（动力机械及工程专业论文）egr汽油发动机部分负荷下性能优化研究.pdf

： 塞 二 m a s t e ro fe n g i n e e r i n g t h e r m a le n e r g ya n dp o w e re n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i ub i a o d e c e m b e r ，2 0 1 0 n g l n ei n 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 覆峨 日期：必卅年，2 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：数柳氮 导师签名：近l l 孝生 日期：必删年，瑚1 日 日期：p f c 绽年，月，矿日 e g r 汽油机部分负荷下性能优化研究 摘要 随着全球能源问题和环境问题的日益突出，各国对发动机的能耗要求和排放要求也 越来越严格。发动机在部分负荷下，引入e g r ( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ) 将一部分废气 经过冷却后重新引入进气管，增加了进气管的压力和气缸的充气效率，从而降低了部分 负荷下的b s f c ( b r a k es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n ) ，同时e g r 降低了气缸内的氧浓度， 降低了缸内最高燃烧温度，抑制了n o x 的生成，是一项可以同时提高部分负荷下燃油经 济性和改善n o x 排放性能的有效措施。 本文首先建立了g 1 5 发动机的g t - p o w e r 模型并进行了标定，对g 1 5 发动机添加了 e g r 及其控制系统，分析了e g r 率对发动机的动力性影响并确定了发动机的优化区间。 随后分析了发动机在部分负荷下进排气门正时角，点火提前角和e g r 率对发动机b s f c 的影响，并引进免疫遗传算法，对发动机在该工况下的b s f c 进行优化。得出了优化后 的发动机在部分负荷下的b s f c 特性图，结果表明优化后的b s f c 特性图的燃油经济性 有明显提高。随后，为了应对越来越严格的排放法规，本文利用多目标优化算法同时优 化部分负荷下的b s f c 和n o x 排放量。采用了改进的多目标遗传算法n s g a - i i ，在 n s g a i i 的基础上添加了精英保持策略程序和去重复个体程序，得出了关于发动机 b s f c 和缸内最高燃烧温度的p a r e t o 前沿面。多目标优化结果可以看出，发动机的经济 性和n o x 排放性能是两个相互制约的性能指标，但优化结果可以供设计者作参考，设计 者可以根据当前排放要求在p a r e t o 前沿面上选择发动机的最佳油耗运行点。 关键字：汽油机；废气再循环；部分负荷；燃油经济性；n o x 排放性能 硕士学位论文 a bs t r a c t a st h eg l o b a le n e r g ya n de n v i r o n m e n tp r o b l e m sa l ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ，t h ee n e r g y c o n s u m p t i o na n de m i s s i o nl i m i t sf o rv e h i c l ea r eb e c o m i n gs t r i c t e ra n ds t r i c t e r e g r0 三x h a u s t g a s r e c i r c u l a t i o n ) i n t r o d u c e sp a r to f t h ec o o l i n ge x h a u s tg a si n t oi n p o r tp i p e ，w h i c hi n c r e a s e s t h ep r e s s u r eo ft h ei n p o r tp i p ea n dt h ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c yo ft h ec y l i n d e r s ，诵mt h ef u n c t i o n o fr e d u c i n gt h eb s f c r a k es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n ) i np a r tl o a dc o n d