柴油—甲醇组合燃烧发动机的控制策略及试验研究

论文摘要

柴油机因为其良好的经济性以及可靠性,得到越来越广泛的应用。但是,微粒和氮氧化物（NOx）排放达标问题仍是制约其发展的关键。随着我国经济的快速发展,对石油的需求量日益增加,所以寻找石油替代燃料也已是当务之急。针对甲醇燃料的特点,提出柴油-甲醇组合燃烧方式。组合燃烧系统在发动机起动、暖车以及怠速工况下使用纯柴油工作模式,当发动机机体温度上升,进入正常运行工况后,进入柴油-甲醇组合燃烧模式。根据组合燃烧发动机的特点,将发动机运行工况分为6类,针对每类工况提出不同的控制策略。采用C语言和汇编语言的混合编程方法编写完成组合燃烧控制软件。控制软件的编写运用模块化设计思路,自顶向下、逐步细化的结构化软件设计方法。软件以MC9S12DP256芯片作为运行平台,通过对发动机传感器的信号识别,能够准确判断柴油-甲醇组合燃烧发动机的运行工况,在发动机电子控制单元的内部数据存储区间存储了发动机运行二维控制MAP图,该软件通过MAP插值计算方法将二维控制MAP图中离散、有限的控制量转变成连续的控制量,根据发动机负荷的变化自动定时定量的控制甲醇燃料喷射电磁阀。提出了以甲醇对柴油的替代率和替换比为控制目标,以排放作为约束条件的组合燃烧标定方法,在发动机台架上进行了标定工作,采用神经网络算法对MAP数据进行了优化,得到了更为紧密和平滑的控制MAP数据。结果表明运用神经网络优化的方法不仅能够减少标定工作量,而且完全能够达到组合燃烧系统的要求。在490QDI发动机台架上对组合燃烧发动机进行了不同控制方式、不同替代比率以及加装了DOC（氧化催化转化器）之后的对比试验。试验结果表明组合燃烧系统在小负荷时,甲醇对柴油的替代率不宜过高,在中等负荷采用30%～40%的替代率,在大负荷时采用40%～50%替代率能够取得较好的燃油经济性和排放性能。通过加装DOC后处理器后能够大幅度的降低HC和CO的排放量。采用甲醇的顺序喷射控制方式,发动机燃油经济性、HC、CO排放均略优于甲醇连续喷射控制方式,但是,NOx排放略高于后者。组合燃烧汽车道路试验结果表明,甲醇对柴油的平均替代率达到了36%,仅需要1.66单位质量的甲醇替换1单位质量的柴油,燃烧效率提高8.78%。组合燃烧系统能够有效消除柴油机在起步加速过程中“冒黑烟”的现象。在WD615增压中冷柴油机上进行了排放试验,结果表明,采用组合燃烧系统后国Ⅱ排放品质的发动机完全能够达到国Ⅲ排放限值。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 能源
• 1.1.2 环境
• 1.2 石油替代燃料
• 1.2.1 氢气
• 1.2.2 二甲醚
• 1.2.3 天然气以及液化石油气
• 1.2.4 燃料乙醇
• 1.2.5 燃料甲醇
• 1.3 国内外对燃料甲醇的研究现状
• 1.4 本文研究的主要目的和内容
• 第二章 组合燃烧控制策略及控制软件
• 2.1 组合燃烧控制策略
• 2.1.1 发动机起动及怠速控制策略
• 2.1.2 过渡工况的控制
• 2.1.3 急加速、急减速工况
• 2.1.4 稳态运行工况控制
• 2.2 ECU控制软件
• 2.2.1 软件主体程序模块
• 2.2.2 系统初始化模块
• 2.2.3 通讯模块
• 2.2.4 模拟信号处理模块
• 2.2.5 数字信号处理模块
• 2.2.6 中断处理模块
• 2.2.7 运行控制模块
• 2.2.8 MAP数据管理模块
• 2.2.9 故障诊断模块
• 2.3 控制MAP的标定
• 2.3.1 控制MAP的标定方法
• 2.3.2 标定软件
• 2.4 MAP的优化方法
• 2.4.1 神经网络方法
• 2.4.2 神经网络在MAP优化中的应用
• 第三章 组合燃烧电控系统的硬件组成
• 3.1 组合燃烧电控管理系统
• 3.1.1 微控制器选取
• 3.1.2 电源模块
• 3.1.3 晶振电路
• 3.2 ECU功能设计
• 3.2.1 曲轴信号传感器及其调理电路
• 3.2.2 凸轮轴信号传感器及其调理电路
• 3.2.3 油门控制手柄位置传感器及其信号调理电路
• 3.2.4 冷却水温传感器及其信号调理电路设计
• 3.2.5 甲醇液位传感器及其信号调理电路设计
• 3.2.6 甲醇喷射电磁阀驱动电路设计
• 3.2.7 甲醇泵驱动电路设计
• 3.2.8 CAN2.0 通讯模块设计
• 3.2.9 串口通讯模块设计
• 3.2.10 ECU抗干扰设计
• 3.3 ECU硬件系统
• 第四章 组合燃烧在自然吸气柴油机上的试验研究
• 4.1 试验设备及燃料
• 4.1.1 试验设备
• 4.1.2 试验用燃料
• 4.2 试验方法
• 4.3 台架试验结果
• 4.3.1 组合燃烧经济性、排放性能试验
• 4.3.2 不同甲醇替代比率对组合燃烧性能的影响
• 4.3.3 不同甲醇喷射方式对组合燃烧性能试验
• 4.3.4 甲醛排放检测
• 4.4 组合燃烧汽车道路试验
• 4.4.1 组合燃烧汽车以及道路条件
• 4.4.2 城市公交路线试验结果
• 4.4.3 城际公交路线试验结果
• 4.4.4 山区道路路线试验结果
• 4.4.5 加速性能对比试验
• 第五章 组合燃烧在增压中冷柴油机上的试验研究
• 5.1 发动机台架试验
• 5.1.1 试验设备
• 5.1.2 试验方法
• 5.1.3 组合燃烧发动机的控制策略
• 5.1.4 试验结果
• 5.2 组合燃烧发动机国Ⅲ排放试验
• 5.2.1 试验设备
• 5.2.2 试验方法
• 5.2.3 试验结果
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