（光学工程专业论文）生物柴油柴油混合燃料发动机特性与egr标定研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n g u n i v e r s i t yo t t e c h n o l o g y f o r t h ed e g r e eo fm a s t e r s t u d yo fc h a r a c t e r i s t i c sa n de g rc a l i b r a t i o nf o r b i o d i e s e l d i e s e lb l e n df u e le n g i n e c a n d i d a t e ：w a n gh a i l o n g s u p e r v i s o r ：p r o f p e n gm e i c h u n j u n e2 0 1 0 f a c u l t yo fe l e c t r o - m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 0 6 摘要 摘要 着能源危机和环境保护的压力越来越大，车用清洁代用燃料的应用研究倍受关 物柴油是较为理想的柴油替代燃料。生物柴油理化特性与柴油相近，可以以任 和柴油混合，但粘度较大，雾化质量不好。本文开展生物柴油一柴油混合燃料在 上的适应性研究。 文主要研究内容如下： 过柴油发动机台架试验进行生物柴油掺烧比的优化研究，得出生物柴油：柴油 比。研究最佳配比的生物柴油柴油混合燃料( 简称b d 2 5 ) 在d l l 9 0 - 1 2 柴油机上 的应用性能，并与燃用纯柴油时进行对比。进行了匹配e g r 系统的生物柴油一柴油混合 燃料发动机( 简称b d 2 5 发动机) 工作过程建模与发动机性能模拟计算分析，研究了b d 2 5 发动机放热率和不同e g r 率对发动机缸内压力的影响。基于发动机的经济性、动力性、 排放性，对b d 2 5 发动机e g r 系统进行匹配标定研究，得出最佳e g r 真空度m a p 。 研究结果如下： 采用均匀设计方法设计了生物柴油与柴油最佳掺烧比筛选方案。选取燃油消耗率、 功率、烟度、n o x 和c o 作为优化指标，应用二次多项式逐步回归法分析发动机试验 数据，得出综合优化指标的混合燃料的最佳配比为生物柴油：柴油为0 2 5 ：0 7 5 。 柴油机燃用b d 2 5 与燃用纯柴油对比，外特性试验表明燃用b d 2 5 时发动机功率约 有2 的下降；负荷特性表明燃用b d 2 5 时发动机在小负荷下的燃油消耗率比柴油平均高 出约8 ，随负荷增加两者的燃油消耗率相差减少到4 ；燃用b d 2 5 时发动机的n o x 排 放比柴油高，中、低负荷下两者的差距不明显，高负荷下相差较明显，最大增幅达3 0 ； 相比柴油，燃用b d 2 5 能有效降低烟度、c o 排放，接近全负荷时尤其明显，稳态烟度 和c o 降低分别达3 3 和4 5 ，自由加速烟度降低3 4 ；燃用b d 2 5 时，发动机转速在 1 5 0 0 r m i n ，1 8 0 0 r m i n 下，微粒排放量降低，降幅分别达3 6 和2 8 左右。 利用a v lb o o s t 软件建立带有e g r 系统的d l l 9 0 1 2 柴油机的工作过程模型，在 该模型基础上通过改变燃料的理论空燃比和低热值方法建立了b d 2 5 发动机工作过程模 型。应用b d 2 5 发动机模型计算出发动机负荷特性下的燃油消耗率、功率与试验值进行 对比验证，结果表明b d 2 5 发动机模型是可靠、可行。进行了放热率和不同e g r 率对 广东工业大学工学硕士学位论文 发动机缸内压力的影响的计算，表明b d 2 5 发动机缸内最高爆发压力、温度和放热峰值 较燃用纯柴油时低；当e g r 率高于1 5 时，b d 2 5 发动机燃烧恶化，缸内峰值压力下降 明显。 基于发动机台架试验进行b d 2 5 发动机最佳e g r 真空度的标定研究，采用点工况 标定法进行试验方案设计，基于发动机的经济特性、动力特性和排放特性等综合优化 指标筛选重要工况点的最佳e g r 真空度，得出最佳e g r 真空度m a p 。结果表明，同 一油门开度下，随发动机转速的增加，最佳e g r 真空度先增大后减少；同一转速下， 随发动机负荷的增加，最佳e g r 真空度先增大后减少。 关键词：柴油机；b d 2 5 ；掺烧比；发动机性能；模拟计算；e g r 标定 a b s t r a c t a b s t m a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nc l e a na l t e r n a t i v ef u e lf o rv e h i c l eh a sb e e nd r a w nm u c h a t t e n t i o nb e c a u s eo ft h ee n e r g yc r i s i sa n dt h ei n c r e a s i n gp r e s s u r eo fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n b i o d i e s e li sa ni d e a la l t e r n a t i v ef u e lf o rv e h i c l e t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f b i o d i e s e la r es os i m i l a rw i t hd i e s e lt h a tt h e yc a nb eb l e n d e da t a n yr a t i o i nt h i st h e s i s ， a d a p t a b i l i t yo fb