i t i o n s a s l oe g r r e d u c e st h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e ，a n dc o n s t r a i n st h eg e n e r a t i o n o fn o x e g ri sw i d e l ys t u d i e db e c a u s eo fi t sf u n c t i o no fi n c r e a s i n gt h ef u e le c o n o m ya n dt h e e m i s s i o nb e h a v i o rs y n c h r o n o u s l y i nt h i sp a p e r , a g a s o l i n ee n g i n ew i t hae g r i ni t sp a r t l o a dc o n d i t i o nw a ss t u d i e d f i r s t l y ， ag t - p o w e rm o d e lo fg 15e n g i n ew a sb u i l ta n dc a l i b r a t e da n dae g rs y s t e mw a sa d d e dt o t h i sm o d e l s e c o n d l y ，t h ee f f e c to ft h ei n t a k ec a ma n g l e ，e x h a u s tc a ma n g l e ，i g n i t i o na d v a n c e a n g l ea n dt h ee g r r a t et ot h eb s f cw a sa n a l y s e dw h e nt h ee n g i n ew a si np a r tl o a d e d t h e n t h ei m m u n eg e n e r t i ca g o r i t h mw a su s e dt oo p t i m i z et h ee n g i n eb s f ci np a r tl o a dc o n d i c t i o n s t h i r d l y ，i nc o n s i d e r a t i o no ft h ee m i s s i o nc o n s t r i c t i o n s ，a l lm u f f o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nw a s s t u d i e dt om i n i m 屹 et h eb s f ca n dt h en 0 xe m i s s i o ni np a r tl o a dc o n d i t i o n s a ni m p r o v e d n o n d o m i n a t cs o r t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m - ( n s g a i di su s e dt os o l v et h em u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o np r o b l e m t h ei m p r o v e dn s g a - i i ，w i t ha ne l i t i s tp r e s e r v es t r a t e g ya n dd u p l i c a t e s r e m o v i n ga l g o r i t h ma d d e d ，c a ng e tt h ep a r e t os o l u t i o ns e te f f e c t i v e l ya n ds a t i s f yt h e m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l tr e v e a l st h a tt h ef u e le c o n o m ya n dt h e e m m i s s i o nb e h a v i o ro ft h ee n g i n ea r et w oc o n f l i c t i n gt a r g e t , b u tt h ed e s i g n e rc a nm a k et h e e n g i n er u u i n gi nt h eb e s tf u e le c o n o m ya