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基于柴油机原排和再生的DPF碳载量估算模型研究

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基于柴油机原排和再生的DPF碳载量估算模型研究

作者：杨婷山东大学

学位级别：硕士

世界各国日益严格的排放法规不仅对柴油机颗粒物排放质量进行了严格的限制,也对颗粒物排放数量做出了一定的要求,颗粒物捕集器(DPF)成为目前已知的唯一的能使柴油机颗粒物排放满足未来排放法规的技术手段,DPF在应用过程中面临的最大的... 详细信息

世界各国日益严格的排放法规不仅对柴油机颗粒物排放质量进行了严格的限制,也对颗粒物排放数量做出了一定的要求,颗粒物捕集器(DPF)成为目前已知的唯一的能使柴油机颗粒物排放满足未来排放法规的技术手段,DPF在应用过程中面临的最大的技术挑战是DPF再生控制,DPF必须在适当的碳载量下及时再生以保证DPF的安全可靠工作,并且在实际应用过程中DPF碳载量无法直接测量,只能通过间接手段对其进行预测。针对上述问题,本文以某增压柴油机为研究对象,通过发动机在实际运行过程中方便检测到的参数(转速、扭矩)进行碳载量预测,提供了一种建立DPF碳载量预测模型的新思路,本文主要通过三维模拟与理论分析相结合的方式,从柴油机soot生成、N02对soot的氧化、O2对soot的氧化三个方面展开本文的主要内容。本文首先根据柴油机实际工况参数构建三维仿真模型,并通过试验数据对仿真模型的准确性进行验证,通过对比发现柴油机缸压曲线、soot排放等数据的仿真结果与实际结果均具有较高的一致性,可以用于后续的研究。通过理论分析确定运行过程中发动机转速、扭矩是柴油机soot生成的主要影响因素,因此本文将柴油机转速、扭矩作为仿真变量分别计算不同转速、扭矩工况下柴油机soot生成质量,结果发现,柴油机soot排放随柴油机转速的增加呈现先降低后增加的变化趋势,随发动机负荷的增加而增加;在MATLAB中基于双调和样条差值方法建立了柴油机soot排放数学模型,该数学模型对于给定的转速和扭矩可自动计算柴油机的soot生成质量,通过试验验证发现基于双调和样条插值建立的soot排放模型能够很好地反映实际情况,平均误差为6.5%。本文根据化学反应过程及阿累尼乌斯公式分别建立了NO2氧化DPF碳载量的数学公式和O2氧化DPF碳载量的数学公式,并根据台架试验数据分别对公式进行试验验证,发现NO2氧化DPF碳载量数学模型的平均误差为6.5%,O2氧化DPF碳载量数学模型的平均误差为7.2%,表明这两个数学模型的准确度较高,能够很好地反应实际情况。最后,通过试验数据对DPF碳载量整体模型进行验证,得到各工况下soot净累积量的平均误差为9.0%,表明本文所建立的DPF碳载量模型能够较为准确地反映实际情况。

关键词：颗粒物捕集器数学模型 soot排放 DPF碳载量估算模型

Miller循环柴油机燃烧室与喷油锥角的匹配改进及PCCI探索研究

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Miller循环柴油机燃烧室与喷油锥角的匹配改进及PCCI探索研究

作者：李明顺天津大学

学位级别：硕士

在当前的能源和环境形势下,柴油机作为广泛使用的耗能产品,对其性能与排放的改善仍然是一个需要大力研究的课题。其中,最根本的方法就是改善缸内燃烧过程,实现清洁燃烧。而进气系统参数、燃烧室形状和喷油参数作为主要影响因素,通过控... 详细信息

