可控自燃汽油机燃烧过程及其控制的研究

论文摘要

可控自燃（Controlled Auto Ignition,CAI）汽油机因具有低氮氧化物排放和高热效率的特点而受到内燃机界的广泛关注,但CAI汽油机面临着火时刻控制和负荷扩展的难题。本文通过试验和模拟计算深入研究了汽油机CAI燃烧过程,分析了影响汽油机CAI燃烧的因素及其作用机理,通过敏感性分析探询这些影响因素的主要控制手段及关键控制参数,进而通过协同各控制参数改变燃烧的初始条件和边界条件以达到汽油机CAI燃烧控制的目的。在Ricardo单缸试验机上利用两对小升程进、排气凸轮轴,通过废气捕捉的方法实现了稳定的汽油机CAI燃烧。试验结果发现,残余废气率和空燃比是影响汽油机CAI燃烧过程的关键因素。其中,残余废气不仅提供了CAI燃烧所必需的热能,还起到了控制着火时刻、负荷大小和放热速度的作用。基于以上试验结果,本文提出了一个双阶段放热率公式来描述汽油机CAI燃烧过程,并结合一维发动机数值模拟方法,研究各控制参数对残余废气率和CAI燃烧过程的控制作用。计算结果表明,空燃比对着火时刻的影响最为明显,尤其是在混合气过稀时。而排气门定时决定了缸内混合气中残余废气和新鲜空气的比例,是控制CAI汽油机着火时刻和负荷的重要手段。为研究气门运动特性对汽油机CAI燃烧过程的控制作用,在Simulink环境中建立了带有进/排气门升程及定时都可控的四变量气门执行机构（4-variable valve actuating system, 4VVAS）的汽油机仿真试验平台,对其性能和气门参数控制特点进行了预测和分析,并在4VVAS-CAI发动机试验台架上进行了试验研究。仿真和试验结果都表明,可变气门机构能够有效地控制汽油机CAI燃烧过程。其中,排气门定时及升程能够控制缸内残余废气率,从而控制了混合气特性和压缩初始温度,进气门定时和升程能够调节发动机的有效压缩比和进气回流,以改变压缩过程中混合气的温度历程。不同气门升程下的发动机运行负荷范围不同,4VVAS系统通过使用不同升程的气门型线能够拓展低转速小负荷和高转速大负荷的运行范围。气门升程和定时的灵活可控使得4VVAS-CAI汽油机可采用不同的气门定时和升程组合方式获得相同的运行工况点,方便了各工况点的优化。此外,4VVAS机构能够实现CAI汽油机的负荷过渡,其中,同时调整气门定时和升程能够加快负荷过渡过程。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 CAI/HCCI 发动机燃烧特点及其面临的挑战
• 1.3 汽油机CAI 燃烧及其控制的研究进展
• 1.3.1 废气控制策略
• 1.3.2 喷油控制策略
• 1.3.3 其它控制技术
• 1.4 均质压燃发动机燃烧模拟研究现状
• 1.5 本课题的引出及其研究方法
• 1.6 研究意义及内容
• 第二章 汽油机CAI 燃烧过程的基础试验研究
• 2.1 试验装置
• 2.1.1 Ricardo 单缸试验发动机
• 2.1.2 交流电力测功机
• 2.1.3 控制系统
• 2.1.4 测量系统
• 2.2 试验数据的热力学分析方法
• 2.2.1 累积已燃质量百分比计算
• 2.2.2 缸内残余废气率计算
• 2.2.3 混合气温度历程计算
• 2.3 汽油机CAI 燃烧影响因素分析
• 2.3.1 残余废气作用机理分析
• 2.3.2 空燃比作用机理分析
• 2.4 汽油机CAI 燃烧控制途径
• 2.5 CAI 汽油机运行范围的研究
• 2.6 本章小结
• 第三章 虚拟CAI 汽油机的构建
• 3.1 发动机气道流动特性试验
• 3.2 虚拟发动机的建立
• 3.3 四冲程CAI 汽油机单区燃烧模型的发展
• 3.3.1 多元回归方法选择
• 3.3.2 单阶段放热率模型
• 3.3.3 双阶段放热率模型
• 3.3.4 回归诊断
• 3.4 CAI 汽油机双阶段放热率模型验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 控制参数对汽油机CAI 燃烧的影响及敏感性分析
• 4.1 进气温度对汽油机CAI 燃烧的影响
• 4.2 进气压力对汽油机CAI 燃烧的影响
• 4.3 空燃比对汽油机CAI 燃烧的影响
• 4.4 排气门定时对汽油机CAI 燃烧的影响
• 4.5 进气门定时对汽油机CAI 燃烧的影响
• 4.6 排气门型线对汽油机CAI 燃烧的影响
• 4.7 进气门型线对汽油机CAI 燃烧的影响
• 4.8 控制参数敏感性分析
• 4.9 本章小结
• 第五章 4VVAS-CAI 汽油机性能仿真研究
• 5.1 4VVAS 发动机概念的提出
• 5.1.1 4VVAS 系统设计理念
• 5.1.2 4VVAS 气门型线的测定及其函数拟合
• 5.2 Simulink 控制仿真平台的建立
• 5.3 4VVAS-CAI 汽油机稳态运行范围研究
• 5.3.1 4VVAS 机构对CAI 汽油机负荷运行范围的扩展作用
• 5.3.2 CAI 汽油机稳态运行范围
• 5.4 CAI 汽油机相同运行工况下气门组合特点
• 5.5 CAI 汽油机负荷过渡的实现
• 5.6 本章小结
• 第六章 4VVAS-CAI 汽油机燃烧过程控制的试验研究
• 6.1 4VVAS 发动机试验台架
• 6.1.1 4VVAS 机构的ECU 控制系统
• 6.1.2 4VVAS 试验管理系统
• 6.2 4VVAS－CAI 汽油机试验
• 6.2.1 不同气门型线的CAI 汽油机负荷运行范围
• 6.2.2 气门型线对汽油机CAI 燃烧过程的影响
• 6.2.3 气门定时对汽油机CAI 燃烧过程的影响
• 6.2.4 相同工况下气门控制特点及燃烧过程分析
• 6.2.5 CAI 汽油机负荷过渡
• 6.3 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