r e ab yc h o o s et h ec o n d i t i o ni nt h ep a r e t os o l u t i o n a c c o r d i n gt ot h ee m m i s s i o nc o n s t r i c t i o n k e y w o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ；e g r ；p a r t l o a dc o n d i t i o n ；f u e le c o n o m y ；n o xe m i s s i o n b e h a v i o r i l l 下性能优化研究 录 i i i i i i 1 ；1 ：! ： 4 1 4 1e g r 对汽油机部分负荷下b s f c 的影响5 1 4 2e g r 对n o x 排放的影响5 1 4 3e g r 的缺点5 1 4 4 汽油机e g r 研究现状6 1 5 本论文的主要工作：9 第2 章发动机g t - p o w e r 模型的建立1 0 2 1g t - s u i t e 仿真软件简介1 0 2 2g t - p o w e r 计算理论基础一1 1 2 2 1 模拟计算基本假设1 1 2 2 2 缸内热力计算基本方程1 1 2 3 模型边界条件1 3 2 4g t - p o w e r 仿真模型的建立及标定1 3 2 5 部分负荷下e g r 发动机稳态模型及其控制系统的建立1 6 2 6e g r 对发动机动力性能影响分析1 8 2 7 本章小结2 0 第3 章基于免疫遗传算法的发动机部分负荷下b s f c 优化2 1 3 1 免疫遗传算法2 1 3 1 1 遗传算法2 1 3 1 2 免疫遗传算法一2 2 3 2 优化模型的建立2 4 3 2 1 优化变量的选择及其对发动机b s f c 的影响分析2 4 3 2 2 优化函数2 8 3 2 3 带e g r 控制模块的s i m u l i n k 与g t p o w e r 耦合仿真模型2 8 i v 硕士学位论文 i mm li i 3 3 免疫遗传算法优化计算过程及结果2 9 3 3 1 免疫遗传算法的基础设置2 9 3 3 2 免疫遗传算法的计算流程3 0 3 3 3 免疫遗传算法的计算结果3 1 3 4 汽油机多工况下e g r 率优化结果分析3 4 3 5 本章小结3 7 第4 章基于多目标遗传算法的发动机经济性与n o x 排放性能优化3 9 4 1 优化方法一3 9 4 1 1 多目标优化问题3 9 4 1 2 多目标优化遗传算法4 0 4 1 3 传统n s g a i i 的缺点以及本文对n s g a i i 的改进4 2 4 2 优化模型的建立4 2 4 2 1 优化变量对缸内最高温度的影响分析4 2 4 2 2 优化函数的建立4 5 4 2 3 双目标输出的s i m u l i n k 与g t p o w e r 耦合仿真模型4 5 4 3n s g a i i 优化算法的计算过程及结果4 5 4 4 多目标优化结果分析一4 8 4 5 本章小结一4 9 结论与展望一5 l 参考文献5 3 致谢5 8 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 一5 9 v 1 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 9 ，2 0 1 0 图1 11 9 9 4 2 0 1 0 年我国汽车销量 汽油机的功率密度大、生产成本低、工作噪声小，仍然是新生产轿车、轻型 货车、摩托车的主要动力。柴油机的油耗低，但是它的工作噪声大，排放物中微 粒比汽油机高，使得它在轿车上的应用受到一定的限制。因此可以预见，在未来 很长一段时间内，汽油机仍然将是轿车、轻型货车和摩托车的主要动力。然而随 着汽车保有量的持续增长，我国将面临着能源问题和环境问题的双重挑战。 1 ) 能源问题l 我国能源品种丰富，但人均占有量较少。中国煤炭蕴藏量局世界第三位，但 化石能源相对不足，石油和天然气资源的探明剩余可采储量目前仅列世界第1 3 位 和第1 7 位。 能源建设不断加强，能源效率仍然较低。2 0 世纪9 0 年代以来，中国一次能源 生产总量翻了一番多，2 0 0 7 年达到2 3 7 亿吨，已成为世界第二大能源生产国。但 能源利用效率相对较低，能源生产和使用仍然粗放【2 1 。 为了应对即将到来的能源危机，在找到发动机的替代燃料之前，必须采取的 e g r 汽油机部分负荷下性能优化研究 措施有：提高发动机的效率以延长石油的使用时间；寻找新的代用燃料。 