基于整车性能的高压共轨柴油机燃烧系统开发与控制

论文摘要

随着全球性能源与环境问题的日趋严峻,高效率低排放柴油机开发已经成为国外汽车企业致力最求的重要目标。一直以来,我国的汽车研发工作基本上采取逆向开发方式,即根据市场需求选择车型,再根据同类车型相比较选择动力传动装置,最后再选用合适的发动机。国内厂家在发动机的控制策略及燃烧系统开发等关键技术方面做了大量细致的工作并达到排放法规,但是未能从整车性能需求角度进行发动机的开发,致使开发后的发动机在整车上无法实现真正合理的匹配。基于此,本文结合企业横向课题对基于整车性能的发动机正向开发技术展开了相关研究。针对高速柴油机的特点,为满足车用高速柴油机对混合气快速形成质量以及基于整车性能需要的高低速变化特性,提出缩口低排放燃烧室的具体评价方法,即通过燃烧室内挤流（涡流）强度及其保持性来量化分析燃烧室内的气流特性,以此作为燃烧室设计好坏的评价指标。论文首先通过AVL-FIRE软件利用以上评价方法对影响发动机性能的主要燃烧室形状参数（缩口比、中央凸台高度及余隙高度）进行缸内流动特性及发动机性能的仿真评价,在此基础上,基于厂家提供的SUV车用高压共轨2.8TC柴油机原机燃烧室改进设计了I型和II型两款缩口燃烧室,通过仿真对比分析了两种燃烧室的缸内流动特性的优劣,并对所设计的两种燃烧室进行活塞加工及装机实验。通过不同缩口结构的两种燃烧室性能试验对比分析,证明了本文提出的燃烧室设计评价方法完全可行,可以指导缩口燃烧室设计。为充分利用低排放缩口型燃烧室的结构特点,满足柴油机的高速化要求,在缩口燃烧室设计后,通过仿真和实验相结合的手段,以控制混合气形成和动态分布的方式进行了缩口燃烧室与喷油系统结构参数（喷油器和喷射位置）优化匹配。为进一步对所设计的缩口燃烧室进行评价,利用挤流（涡流）强度及其保持性的评价指标分析了发动机转速3000r/min下三种不同进气涡流比（1.4,1.8,2.1）和进气涡流比为1.8下不同转速（3000r/min和3600r/min）的工况对缸内流场特性的影响,最后进行了增压器和EGR的匹配研究。研究结果表明：1)喷油器流量特性对发动机的性能有着重要的影响。对于本文选择的不同喷油器,当流量相差为100cm3/min时,在外特性上造成燃油消耗率最大相差可达10%,烟度值相差可达40%。此外,采用相同规格的喷油参数匹配不同的喷油器安装位置的试验结果表明,当喷油器安装位置相对燃烧室的匹配高度改变1mm时,外特性油耗率最大相差可达10%,烟度值最大相差可达50%,排气温度差值最大可达15%。综合考虑喷孔数、孔径和喷油器流量特性对发动机性能的影响,最终选择6孔、孔径0.137mm、流量为700 cm3/mim的喷油器和垫片厚度2mm与I型燃烧室进行匹配。2)进气涡流比和转速对缸内流动特性有着重要的影响。对于本文选择的三种涡流比1.4,1.8,2.1,在发动机转速3000r/min和喷雾参数一定条件下,对于挤流强度及其保持性来说,进气涡流比越高,挤流强度越大,但喷雾结束后挤流强度衰减相对较快且挤流强度保持性降低。进气涡流比越小,挤流强度保持性越好；对于涡流强度及其保持性来说,进气涡流比越高,涡流强度越大,但涡流强度保持性与进气涡流比关系不大；通过相同涡流比（1.8）不同转速（3000r/min和3600r/min）的分析可发现,无喷雾时,两种不同转速工况的挤流强度及其保持性基本相同,转速3000r/min时,挤流强度在喷雾结束之前与喷雾结束后均较大,而转速3600r/min时,挤流强度保持性相对较好可促进扩散燃烧,从这点上看,本文设计的缩口燃烧室具有很好的高速适应性。3)可变涡轮增压器相比旁通阀式增压器具有较好的车用发动机转速适应性。采用IHI VNT增压器时外特性改善明显,特别是低速转矩特性良好,而且烟度、油耗、排温等均较低。4)基于步进电机式EGR控制系统,在分析EGR对NOx生成和烟度排放的影响机理及不同工况下EGR率对柴油机NOx排放和烟度的影响效果基础上,对发动机进行了全工况EGR优化。优化结果表明：基于本文的步进电机式EGR控制系统合理匹配EGR可以有效改善NOx排放。在改进设计缩口燃烧室并进行燃烧系统的优化匹配后,为提升所开发的2.5TC高压共轨柴油机性能使之更适合整车性能需要,基于BOSCH第二代高压共轨系统和喷油器,从整车性能角度出发,提出针对汽车行驶过程中对牵引力的不同需求来控制高压共轨柴油机喷油量的方法,建立了基于牵引力控制喷油量的控制流程,详细阐述了基于牵引力的需求的的控制算法,并分析了电控系统对喷油量、喷油正时和轨压的控制策略。按照整车运行过程中有无牵引力把发动机运行划分为起动、怠速、全负荷、部分负荷和限速工况,并给出了不同工况下系统对主控量的控制方法及控制策略。在深入分析高压共轨柴油机喷油量控制策略的基础上,按照基于牵引力需求控制喷油量的方法进行了高压共轨柴油机喷油系统关键MAP图标定,通过各种参数的标定优化,在满足烟度、缸压及涡前排温等因素的基础上,使得发动机的外特性曲线和厂家开发的总体目标基本吻合,最后通过台架试验优化了高压共轨喷射系统参数。