i o d i e s e la n dd i e s e lm i x e df u e lo nd i e s e le n g i n ew a ss t u d i e d t h eo p t i m i z a t i o no fb l e n dr a t i of o rb i o d i e s e lw a ss t u d i e db yd i e s e le n g i n eb e n c ht e s t t h ea p p l i c a t i o np e r f o r m a n c eo fb i o d i e s e l d i e s e lb l e n df u e l ( s h o r tf o rb d 2 5 ) o nd i e s e l e n g i n eo fd l 19 0 - 12w a ss t u d i e d ，a n dc o m p a r e dw i t hd i e s e l t h em o d e lo f w o r k i n gp r o c e s s o fo p t i m i z a t i o nb l e n dr a t i oo fb i o d i e s e la n dd i e s e le n g i n e ( s h o r tf o rb d 2 5e n g i n e ) w h i c h h a dm a t c h e de g r s y s t e mi ss e tu p ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n ew a sc a l c u l a t e da n d a n a l y z e d t h ei n f l u e n c e so fe n g i n et h e r m a le f f i c i e n c ya n dd i f f e r e n te g rr a t eo ne n g i n e c y l i n d e rp r e s s u r ew e r es t u d i e d t h em a t c h i n ga n dc a l i b r a t i o nf o re g rs y s t e mo fb d 2 5 e n g i n ew a ss t u d i e db a s e do nf u e le c o n o m i c s ，p o w e rp e r f o r m a n c ea n de m i s s i o np e r f o r m a n c e ， a n dt h em a po fo p t i m u me g rr a t ew a so b t a i n e d t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： a s c r e e n i n gs t r a t e g yf o rt h eb e s tb l e n dr a t i oo fb i o d i e s e la n dd i e s e lw a sd e s i g n e db y u s i n gu n i f o r md e s i g n c o n s i d e r i n gf u e lc o n s u m p t i o nr a t e ，e n g i n ep o w e r ，s m o k e ，n o xa n d c oa s o p t i m a lp a r a m e t e r s ，t h et e s t d a t aw a sa n a l y z e db yu s i n gq u a d r a t i cp o l y n o m i a l r e g r e s s i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb e s tb l e n dr a t i oo fi n t e g r a t i o no p t i m i z a t i o no fb i o d i e s e l a n dd i e s e l i s0 2 5 ：0 7 5 t h ep e r f o r m a n c eo fb d 2 5 ，u s i n gi nd i e s e le n g i n e ，w a sc o m p a r e dw i t hd i e s e l t h e e n g i n ep e r f o r m a n c es h o w st h ee n g i n ep o w e rd e c r e a s eb y2 w h e nu s i n gb d 2 5o nd i e s e l e n g i n e ，c o m p a r i n gw i t hu s i n gd i e s e l l o a dc h a r a c t e r i s t i cs h o w st h ef u e lc o n s u m p t i o nr a t e i n c r e a s eb y8 w h e nt h ed i e s e le n g i n eu s eb d 2 5a tl o wl o a d ，c o m p a r i n gw i t hu s i n gd i e s e l ， a n da st h el o a di n c r e a s et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nb i o d i e s e la n dd i e s e ld e c r e a s et o4 t h e n o xe m i s s i o ni sh