2 ) 环境问题 2 0 0 9 年1 2 月哥本哈根世界气候大会的召开被世界喻为“拯救人类的最后一次 机会 ，各国首脑聚集商讨地球的可持续发展战略，可见人类对当前环境问题的重 视程度。机动车的尾气排放是大气的主要污染源之一，内燃机排气中主要的有害 物质主要包括：碳氢化合物( h c ) 、一氧化碳( c 0 ) 、氮氧化物( n o x ) 及微粒( p m ) p 】。 据研究【4 1 ，大气中2 1 7 的h c 、3 8 5 的c o 、8 7 6 的n o x 、1 1 7 的c 0 2 、6 2 的s 0 2 、3 2 的微粒来自汽车。而在机动车聚集的城市，大气中的8 7 的h c 、6 1 的c o 、5 5 的n o x 来自汽车。因此为了保护环境，我国制定了越来越严格的排放 法规。目前我国大部分城市仍在执行国三排放标准，到2 0 1 1 年全国范围内将启动 国四排放标准。 1 2 提高汽油发动机的燃油经济性 发达国家对汽车的燃油经济性指定了明确的法规，日本2 0 0 0 年基准轿车要比 1 9 9 0 年节油8 5 ，商用车在2 0 0 3 年要比1 9 9 0 年节油4 6 ，并且随着时间的推 移，法规越来越严格；欧洲汽车工业协会要求以1 9 9 5 年为基准到2 0 0 5 年油耗减 少1 5 f 每百公里油耗6 l ) ；德国汽车工业协会也提出法案，以1 9 9 0 年为基准到 2 0 0 5 年油耗减少2 5 嘣5 。 改善汽油发动机燃油经济性的途径主要有： 1 ) 改善燃烧过程。先进的燃烧技术不仅可以提高热效率，降低燃油消耗率， 同时还可以降低有害排放物n o x 、c o 、h c 等。燃烧过程的改进主要是通过缸内 油气混合质量，促进燃烧完全性，防止失火、断火现象产生。如将燃油直接喷入 气缸中 6 - 1 0 】，燃油喷入的时间和油雾的形状可以得到精确的控制，气缸压缩比可以 做得更大，同样多的燃料产生更大的功率，损耗下降。这种方法可以使能量效率 提高1 2 左右，如大众的t s i 发动机。 2 ) 提高膨胀功。膨胀功是指工质因克服外力作用而发生膨胀时所做的功。在 内燃机中体现在燃烧工质在吸热后推动活塞做功。提高膨胀功的主要方法有提高 压缩比、推迟排气门开启时间，调整点火时刻，使压力峰值出现在上止点后 1 0 1 5 。c a 左右【1 。 3 ) 降低泵气损失。泵气损失是指内燃机中进气损失和排气损失的代数和，非 增压发动机的进气压力低，特别是在部分负荷下，由于节气门的节流损失会造成 进气压力降，因此会出现泵气损失。如对发动机进行废气涡轮增压【l2 1 ，对发动机 进行良好的增压匹配可以使发动机产生正向泵气功。 4 ) 减少机械摩擦损失。由于发动机部分负荷下的机械损失占的比例较大，例 如自然吸气式汽油机在2 0 0 0 r p m 时的平均摩擦损失压力为o 9 b a r ，如果发动机的 2 硕士学位论文 b m e p 为2 0 b a r ，则此时的机械效率为6 9 ( 2 0 2 9 ) ；而如果把发动机的b m e p 提高到4 0 b a r ( 发动机的排量减小一半) ，平均摩擦损失压力可能会增加至1 0 b a r 左右，但发动机的机械效率为8 0 ( 4 0 5 o ) 。因此采用小排量增压发动机是目前 汽油发动机的发展趋势。减少机械损失的途径有：采用3 道活塞环、使用低粘度 机油等。 5 ) 在部分负荷下采用e g r 技术。e g r 使用在柴油机上可以降低柴油机的n o x 排放，而其使用在汽油机的部分负荷下不仅可以降低n o x 的排放，同时也可以一 定程度的提高燃油经济性。 1 3 汽油机部分负荷下工作状况 部分负荷下热效率低，一直是点燃式内燃机的一个棘手问题。汽油机的燃油 能量分布是随发动机的负荷( b m e p ) 变化的，如图1 2 所示。图中汽油机的平均有效 压力b m e p 为2 b a r 左右时，燃油燃烧的热量有4 9 直接传给了冷却水，只有2 5 左 右的能量直接推动活塞转化为机械功，这2 5 左右的能量还有1 1 左右来克服活塞 环摩擦、曲轴摩擦以及驱动发动机附件做功，通过飞轮输出地能量只有1 4 左右( 平 均有效效率) 。这种情况可以随着发动机负荷的提高而得到改善，如当发动机的 b m e p 提高至u 6 b a r 时，有效效率可以提高到2 9 。 6 0 5 0 4 0 余 梏 求3 0 嘟 疆 2 0 1 0 0 - - o - - 冷却水带走热量 平均指示效率 (j 卜平均有效功率 + 摩擦损失 k 、k 、【、( k 。矗 。 斟 jl _ _ - 一 ( i ，一 r ，_ 、 ( r r _ ri t _ ，一 卜 一r 、j 夕，一 仁 j。、i - r - - _ - 一 j j i 1234567891 0l l b m e p ( b a r ) 图1 2 部分负荷的汽油机能量分布与负荷的关系 因此发动机在部分负荷下的燃油消耗率高，是因为部分负荷下的能量有效效 率低。