在当前的能源和环境形势下,柴油机作为广泛使用的耗能产品,对其性能与排放的改善仍然是一个需要大力研究的课题。其中,最根本的方法就是改善缸内燃烧过程,实现清洁燃烧。而进气系统参数、燃烧室形状和喷油参数作为主要影响因素,通过控制油气混合来影响柴油机的燃烧过程。Miller循环技术,通过进气可变气门正时控制有效压缩比,在降低最高燃烧温度和压力,改善排放的同时,提高了燃油经济性。在部分负荷工况,柴油机可以通过增大喷油提前角和废气再循环(EGR)技术来实现预混压燃(PCCI),从而进一步降低NO和soot的排放。本文利用CFD软件FIRE对某单缸柴油机缸内工作过程建立了三维仿真模型并标定后,进行了额定工况下Miller循环,燃烧室形状与喷油锥角的匹配,以及部分负荷工况下的Miller-PCCI燃烧等相关内容的研究。具体工作包括以下三点:首先,利用该模型,在增压中冷的基础上,保持实际进气量和进气温度不变,在额定工况下实现了进气门晚关形式的Miller循环。研究发现,在进行计算的曲轴转角内,Miller循环使得油耗降低4.73%的同时,降低了缸内燃烧温度和压力,NO与soot的排放分别减少了23.6%和39.9%。之后,在Miller循环基础上,对六种ω形燃烧室和三种喷油锥角进行匹配改进。结果表明,对于该柴油机而言,130°喷油锥角匹配大直口燃烧室,在保证动力性和经济性的同时,NO与soot的排放比原机分别降低了58.1%和39.4%。最后,在改进的燃烧室与喷油锥角的基础上,探索了喷油提前角与冷EGR对部分负荷工况下Miller-PCCI燃烧方式的影响。结果表明,在2000rpm,1/3负荷工况下,30°(CA)喷油提前角匹配20%的EGR率,可以使预混压燃的IMEP达到0.95MPa,比原机提高了3.7%,油耗降低了3.6%,同时NO的排放比原机降低17.6%,soot排放降低了61.5%,达到了PCCI的预期效果。

关键词： Miller循环燃烧室形状喷油锥角热效率 NOx排放 soot排放预混压燃

涡轮增压柴油机高压晚喷燃烧特性三维模拟研究

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涡轮增压柴油机高压晚喷燃烧特性三维模拟研究

作者：李辉武汉理工大学

学位级别：硕士

柴油机新型燃烧方式能很好的解决传统柴油机NOx和碳烟排放的Trade-off关系，具有高效清洁的特点，可以缓解当今能源危机和环境保护问题日益严峻的现状。柴油机实现新型燃烧方式的手段有很多，其中晚喷燃烧模式在燃烧相位控制和负荷拓展... 详细信息

柴油机新型燃烧方式能很好的解决传统柴油机NOx和碳烟排放的Trade-off关系，具有高效清洁的特点，可以缓解当今能源危机和环境保护问题日益严峻的现状。柴油机实现新型燃烧方式的手段有很多，其中晚喷燃烧模式在燃烧相位控制和负荷拓展两方面具有相当大的优势。首先，利用KIVA-3V程序搭建了柴油机燃烧三维模拟计算平台，并对模拟计算中计算压缩比补偿容积处理方法和初边值条件计算方法两项关键技术进行了研究。多个工况的计算值与试验值对比表明，两者吻合良好，验证了所建模型的可靠性。计算研究表明，不同补偿容积处理方法计算的缸内流场分布存在明显差异;提出的初边值条件计算方法可以对预测工况的初始缸内压力、初始缸内温度、初始气体成分和喷油规律进行较精确的计算。其次，对一台6缸涡轮增压柴油机在高压晚喷条件下的燃烧特性进行了三维模拟研究，分别研究了燃油喷射、EGR率和超多喷孔燃油喷射对柴油机混合气形成过程、燃烧特性和排放特性的影响。研究结果表明：（1）提高燃油喷射压力可以明显改善燃油雾化和油气混合状况，使缸内当量比降低;晚喷条件下喷油始点相对于上止点提前或者推迟，都可以延长滞燃期，使着火前的缸内燃油分布更均匀，从而可以获得更低的soot排放;当在上止点后10oCA喷油时，缸内当量比基本在理论当量比（=1.0）附近，soot排放几乎为0，但此时的NOx排放却由于预混燃烧比例的增大而显著升高。（2）高压晚喷条件下，随着EGR率的增加，滞燃期逐渐增大，缸内燃烧温度和NOx排放逐渐降低，而soot排放则呈现先增加后降低的趋势。在较高EGR率下，缸内平均压力和缸内最大爆发压力由于燃烧过程的恶化而显著降低，从而导致发动机动力性能明显下降。在高压晚喷条件下，喷油始点对NOx排放的影响没有EGR显著;soot-Bump曲线的拐点位置随着喷油始点的变化而变化，并且当EGR率大于30%时，推迟喷油可明显降低soot排放。（3）采用超多喷孔喷油器可以有效缩短喷油持续期，并有利于燃烧过程中缸内燃油的均匀分布，相对均质的预混合气使其燃烧过程基本呈预混燃烧。采用超多喷孔喷油器、推迟喷油、提高喷射压力和EGR技术等措施能够实现柴油机的高效清洁预混燃烧，在保证动力性的前提下，可以实现NOx排放和soot排放同时大幅降低。

