【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燃機有關節(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)方案設計,進氣道、缸內混合過程研究,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、實現難易程度等方面綜合評估了缸內直噴、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)行機構形狀、開啟方向等方面優(yōu)化噴射裝置結構,據此設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氣體燃料射流與空氣主流之間的橫向紊動射流的基礎理論,結合所涉及的壁面沖擊射流理論,從湍流模型、壁面函數兩個方面分析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格無關性。為了定量地分析不同噴射條件對進氣道、缸內摻混過程的影響規(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量分數標準差以及缸內各濃度區(qū)間占比來評價進氣道、缸內混合效果。(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)行機構開啟方向、噴射角度、噴射位置等因素對進氣道內橫向紊動射流摻混過程、缸內摻混效果的影響。結果表明,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、缸內混合效果較好;流向渦激勵機構有利于改善射流徑向的混合,而在橫向紊動射流中,流向渦激勵機構因為導致核心區(qū)縮短,反而導致混合效果不佳;高噴射角度條件下,因為尾跡波等不穩(wěn)定因素影響增強,進氣道內的摻混過程沿進氣道軸向呈現周期變化規(guī)律;進氣過程在缸蓋附近產生了干涉渦流,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)觀測器基礎上,設計了非對稱排氣歧管的系數矩陣時變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,最后依據所得各缸空燃比來實時控制噴射脈寬,實現缸間空燃比平衡控制。
【圖文】：

經超過２３００萬輛⑶。根據國際能源署（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據顯示，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％）。而國內產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］。據預逡逑測，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。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）三個部分構成。ＥＣＵ通過傳感器測定發(fā)動機的一系列參數，確定發(fā)動機的運行逡逑工況，據此控制油泵調節(jié)齒桿執(zhí)行器和天然氣流量控制閥的位置，調整天然氣、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聯１１７］。逡逑國內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，實現調節(jié)空逡逑４逡逑
【學位授予單位】：南京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U464

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本文編號：2592283