出现图1 2 所示的变化规律，是与其工作过程的组织直接相关的。出现这种 现象的主要原因有两点：首先汽油机采用的是“定质变量 的负荷方式，在小负 3u e g r 汽油机部分负荷下性能优化研究 荷时，节气门开度小，进气真空度很高，泵气损失很大，同时，进入气缸的空气 量少，给冷却水的热量由于分子量的减少会略有减少，但是总燃油能量较小，因 此散失给冷却水的能量占比重很大。其次摩擦损失随转速和负荷的变化而变化不 明显，但是低负荷区的燃油总能量减小使得摩擦损失占得份额也比较大。针对这 个问题国内外学者提出了很多先进的概念和设想，如减小发动机的排量【1 3 - 1 5 ；采 用汽油机稀薄燃烧系统 1 6 , 1 7 ；汽油机缸内直喷及分层燃烧系统【1 8 a 9 ；利用可变气 门正时升程系统【2 0 , 2 1 】，可以在部分负荷时加大进气行程角，加大气门升程，提高 低速时的气缸充量，而在高速时加大气门重叠角，提高扫气系数，保持高速段强 劲动力输出。但是这种系统需要使用双凸轮轴，需要加装能够精密控制的附加装 置，比较难于实现，目前只在比较高档的汽车上市使用，如本田的v e t c 发动机， 丰田的v v t 发动机；应用可变压缩比技术【2 2 1 ，可以使发动机在任何工况都工作在 爆震的极限下，发挥出最大的效率，但该技术还在应用上目前还存在困难；应用 混合动力技术 2 3 , 2 4 】，利用电动机低速大扭矩的特点补偿发动机在部分负荷下热效 率低的不足，在低速部分负荷下使用电动机的动力，而在高速时使用发动机的动 力，充分发挥两者的优势，但是混合动力汽车需要加装电池、发电机、电动机以 及复杂的控制系统，不仅成本高，而且技术实现起来也比较困难，目前的主要产 品有丰田的p u r i s 。本文研究的就是在汽油机部分负荷下引入e g r 增加汽缸的充 量，提高发动机的燃油经济性。 1 4 汽油机废气再循环( e g r ) e g r 可以分为内部e g r 和外部e g r 。外部e g r 是指把排出的废气通过带控 制门的管路再引入进气系统中；内部e g r 是指利用缸内残余废气，通常通过改变 气门重叠角来实现。内部e g r 由于无法独立的有效控制e g r 流量，因此很少使 用。外部e g r 如图1 3 所示，通常需要加装一个e g r 冷却系统，然后采用一个专 用的e g r 控制门即可在发动机整个工况范围内有效控制e g r 流量。 图1 3 发动机外部e g r 的示意图 4 硕士学位论文 发动机外部e g r 率r e g r 的确定方式如( 1 1 ) 式所示 r e g r = 1 0 0 m 。+ 矾i 其中历。指废气回流质量流量，畹指进气质量流量。廊。由一个e g r 门门控制， 经过e g r 中冷器后，被引入进气总管。 1 4 1 e g r 对汽油机部分负荷下b s f c 的影响 汽油机在部分负荷下由于节气门的节流损失，进入气缸的新鲜空气减少，同 时传给冷却水的热量比例增多，工质有效压缩比减小等原因，使得部分负荷下的 b s f c 急剧上升。文献 2 5 】指出，汽油机在部分负荷下使用e g r ，由于是在节流门 后直接引入废气，增加了进气歧管的压力，从而减少了发动机的泵气损失；同时 e g r 使缸内燃烧近似稀燃，降低了燃烧温度，因而减少了冷却及散热损失，从而 提高了发动机的热效率，降低了部分负荷下的b s f c 。 1 4 2 e g r 对n o x 排放的影响 进入气缸的空气中所含有的氮气和氧气在燃烧室高温的条件下发生化学反应 生成氮氧化物，其中主要是n o ，还有少量的n 0 2 ，统一表示为n o x 。n o x 的生成 量主要取决于以下三点原因【3 】：缸内最高燃烧温度、缸内最高燃烧温度持续时间和 反应物的浓度。在汽油机工作空燃比范围内，n o x 的生成随着温度的升高而增加， 随着空燃比的增加而增加；当缸内最高温度持续时间增加时，n o x 的生成量也增 加。发动机在排气过程中，此时温度已经降下来，但是n o x 的分解缓慢，因为还 原反应在2 2 0 0 k 以下就停止进行，即存在所谓的反应冻结。因此n o x 一旦形成后， 在膨胀过程中很难分解。 e g r 的引入，对燃烧过程最重要的影响是增加了工质的比热容，c 0 2 热容量 是0 2 的1 5 倍左右，因此混合气的平均热容量上升，使得燃烧温度下降，其次e g r 稀释了进气的氧气含量，使n o x 的生成收到限制，再次e g r 使得燃烧反应速度降 低，使得高温持续时间少。因此适当的引入e g r 可以降低发动机n o x 的排放【2 6 之8 1 。 1 4 3e g r 的缺点 然而e g r 尽管有能降低部分负荷下b s f c 和n o x 的优点，但并不是汽油机在 任意工况下都可以使用e g r 。