i g h e rf o rb d 2 5t h a nd i e s e l ，a n dt h ed i f f e r e n c ei sn o to b v i o u sa tm e d i u m a n dl o wl o a d ，w h i l et h ed i f f e r e n c ei so b v i o u sa th i g hl o a d ，a n dt h el a r g e s ti n c r e a s ei s u pt o 3 0 t h ec oe m i s s i o na n ds m o k ed e c r e a s ew h e nu s i n gb d 2 5 ，a n dd e c r e a s eo b v i o u s l y n i w h i l ec l o s et ot h ef u l ll o a d c oe m i s s i o n ，s m o k ea n df r e ea c c e l e r a t i o ns m o k ed e c r e a s eb y 3 3 ，4 5 a n d3 4 r e s p e c t i v e l y ，c o m p a r e dw i t hu s i n gd i e s e l w h e nt h ee n g i n es p e e di s a t 15 0 0 r m i na n d18 0 0 r m i n ，p ms p e c i f i ce m i s s i o nd e c r e a s eb y3 6 a n d2 8 r e s p e c t i v e l y t h ew o r k i n gc y c l em o d e lo fd l19 0 - 12d i e s e le n g i n ew h i c he q u i p p e dw i t he g rs y s t e m w a ss e tu pb ya v l sc o m m e r c i a ls o f t w a r eb o o s t t h ew o r k i n gm o d e lo fb d 2 5e n g i n e w a ss e tu pb yc h a n g i n gt h e o r e t i c a la i rf u e lr a t i oa n dl o wh e a t i n gv a l u eb a s e t h ef u e l c o n s u m p t i o nr a t ea n de n g i n ep o w e r a tt h el o a dp e r f o r m a n c ef r o mt h em o d e lw e r ec o m p a r e d w i t he x p e r i m e n t a ld a t a t h er e s u l t ss h o wt h a tb d 2 5e n g i n em o d e li sr e l i a b l ea n df e a s i b l e t h ei n f l u e n c e so fh e a tr e l e a s er a t ea n de g rr a t eo ne n g i n ec y l i n d e rp r e s s u r ew e r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u mo fe x p l o s i o np r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dm a x i m u mo f h e a tr e l e a s ei ne n g i n ec y l i n d e r sa r el o w e rf o rb d 2 5t h a nd i e s e l w h e nt h ee g r r a t ei sh i g h e r t h a n15 ，c o m b u s t i o no fb d 2 5e n g i n ed e t e r i o r a t e s ，a n dt h em a x i m u mo fp r e s s u r ei n c y l i n d e r sd e c r e a s e s c a l i b r a t i o no fb e s te g rv a c u u mf o rb d 2 5e n g i n ew a ss t u d i e db ye n g i n eb e n c ht e s t t e s ts c h e m ew a sd e s i g n e db yc a l i b r a t i o nf o rp o i n tc o n d i t i o n t h eb e s te g rv a c u u ma t i m p o r t a n tp o i n tc o n d i t i o n sw a ss e l e c t e d ，c o n s i d e r i n gf u e le c o n o m i c s ，p o w e rp e r f o r m a n c e a n de m i s s i o np e r f o r m a n c ea so p t i m a lp a r a m e t e r s m a po ft h eb e s te g rv a c u u ma t i m p o r t a n tp o i n tc o n d i t i o n sw a sg a i n e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h eb