关键词：涡轮增压柴油机高压晚喷超多喷孔喷油器 NOx排放 soot排放

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高压缩比柴油机晚喷燃烧特性研究

高压缩比柴油机晚喷燃烧特性研究

作者：褚建超武汉理工大学

学位级别：硕士

柴油机新型燃烧方式可以很好地解决传统燃烧中NOx和碳烟排放之间的Trade-off关系,具有清洁高效的特点,能有效缓解当前能源危机和环境污染的严峻形势。在众多柴油机新型燃烧方式中,晚喷燃烧以其在负荷拓展和燃烧相位控制方面的优势获得... 详细信息

柴油机新型燃烧方式可以很好地解决传统燃烧中NOx和碳烟排放之间的Trade-off关系,具有清洁高效的特点,能有效缓解当前能源危机和环境污染的严峻形势。在众多柴油机新型燃烧方式中,晚喷燃烧以其在负荷拓展和燃烧相位控制方面的优势获得广泛关注。压缩比是柴油机的重要参数之一,压缩比增大对提高柴油机的动力性、经济性、冷启动性均有好处。本文采用数值模拟的方法对一台高压缩比柴油机在晚喷条件下的燃烧和排放特性进行研究。本文以一台高压缩比六缸高压共轨柴油机为原型,利用KIVA-3V程序建立了三维数值模型,并从缸内压力、缸内温度、排放等方面对所建模型进行了验证,结果表明,计算值与试验值吻合较好,模型可靠。采用了一整套有效的初边值条件计算方法,确定计算工况的初边值条件。选取20%和40%两个负荷工况,分别研究了喷油始点、EGR率、喷油策略对高压缩比柴油机晚喷燃烧特性的影响,并从多个方面进行了分析。研究结果表明:喷油始点相对于上止点提前或者推迟,喷油时刻缸内温度均有所降低,滞燃期延长,缸内混合气更均匀,最高当量比减小,平均指示压力下降,但相对于低压缩比发动机,压缩比较高时平均指示压力对喷油始点的变化相对不敏感;对于中等负荷工况,提前或推迟喷油都有利于实现预混燃烧,从而使缸内温度升高,最高当量比下降,soot排放降低,但NOx排放上升;低负荷工况随喷油始点推迟,缸内温度逐渐降低,NOx排放逐渐减少,但soot排放逐渐增多。此外,当喷油始点推迟到上止点后8oCA时,发动机发生失火。随着EGR率的增加,喷油时刻缸内温度逐渐降低,滞燃期延长,缸内燃油与空气混合时间增长,混合更加均匀,着火时刻缸内当量比降低;与低压缩比柴油机相比,高压缩比柴油机的滞燃期几乎呈线性增加;EGR率增大,缸内最高压力、平均指示压力、缸内最高温度、总放热量均呈现下降趋势,NOx排放降低,但soot排放增加。随着喷油次数的增加,滞燃期逐渐缩短,当量比增大,且分布更加集中;缸内压力、缸内温度以及放热率的变化都随喷油次数的增加而越来越趋于平缓,提高了发动机工作的平稳性和可靠性。NOx排放曲线的变化趋势说明提前预喷有利于NOx排放的降低,但是喷油始点过于提前反而无法达到降低排放的目的,soot排放随着喷油次数的增加先增加后小幅降低。

关键词：柴油机压缩比高压晚喷 NOx排放 soot排放

基于Pareto前沿的采样方法以优化柴油机性能

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基于Pareto前沿的采样方法以优化柴油机性能

作者：吴长坤广西大学

学位级别：硕士

柴油机燃烧和排放性能受多种运行参数控制。恰当的运行参数选择有助于改善燃烧性能和排放性能。然而,十余种运行参数使得柴油机的性能优化成为一个高维,多目标问题。因此,本文提出一种新的采样方法,并搭建了PFVNSGA-Ⅱ优化框架,结合一... 详细信息