汽油机在接近全负荷时，其进气管真空度低于1 5 k p a 或节气门开度大于7 5 时，为使发动机保持充足的动力，即使n o x 排放很高，也 不应该引入e g r ；暖机过程中，冷却液温度和进气温度均较低，n o x 排放不高。 为了防止废气回流破坏发动机的工作稳定性，不应该引入e g r ；电瓶电压低于正 常值时，e g r 电磁门特性脱离线性区，为了避免e g r 流量出现紊乱，不应该引入 e g r ：为了保证燃烧的稳定性，避免失火，不应该在低速、小负荷工况引入e g r 。 5 e g r 汽油机部分负荷下性能优化研究 赵弘志在c a 6 1 0 2 上实验的结果表明【2 9 】：如果优化设计不当或者器件选择出现偏 差，那么给油耗带来的好处仅1 2 ，或干脆没有好处。更严重的是随着时间的 推移，e g r 使用零部件性能逐渐变差，e g r 管路的腐蚀沉积，其流量会变得越来 越难控制，且与最初标定值出现偏差，他所带来的好处将变的越来越小，甚至还 会出现负面影响。因此e g r 系统的引入具有两面性，应该好好把握。其次e g r 会减缓燃烧速度，增加燃烧持续期，并影响燃烧的完善程度及稳定性，从而使得 热效率下降，油耗上升，同时还会导致c o 与h c 的浓度上升。n i s s a n 汽车公司的 研究者通过数学模拟和实验研究确认，e g r 所造成的循环变动是燃油经济性恶化 的主要原因，同时由于e g r 的稀释作用而降低的燃烧速度也是一个原因【3 引。因此 汽油机e g r 的使用需要精确的e g r 控制系统，同时需要优化点火提前角，配气 定时等来弥补由于燃烧速率的降低而增加的燃烧持续期。 1 4 4 汽油机e g r 研究现状 e g r 有能降低b s f c 和n o x 优点，同时也有它的实现难度，因此引起国内外 众多学者的研究。国内外学者对汽油机的e g r 的研究主要集中在以下三个方面。 1 ) 汽油机分层燃烧系统 j a c k s o nn s 等对提出了一个分层燃烧的概念【3 1 1 ，他们设想用一个涡流系统将 e g r 和新鲜混合气实现分层，将废气分布在气缸的外层，新鲜混合气分布在里层， 这样可以降低缸内最高燃烧温度，同时提高气缸充量等；并建立了气缸的c f d 模 型和发动机试验装置。c f d 和实验数据的结果表明，在进气冲程中，两成工质之 间的互渗现象非常复杂，c f d 的仿真结果还表明，在压缩冲程，两层工质之间的 互渗现象也很复杂，因此导致燃烧不好控制。s a n g m y e o n gh a n 等对这个系统进行 了改进【3 2 】，他们的试验结果表明，在进气冲程，废气和新鲜混合气能够实现有效 的分层，但是在压缩冲程的后期仍然有明显的互渗现象。他们的试验结果有明显 的改善，通过与传统的汽油机比较，e g r 分层燃烧系统的发动机在部分负荷下能 够有效降低b s f c ，并且实现稳定的燃烧，而且在这个系统上他们还实现了大比例 的e g r 率。d i t um 在一分层燃烧e g r 汽油机上进行了实验【3 3 】，他指出，在进气 歧管引入e g r ，能够更好的实现分层效应，发动机能够接受最大的e g r 率可以达 到2 6 ，他们在部分负荷下采用该分层燃烧系统成功的实现了b s f c l 0 的降低。 m i nx u 分析了废气与新鲜混合气分层燃烧的运行机理，他建立了一个气缸的k i v a 模型，通过改变e g r 率、湍流强度、两种工质的流动方向，以及渗入新鲜混合气 中的e g r 废气量，来研究缸内燃烧状况p 引。分析了不同气流速度、温度、密度、 湍流强度以及离心力对两种工质混合的影响。他的仿真结果认为：大的e g r 率可 以降低缸内燃烧温度，进而减少n o x 的排放；在分层效果好的系统中，发动机可 以接受5 0 的大e g r 率；湍流强度越大，e g r 与新鲜混合气的互渗现象越明显， 6 硕士学位论文 因此他认为湍流强度不应超过2 o 。 2 ) 发动机部分负荷下引入e g r h e l m u tb l a n k 指出【35 1 ，e g r 在汽油发动机上使用的主要目的是降低发动机在 部分负荷下的节流损失，从而提高发动机的整体燃油经济性，其次才是减少发动 机的n o x 的排放，他们通过实验给出了如图1 4 所示的汽油机适宜使用e g r 的区 域。图中可以看出e g r 只适合于在低速部分负荷下使用，汽油机在高速大负荷区， 不应引入e g r 。而图1 4 的下半部分是发动机的小负荷区域，由于小负荷和启动 工况，e g r 会影响发动机的工作稳定性，同样不能使用e g r 。 - 一 芭 焉 。 