结果表明：经过本文标定优化后的发动机在低速时转矩特性明显提高,在发动机中高转速时发动机转矩值基本保持不变的情况下,燃油的消耗率得到很大的改善；优化后的NOx排放明显下降；由于发动机低速时通过增加喷油量来提高转矩,因此造成低速时HC和CO排放增加,但在发动机的中高速阶段HC和CO排放总体得到下降。从提高整车性能的角度出发,应用车辆性能模拟仿真软件GT-DRIVE对试验车型的动力传动系统匹配进行了性能分析,并基于改进万有特性的方式对车用发动机性能进行了优化。研究结果表明：本文所开发的小排量的2.5TC发动机,通过采用可变增压器、增压中冷和EGR技术来改变发动机的万有特性并与传动系统合理匹配,在保证整车动力性需求的前提下,相比装载原2.8TC发动机的整车燃油经济性提高了12.8%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 汽车发展与社会环境
• 1.2 汽车节能与排放法规
• 1.3 车用柴油机开发现状及趋势
• 1.3.1 车用柴油机节能及排放控制技术
• 1.3.2 基于牵引力需求的发动机正向开发技术
• 1.4 汽车动力传动系统的匹配及其重要性
• 1.4.1 汽车动力传动系统匹配的必要性
• 1.4.2 汽车动力传动系统匹配研究的国内外现状
• 1.5 论文研究内容及意义
• 1.5.1 论文研究内容
• 1.5.2 论文研究意义
• 第2章 基于整车性能的发动机正向开发方案
• 2.1 研究方案
• 2.1.1 开发目标
• 2.1.2 技术措施
• 2.1.3 解决方案
• 2.2 条件设备
• 2.2.1 高压共轨系统
• 2.2.2 台架标定系统
• 2.2.3 模拟仿真软件
• 2.3 本章小结
• 第3章 高压共轨柴油机低排放缩口燃烧系统开发
• 3.1 低排放缩口燃烧室结构设计
• 3.1.1 燃烧室结构设计及特征参数
• 3.1.2 燃烧室实体模型及计算模型
• 3.1.3 燃烧室内气流特性及其评价指标
• 3.1.4 燃烧室结构参数对缸内气流特性及发动机性能的影响
• 3.1.5 燃烧室结构参数的确定
• 3.2 不同燃烧室的气流特性仿真及发动机性能对比
• 3.2.1 不同燃烧室气流特性比较
• 3.2.2 不同燃烧室的湍流特性对比
• 3.2.3 不同燃烧室的外特性对比
• 3.2.4 在负荷特性上不同燃烧室的对比
• 3.3 缩口型燃烧室与喷油器结构参数的优化匹配
• 3.3.1 喷孔数和孔径对发动机性能的影响
• 3.3.2 喷油器流量的优化匹配
• 3.3.3 喷射位置对发动机性能的影响
• 3.4 进气系统的优化匹配
• 3.4.1 进气涡流比对缸内流动特性的影响
• 3.4.2 增压器的优化匹配
• 3.4.3 EGR对发动机性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 高压共轨柴油机喷油量的控制策略
• 4.1 基于牵引力的喷油量控制方法
• 4.1.1 牵引力的确定
• 4.1.2 喷油量的确定
• 4.2 基于牵引力的喷油量控制策略
• 4.2.1 喷油量控制算法
• 4.2.2 各工况处理策略
• 4.2.3 喷油定时控制策略
• 4.2.4 喷油压力控制策略
• 4.3 本章小结
• 第5章 基于牵引力控制的高压共轨柴油机喷射系统的标定
• 5.1 控制MAP的结构及标定方法
• 5.2 基于牵引力控制的MAP图标定试验
• 5.2.1 加速踏板开度与指示转矩的标定
• 5.2.2 基于指示转矩的喷油量MAP
• 5.2.3 轨压标定
• 5.2.4 喷油正时标定
• 5.2.5 全负荷速度特性的喷油量标定
• 5.2.6 初步标定结果分析
• 5.3 燃油喷射参数的进一步优化
• 5.3.1 轨压对发动机性能的影响
• 5.3.2 喷油定时对发动机性能的影响
• 5.3.3 预喷对发动机性能的影响
• 5.3.4 喷射参数优化前后发动机性能对比
• 5.4 本章小结
• 第6章 基于2.5TC柴油机的整车性能仿真
• 6.1 整车动力传动系统匹配的理论
• 6.1.1 整车性能与发动机性能的关系
• 6.1.2 整车动力传动系统匹配方法
• 6.1.3 整车动力传动系统匹配原则
• 6.2 整车动力传动系统仿真模型的建立及验证
• 6.2.1 整车仿真模型建立
• 6.2.2 整车仿真模型验证
• 6.3 基于控制万有特性的发动机性能优化
• 6.3.1 匹配不同增压器对万有特性的影响
• 6.3.2 增压中冷对万有特性的影响
• 6.3.3 EGR对万有特性的影响
• 6.3.4 2.5TCI和2.8TCI柴油发动机整车性能对比分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 全文总结及工作展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 工作展望
• 7.3 本文创新点
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