e s te g rv a c u u mi n c r e a s e ， t h e nd e c r e a s ew i t he n g i n es p e e di n c r e a s i n ga tt h es a l t l et h r o t t l eo p e n i n g t h eb e s te g r v a c u u mi n c r e a s e ，t h e nd e c r e a s e 谢t l le n g i n el o a di n c r e a s i n ga tt h es a r f l ee n g i n es p e e d k e yw o r d s ：d i e s e l ；b d 2 5 ；b l e n d e dr a t i o ；e n g i n ep e r f o r m a n c e ；p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n ；e g r v a c u u mc a l i b r a t i o n i v 目 录 目录 摘要i 目录。v 第一章绪论一1 1 1 研究背景与意义1 1 2 生物柴油在柴油机上应用研究现状3 1 3 发动机e g r 技术的研究5 1 3 1n o x 的生成机理5 1 3 2e g r 系统降低n o x 排放的机理6 1 4 本研究课题的来源及主要研究内容7 第二章生物柴油一柴油掺烧比的试验研究8 2 1 试验设备及燃料8 2 1 1 试验设备及安装8 2 1 2 试验燃料9 2 2 试验方案1 0 2 2 1 掺烧比试验均匀设计表的构造1 0 2 2 2 各因素的水平取值和评价指标1 1 2 3 试验结果与单项优化1 2 2 3 1 燃油消耗率回归分析计算1 3 2 3 2 功率回归分析计算1 5 2 3 3 烟度回归分析计算1 6 2 3 4n o x 回归分析计算1 8 2 3 5c o 回归分析计算1 9 v 广东工业大学_ t - 学硕士学位论文 2 4 基于综合优化的最佳掺烧比2 0 2 5 本章小结2 2 第三章b i ) 2 5 燃料在柴油机上应用性能研究2 3 3 1 试验设备及试验方法2 3 3 1 1 试验设备2 3 3 1 2 试验方法2 4 3 2 燃料特性对比2 5 3 3 动力性对比2 5 3 4 经济性对比2 6 3 5 排放性能对比：2 8 3 ：5 1n o x 排放对比2 8 3 5 2c o 排放对比2 9 3 5 3 稳态烟度排放对比3 1 3 5 4 自由加速烟度排放对比3 3 3 5 5 微粒排放对比3 4 3 6 本章小结3 6 第四章b d 2 5 发动机性能模拟计算研究3 7 4 1b o o s t 软件的基本理论3 7 4 1 1b o o s t 的基本假设3 7 4 1 2b o o s t 的燃烧放热模型3 7 4 2b d 2 5 发动机工作过程模型的建立3 8 4 2 1 带e g r 系统的发动机工作过程模型3 9 4 2 2 模型参数的设置3 9 4 2 3 模型参数的估算4 0 4 2 4b d 2 5 燃料理论空燃比的计算4 1 4 2 5b d 2 5 燃料热值的计算4 2 4 3b d 2 5 发动机工作过程模型的验证4 3 4 4b d 2 5 发动机放热规律的研究4 5 4 5e g r 率对b d 2 5 发动机缸压的影响4 7 v l 5 2 2 经济性5 4 5 2 3 排放性5 5 5 3 试验数据处理5 7 5 3 1 评价方法5 7 5 3 2 最佳e g r 真空度的获取5 7 5 4 最佳e g r 真空度m a p 的验证与分析5 9 5 5 结论6 2 全文总结和展望6 3 参考文献6 6 攻读学位期间发表的论文6 9 独创性声明7 0 致谢7 1 v i i 7 8 8 0 1 1 1 2 3 3 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) 、f c o n t e n t s ( e n g l i s h ) 二v i i i ii n t r o d u c t i o n ：1 1 1s t u d yb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o ns t a t u so fb i o d i e s e lo nd i e s e le n g i n e 3 1 3s t u d ys t a t u sf o rd i e s e le g r 5 1 ：；1 p r i n c i p l eo f n o xf o r m a t i o n 5 1 3 2p r i n c i p l e o f n o xe m i s s i o nr e d u c t i o nb ye g r s y s t e m 6 1 4s u b j e c ts o u r c ea n dm a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 7 2e x p e r i m e n tr e s e a r c ho fb i o d i e s e l - d i e s e lb l e n df u e lb l e n dr a t i o 8 2 1e x p e r i m e n te q u i p m e n ta n de x p e r i m e n tf u e l 8 2 1 1e x p e r i m e n te q u i p m e n ts e tu p 8 2 1 2e x p e r i m e n tf u e l 9 2 2d e s i g nm e t h o d 10 2 2 1e s t a b l i s h i n gu n i f o r md e s i