柴油机燃烧和排放性能受多种运行参数控制。恰当的运行参数选择有助于改善燃烧性能和排放性能。然而,十余种运行参数使得柴油机的性能优化成为一个高维,多目标问题。因此,本文提出一种新的采样方法,并搭建了PFVNSGA-Ⅱ优化框架,结合一维、三维数值仿真,辅以试验验证手段,对柴油机燃烧性能和排放特性进行优化匹配,并进一步揭示多个运行参数耦合对柴油机性能的影响。首先,本文提出了一种基于Pareto前沿(PF)的采样算法,即PF-Voronoi采样方法,以解决中等规模多目标问题。接着,搭建了PFVNSGA-Ⅱ优化框架,并通过ZDT数学实例验证了其有效性。结果表明,MCC准则有助于提高PF的分布多样性,MLEC准则和MMMSEC准则分别减少了38.9%和21.7%的训练样本数量。与公开文献中的算法相比,该算法的计算量降低了44.2%以上。该算法可以应用于多学科、多目标的复杂系统。其次,采用PFVNSGA-Ⅱ和GEINSGA-II优化框架,以12个运行参数为变量,IMEP、NO排放量和soot排放量为目标进行柴油机性能的多目标优化,验证PFVNSGA-Ⅱ优化框架在实际工程问题上的适应性。研究显示,GEINSGA-II优化框架下的样本点分布多样性不如PFVNSGA-Ⅱ。PFVNSGA-Ⅱ优化框架在450个样本条件下达到收敛,表现出对柴油机性能优化问题具有较强的适应性。再次,在Pareto前沿解集中选择三个案例,采用GT-Power分析运行参数对其性能的影响。研究显示,喷油策略和喷油压力的共同作用导致EGR率提高对压升率的影响趋势有所差异;转速越低,柴油机IMEP提高越明显;增压配合高EGR率有效降低NO和soot排放;保持进气低温是提高发动机性能的有效措施;喷油压力和喷油策略影响着最佳喷油角的位置;一味提高喷油压力导致柴油机工作粗暴,降低热效率,提高NO排放。最后,采用CONVERGE对比了两个原始案例(案例a,案例b)和上述三个案例(案例1,案例2,案例3)的缸内燃烧过程,以揭示运行参数对柴油机缸内燃烧过程的影响。研究结果显示,对于单喷策略,推迟喷油至上止点之后避免了压缩负功;进气增压和高喷油压力有利于缸内充分燃烧,提高了案例2的IMEP和NO排放。采用高EGR率降低缸内氧浓度的同时,降低了燃烧温度,有力降低了NO的生成。此外,上止点后喷射导致更多混合气靠近缸盖底和壁面,形成淬熄层。低压喷油结合高EGR率加剧了淬熄层附近的混合气浓度。对于后喷策略,远离上止点喷油结合高EGR率有利于缸内混合气的均匀性,降低燃烧温度,并延长滞燃期。同时,大量混合气接触缸盖顶部,形成淬熄层。因此,相比于案例b,案例1的NO排放更少,但soot排放较高。而案例1更低的转速给予燃料更充分的燃烧时间,IMEP高于案例b。

关键词： PF-Voronoi采样算法柴油机平均指示有效压力 soot排放 NOX排放

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满足非四排放标准的农用柴油机试验研究

山东理工大学学报（自然科学版） 2023年第4期37卷 40-45页

作者：张腾郎晓姣刘冠麟尤彦彦王怀宇何远超潍柴动力股份有限公司山东潍坊261061 山东理工大学交通与车辆工程学院山东淄博255049 北京理工大学机械与车辆学院北京100081

随着非四排放法规的实施,对农用柴油机排放提出了新的要求。研究了采用EGR技术路线的某农用柴油机喷油器安装深度、EGR对发动机排放的影响以及在等NOx排放条件下喷油提前角和EGR共同作用对燃油经济性、碳烟(soot)等的影响。通过研究发现... 详细信息

随着非四排放法规的实施,对农用柴油机排放提出了新的要求。研究了采用EGR技术路线的某农用柴油机喷油器安装深度、EGR对发动机排放的影响以及在等NOx排放条件下喷油提前角和EGR共同作用对燃油经济性、碳烟(soot)等的影响。通过研究发现:在非道路瞬态排放测试循环(non-road transient cycle, NRTC)下,喷油器垫片在1 mm厚度时发动机的经济性和排放最优;与发动机在低负荷工况下运行相比较,发动机在中高负荷运行时,EGR率每升高1%,发动机排气温度降低40%,NOx的排放降低3%;在保证NOx排放满足法规要求的前提下,可以适当提高EGR率和延迟喷油提前角,低负荷时发动机EGR率通常设定在7.5%~10%,喷油提前角在4°~6°,中高负荷时EGR率通常设定在10.5%~12%,喷油提前角在8°~11°;发动机排气温度在420~460℃,满足发动机排气系统要求。

