
为了提供一种可以对残余废气实时检测并且适用与ECU的方法,Koehleret.al.[9]提出了一种基于发动机结构和动态进排气压力的模型。
此模型用了一个只考虑三个基于动态压力测量的流动情况:
·
排气口压力>
进气口压力
排气口压力<
排气口压力=进气口压力
同时这些低压传感器应该被安放在极可能靠近进排气阀的位置,以减小压力波[2,9]的影响。
如果假设浓度调节因子为常数则会降低ResidualGasFriction(RGF)评价的精确性,所以该模型引进了一个基于发动机转速,排气中心线位置(ECL),体积效率(EC),气门重叠体积(OLV)四个常数的方程式以提高该模型的精度。
此模型以一维GT-POWER结果为相关结果检测的对照。
KyoungdougMin[15]等人提出了一个考虑了由于气门叠开时候尾气回流并且包括缸内压力预测的模型。
从一维流动过程和简单理想循环模型推导出来。
该模型可用于计算循环模拟中的残余废气率和发动机热释放分析,并且使用了FRFID火焰离子快速反应检测器。
MichaelMladekandChristopherH.Onder[28]建立了一个只需知道三个量的模型,缸内压力和进排气管压力:
1.用恒温的方法确定缸内充质的总量;
2.用总重量和残余废气在进气门关闭时的温度特征线计算残余废气率;
3.充质的总重量参考值和残余废气的评价。
F.SchwarzandU.Spicher[14]提出一种气体采样模型。
在气体交换后采样气体并且分析CO2浓度,配合尾气合成物分析该模型就变为可能。
残余废气的预测使用气体交换热动力模型和试验结果很符合。
残余废气的绝对值和温度都需要知道。
对于内部EGR的重要性在于是否来自间隙容积或者是排气歧管或者是气门叠开期二次流入进气管的。
气体交换的计算方法不仅可以计算残余废气率,并且计算结果中也包括了进气和排气质量流。
通过这些可计算的质量流,可以追踪残余废气来源的质量,气体交换时期的流动情况可以平衡。
UweKoehlerandMichaelBargende[16]为了得到尾气温度和压力,再次使用了简化的伯努利方程:
。
也就是说尾气系统就像节气门一样的简单模型通过的是不可压缩,稳定无摩擦的气流。
其中常数K包括发动机冲程数,缸体数和排气管有效流动截面积。
将上式做一个转换
实验结果表明
和
存在一次线性关系
存在二次关系
分别取决于不同发动机所应用的边界条件。
由于没有半经验方法,所以在确定排气温度的时候用了一个纯经验模型。
发动机功率图灵敏度分析表明发动机转速进气质量和负载有很好的功能相关性。
分别取决于不同发动机应用的限制。
该模型尽量再现了阀门开启地方的真实流动特性。
经验和半经验模型计算
表明即使使用ECU也适用次方法,结合现有的可用的缸内传感器的帮助下,内部残余废气量是可以计算的。
虽然压力传感器不能放在气门边上,但是和利用一维流动仿真分析结果相比,热动力学气体交换分析与它非常一致。
P.Giansetti和P.Higelin[20]提出一种基于缸内气体采样和用HoribaMexa9100DEGR排气台架
检测的实验模型,得到一种平均值模型的残余废气检测方程。
AFR,进排气压力和压缩比,气门正时和发动机的转速的方程。
该实验使用了一个大的采样阀,基本原理是采取最大量的气体排除空间分布的影响。
有两部分组成
(1)排气处
浓度;
(2)缸内
浓度。
体积分数
;
质量分数
。
该实验方法展示了可接受的误差。
本研究课题用于循环仿真分析和发动机热释放分析,也可用于需要知道在压缩期间准确的压力和温度历程的循环分析。
Lurunzhong[19]许多研究尝试过试验型的方法,但在商用发动机上并不实用。
为了解决发动机的热动力燃烧分析在线实时监测和发动机标定的花费和复杂性,在半经验模型的基础上提出了一种在线GRF监测的试验方法。
该模型在宽范围工况内对RGF估计的误差只有1.5%。
改模型不单独考虑配气正时和EGR,但两者对GRF都有重大影响。
表一残余废气率试验方法选择条件
预燃气体测量的试验装置
快速响应分析仪直接对缸内气体进行测量
在快速取样阀后用一个快速响应分析仪对缸内气体检测
在排气门口安装一个快速响应分析仪
一个标准分析仪或者气体色谱分析仪同快速取样阀一起使用
基于光学或者激光的技术
检测类型
单点
排气门口
整个空间
循环测量
是(最大1500rpm)
是(发动机全转速)
不是(需要熄火)
不是
是(全转速范围)
发动机修正量
小(只需在火花塞上加装)
取决于取样阀的设计
小(在排气门口安装分析仪探头)
视方法而异
系统复杂程度
低
中
高
其他因素
1.在高速发动机上由于反应时间的限制,必须要熄火
2.压力波动会降低分析仪的精度
1.取样阀的开光时间必须能被很好地控制。
2.为了提高分析仪的精度,检测压力必须能被控制
考虑到在熄火时期可能会有过度扩张的尾气回流,需要一个模型处理此回流
1.低速的采样气体流动会使标准分析仪的使用复杂化。
2.气体色谱分析需要在离线时做
1.由于光学条件的要求,发动机需要很大范围的改动。
2.能提供很高的精度。
3.空间检测结果很令人满意
四、主要研究内容和要求达到的深度:
对于发动机残余废气量的研究已经有一段时间了,能够对要求不高的残余废气量做评价,并且为以后的继续研究做好了理论准备工作。
但已经做过的研究任然存在很多问题,尤其是对增压柴油机。
由于增压柴油机的进气压力平均值大于排气压力,使用排气门晚关的方法不能
实现内部EGR。
在以往的文献中,对气门叠开时期和废气倒吸和负阀重叠方法实现的内部EGR的研究较多,很少涉及到排气门早关,进气门早开方法实现内部EGR的研究。
由于废气从气缸倒流入进气歧管过程很复杂,简单动力学气体交换模型计算结果不能满足试验结果。
以前所建立的零维气体交换模型(排空充满模型)的结果非常依赖于压力测量传感器的位置布置,基于不同位置压力得到的计算结果有很大不同。
基于进排气压力的一维气体交换模型虽然解决了受测量压力位置不同的影响,但是费用很高并且在一个运行中的发动机中不能实现。
对残余废气和新鲜空气在进气歧管内混合的热动力过程进行深入分析,本课题主要在增压柴油机试验基础上,针对排气门早关,进气门早开方法实现的内部EGR量的定量计算。
通过进气门从开启到关闭两个不同时刻,进气歧管内温度和压力的变化过程,结合缸内压力和温度的检测,建立一种基于废气与新鲜空气在进气歧管内混合的热动力学气体交换模型,推导出一个与发动机几何参数和工况参数有关的评价残余废气量的计算方法,进而对残余废气量进行评价。
在多个不同配气相位情况下所得的残余废气量试验仿真结果和用GT-POWER仿真模型所测得的残余废气量相比较。
在上述分析计算结果的基础上,评价该模型与实际残余废气量产生差别的原因。
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