一 s t r o l l 【1 1 1 1 i n 图1 4 汽油机e g r 使用e g r 的区域 r l a n v e r g n e 建立了一个四缸汽油机的k i v a 模型【3 6 】，目的是分析部分负荷下 ( 发动机转速为2 0 0 0 r m i n ，b m e p 为2 b a r ) ，使用两个火花塞与一个火花塞的区别。 由于该发动机每缸只有两个气门，便于安装两个火花塞。他的仿真结果证明，安 装两个火花塞后，只要两个火花塞的位置布置合理，可以形成两个火焰中心。得 到这个结果对发动机的好处是，在部分负荷下发动机能够接受的e g r 率大大提高， 燃烧也能更平稳，燃烧速度加快。他用实验将该工况下的e g r 率提高到了2 8 ，并 能使发动机平稳运转，提高了发动机该工况下的燃油经济性。 汽油机增压是现在发动机的发展方向之一，然而汽油机增压的一个重大阻碍 就是汽油机容易发生爆震【3 7 1 。a l a s d i rc a i r n 等的试验证明【3 8 ，3 9 1 ，冷却的e g r 废气 由于具有比空气更高的比热容，是一种有效的爆震抑制剂。他在一增压缸内直喷 汽油发动机上进行了实验，在部分负荷下引入了e g r ，在新的欧洲道路循环标准 下运行，发动机比原来较少了1 0 的c 0 2 排放，更重要的是，当增压压力较高时， 冷却的e g r f l 甚够有效的抑制发动机发生爆震。他将增压后引入e g r 的发动机与普 通发动机比较，在同样的的欧洲道路循环下，发现前者的c 0 2 排放较少1 7 ，c o 排放较少7 0 ，h c 排放减少8 0 。 t e r r ya l g e r 在一个单缸点燃式汽油机上进行了实验【4 0 4 2 1 ，他在进气成分中掺 7 e g r 汽油机部分负荷f 性能优化研究 入少量的氢气( 体积分数 c 巴 c r a n ka n g l e ( c a ) 图2 1 进排气阀门升程与曲轴转角的关系 阀门的参考直径取气缸的直径7 5 m m ，阀门的流量系数按照气道试验实验的结 果进行设定。 4 ) 气缸相关参数的设置 气缸参数主要包括气缸基本尺寸，缸内散热模型，缸内温度边界条件，燃烧 模型等。其中气缸温度边界条件设置中气缸头取5 0 0 k ，活塞温度5 0 0 k ，气缸壁 温度4 5 0 k ；气缸传热模型采用式( 2 7 ) 所示的w o s c h n i 模型，燃烧模型采用韦伯函 数模型，韦伯参常数取2 。 5 ) 曲轴箱模型的设置 曲轴箱的主要参数包括发动机结构形式，点火间隔和点火顺序，f m e p ( 平均 摩擦有效压力) ，这些参数都按照表2 1 中的参数进行设置。 6 ) 外部环境的设置 进气系统的外部环境设定为：压力为1 个标准大气压，温度为2 9 8 k 。 排气系统的外部环境设定为：压力为1 个标准大气压，排气温度为5 0 0 k 。 将上述各模块搭建和参数设置完成后，连接各模块，得到如图2 2 所示的发动 机仿真模型。 1 4 图2 2 发动机仿翼模型 将模型调试到可运行状态，然后通过仿真计算得出发动机的外特性曲线。为 了确认仿真模型的准确性，本文对仿真模型用实验数据进行了标定，模型仿真的 发动机外特性曲线与发动机实测外特性曲线对比如图2 - 3 所示。图2 3 可以看出仿 真模型的四个性能指标与实验参数的误差不超过5 ，因此可以作为后续优化计算 的基础模型。 ( a ) 软件自带的控制系统具有结构简单、易操作的特点，图2 5 是节气门控制系统的基 本模块。 其中b m e p 传感器模块直接从曲轴箱模块中读取发动机当前的b m e p 值。p i d 控制模块的控制方程如下： 厂j、 u k ( r ) = lk d + 印+ 蔚i 衍i e k ( t ) ( 2 6 ) a l 式中，u k ( o 为p i d 控制器的输出信号，e k ( t ) 为传感器读取的新号与目标信号的 差，或简称误差信号，材，助，蔚分别为微分，比例，积分常数。由于汽油机采 用的“定质变量”的负荷方式，因此发动机的b m e p 直接相关的量是节气门处的 流量，而流量与节气门的流通面积直接相关。为了去除节气门角度与b m e p 之间 的非线性关系，在控制系统中添加了算术平方根求取模块。该模块是把p i d 控制 器的输出信号求取算术平方根，也即把节气门面积控制信号变成角度信号。信号 延迟模块是在模型初始化的几个循环内为了防止p i d 控制器输出奇异值而使发动 机运行紊乱，采用个固定的节气门角度先使发动机运行稳定。节气门角度控制 模块可以直接控制节气门的角度。 图2 4 部分负荷带e g r 回路的发动机g t - p o w e r 模型 钽跨 鄄 一。罐銎一。8 7 s 38 7 2 18 7 2 2s o r t2 5 8 执行器模信号延迟算术平方 块模块根求取模 块 p i d 控制 模块 b m e p 传 感器模块 图2 5 发动机节气门控制模块图 为了验证模型的可靠性和抗干扰性，本文对发动机在一特定工况( 转速 2 0 0 0 r m i n ，b m e p 为2 b a r ) 下进行了验证。