关键词：农用柴油机喷油器安装深度 EGR 燃油消耗率 soot排放

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高压共轨喷油器各孔喷油均匀性的测试与分析

内燃机与动力装置 2019年第5期36卷 39-45,55页

作者：杨鹿毛洪海商美琴杨建国潍柴动力股份有限公司上海研发中心

设计高压共轨喷油器的测量装置,测量喷油嘴各个喷孔的喷油量,分析各喷孔喷油量的均匀性,通过测试2只高压共轨喷油器喷油嘴的各孔喷油量,对测量装置进行考核和验证;计算和分析高压共轨喷油器喷油嘴各孔喷油量均匀性对碳烟(soot)排放、指... 详细信息

设计高压共轨喷油器的测量装置,测量喷油嘴各个喷孔的喷油量,分析各喷孔喷油量的均匀性,通过测试2只高压共轨喷油器喷油嘴的各孔喷油量,对测量装置进行考核和验证;计算和分析高压共轨喷油器喷油嘴各孔喷油量均匀性对碳烟(soot)排放、指示功等的影响。结果表明:测量装置的喷油总量和重复性均满足试验要求,2只喷油器喷油嘴下排喷孔的喷油量均大于上排喷孔,转速、喷射压力以及喷射脉宽对喷油嘴各孔喷油质量均匀性均有一定影响;喷油嘴各孔喷油量不均匀会导致发动机soot排放恶化,增加局部soot浓度。

关键词：高压共轨喷油器喷油量均匀性 soot排放

燃烧室缩口位置对重型柴油机影响的数值模拟研究

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小型内燃机与车辆技术 2019年第4期48卷 1-8页

作者：王浒姚鑫李临蓬郑尊清尧命发天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室

柴油机的燃烧过程主要受控于燃油空气混合速率,为了进一步改善重型柴油机的燃烧和排放,在合理提高压缩比的基础上,设计了5种新型燃烧室,并基于三维计算流体力学软件CONVERGE,通过数值模拟的方法,研究了燃烧室内缩口位置,包括缩口直径和... 详细信息

柴油机的燃烧过程主要受控于燃油空气混合速率,为了进一步改善重型柴油机的燃烧和排放,在合理提高压缩比的基础上,设计了5种新型燃烧室,并基于三维计算流体力学软件CONVERGE,通过数值模拟的方法,研究了燃烧室内缩口位置,包括缩口直径和深度对缸内混合、燃烧和排放过程的影响。研究结果表明:采用合理的缩口位置,可以明显提高缸内的涡流比,促进对燃油的利用,加快油气混合过程。与原机基础燃烧室相比,热效率可提高约2%。

关键词：柴油机缩口位置气流运动传热损失热效率 soot排放

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双燃料柴油机燃烧和排放的三维数值模拟分析

北京汽车 2010年第4期 41-44页

作者：王立杰汪春梅张超左承基合肥工业大学机械与汽车工程学院安徽合肥230009

燃烧和排放对于发动机的发展有着至关重要的影响,文中运用三维模拟分析软件CFD-fluent对ZS195发动机的燃烧和排放进行模拟,通过改变外部EGR率和甲醇柴油双燃料喷射来模拟缸内温度,NOx、Soo(t碳烟)的变化规律,分析NOX和soot的生成机理,... 详细信息

燃烧和排放对于发动机的发展有着至关重要的影响,文中运用三维模拟分析软件CFD-fluent对ZS195发动机的燃烧和排放进行模拟,通过改变外部EGR率和甲醇柴油双燃料喷射来模拟缸内温度,NOx、Soo(t碳烟)的变化规律,分析NOX和soot的生成机理,模拟结果表明EGR在有效减少NOX生成的同时导致soot的排量增加,而甲醇柴油双燃料结合EGR则可以有效地减少NOX和soot的生成。

关键词： CFD-fluent 双燃料喷射废气再循环 NOx soot排放