图2 6 是左是b m e p 控制效果图，右是 发动机的e g r 率，用来给控制系统作干扰信号。在该控制系统中k p = 0 7 5 ，k i = 9 ， k d = 0 ，信号延迟模块的初始输出为4 5 。，延迟时间为3 个循环。图中可以看出， 在g t - p o w e r 初始化的几个计算循环后发动机能迅速的将b m e p 稳定在2 b a r ，即使 1 7 e g r 系统将一部分废气从排气总管后引出，经过冷却节流后直接引入进气总 管，它包括e g r 管道，e g r 冷却系统，e g r 阀门，以及e g r 阀门控制系统。e g r 阀门控制系统同样是采用传统的p i d 控制器，为了便于研究e g r 率变化对发动机 的性能影响，在本文的e g r 发动机模型中将e g r 阀门控制模型建立在与g t - p o w e r 软件耦合的s i m u l i n k 软件中，其控制原理与控制方法与节气门控制模块的一样。 2 6e g r 对发动机动力性能影响分析 为了确定发动机的优化区间，需要分析e g r 对发动机动力性能的影响。这里 分析了e g r 对发动机部分负荷、全负荷以及低负荷的工况下的动力性能的影响。 1 1 部分负荷下e g r 对发动机动力性能的影响 将节气门分别设置为1 8 。和2 5 。的位置，发动机转速为2 0 0 0 r m i n ，增加发动 机的e g r 率得出部分负荷下发动机的b m e p 随e g r 率的变化关系如图2 7 和2 8 所示。 e g r ( ) 图2 7 节气门开度为1 8 。的稳态工况下e g r 率对发动机的b m e p 的影响 1 8 p 的影响 高，动力性也会 有所提高。在不同的负荷下其影响程度也不同，当负荷达到4 b a r 以上时，发动机 能接受的e g r 率也减小，其动力提升空间也减小。 2 ) 全负荷下e g r 对发动机动力性能的影响 将节气门设置为全开状态，发动机转速为2 0 0 0 r m i n ，增加发动机的e g r 率， 得出全负荷下发动机b m e p 随e g r 率的变化关系如图2 9 所示。图2 9 中可以看 出随着发动机e g r 率的增大，b m e p 急剧下降。这就证明了全负荷下发动机使用 e g r 会影响其动力性，因此不适宜使用e g r 。 言 e 山 复 e g r ( ) 图2 9 节气门全开的稳态工况下e g r 率对发动机b m e p 的影响 在怠速工况，发动机的动力输出趋于平稳，而文献【3 0 】指出e g r 的引入会引 起发动机循环变动，可能导致发动机动力输出不平稳甚至熄火。而发动机在冷启 动时，冷却水温度、机油温度等参数不稳定，因此e g r 得不到冷却，同时发动机 需要迅速暖机，不需要考虑动力性能的影响。因此在这两种情况下不适合于引入 e g r 。 1 9 e g r 汽油机部分负荷f 性能优化研究 总结以上的结论，发动机在部分负荷下使用e g r 会适当的提高发动机的动力 性。在怠速低负荷、启动等工况下e g r 会影响燃烧稳定性，使得发动机工作不稳 定，而在高负荷工况，e g r 会影响发动机的动力性，使得发动机的输出功率减小， 模拟分析的结果符合文献 3 5 】的结论。因此本文将e g r 的优化区域选在发动机的 部分负荷工况下，其转速范围为1 0 0 0 2 5 0 0 f f m i n ，负荷范围为2 - 4 b a r 。 2 7 本章小结 本章对发动机一维模拟软件g t - p o w e r 进行了简要介绍，介绍了软件的基本假 设和计算基本理论。首先，根据g 1 5 汽油发动机的结构参数建立了它的g t - p o w e r 模型，并对模型主要部分的建模过程进行了介绍。其次，根据g 1 5 的试验外特性 数据对模型进行了标定，在标定模型的基础上建立了e g r 回路，以及e g r 发动 机部分负荷下的稳态工况，作为后续章节优化e g r 率的基础。最后分析了e g r 对发动机各个工况的动力性能的影响，发现在部分负荷下使用e g r 能提高发动机 的动力性，因此确定了e g r 发动机的优化区域。 3 1 免疫遗传算法 必 等 传 本 算 3 1 1 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机 理的生物进化过程的计算模型，它是一种模拟自然进化过程搜索最优解的方法。 遗传算法的首次出现是在2 0 世纪6 0 年代，是美国m i c h i g a n 大学的j o h nh o l l a n d 教授在对自然和人工自适应系统的研