g nt a b l e 1 0 2 2 2f a c t o r sl e v e ld a t aa n de v a l u a t i o ni n d e x e s 1 1 2 3e x p e r i m e n tr e s u l t sa n di n d i v i d u a li n d e x e so p t i m i z e d 1 2 2 3 1r e g r e s s i o na n a l y s i so f s p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n 1 3 2 3 2r e g r e s s i o na n a l y s i so f p o w e r 1 5 2 3 3r e g r e s s i o na n a l y s i so fs m o k e 16 2 3 4r e g r e s s i o na n a l y s i so f n o xc o n c e n t r a t i o n 18 2 3 5r e g r e s s i o na n a l y s i so f c oc o n c e n t r a t i o n 1 9 2 4b l e n dr a t i oo f c o m p r e h e n s i v eo p t i m i z e d 2 0 2 5b r i e fs u m m a r y 2 2 3 a p p l i c a t i o np e r f o r m a n c er e s e a r c ho fb d 2 5f u e lo nd i e s e le n g i n e 3 1e x p e r i m e n t a le q u i p m e n ta n dm e t h o d 2 3 v i i i 1 _ _ _ - 。_ c o b t e n t s 墨墨暑皇皇兰葛詈= 喜詈詈= = 詈皇皇暑皇詈詈葛皇皇鲁暑詈霉詈皇暑暑詈暑詈喜暑j m l , 詈昌皇詈皇暑皇詈毫詈暑= 皇暑富鲁暑詈詈= 皇詈皇詈詈昌昌詈= 篁= 皇詈暑昌詈詈詈詈署 3 1 1e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 2 3 3 1 2e x p e r i m e n t a lm e t h o d 2 4 3 2c o m p a r i s o no f f u e lp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e s 2 5 3 3c o m p a r i s o no f p o w e r 2 5 3 4c o m p a r i s o no f f u e le c o n o m y 2 6 3 5c o m p a r i s o no fe m i s s i o np r o p e r t i e s 2 8 3 5 1c o m p a r i s o no f n o xe m i s s i o n 2 8 3 5 2c o m p a r i s o no f c oe m i s s i o n 2 9 3 5 3c o m p a r i s o no f s t e a d y s t a b l es m o k e 3 1 3 5 4c o m p a r i s o no f f r e ea c c e l e r a t i o ns m o k e 3 3 3 5 4c o m p a r i s o no f p me m i s s i o n 3 4 3 6b r i e fs u m m a r y 3 6 4r e s e a r c ho fb d 2 5e n g i n ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n 3 7 4 1b a s i ct h e o r yo fb o o s ts o f t w a r e 3 7 4 1 1b a s i ch y p o t h e s i so fb o o s t 3 7 4 1 2h e a tt r a n s f e rm o d e lo fb o o s t 3 7 4 2e s t a b l i s h i n gw o r k i n gc y c l em o d e lo fb d 2 5e n g i n e 3 8 4 2 1w o r k i n gc y c l em o d e lo f b d 2 5e n g i n ew i t he g r 3 9 4 2 2m o d e lp a r a m e t e r ss e t t i n g 3 9 4 2 。3m o d e lp a r a m e t e r se s t i m a t i o n 。4 0 4 2 4c a l c u l a t i o no f s t o i c h i o m e t r i ca i rf u e lr a t i oo f b d 2 5e n g i n e 4 1 4 2 5c a l c u l a t i o no f h e a tv a l u eo fb d 2 5e n g i n e 4 2 4 3v e r i f i c a t i o no f w o r k i n gc y c l em o d e lo f b d 2 5e n g i n e 4 3 4 4b d 2 5e n g i n eh e a tr e l e a s er a t e 4 5 4 5e g rr a t ei n f l u e n c eo nt h ec y l i n d e rp r e s s u r eo fb d 2 5e n g i n e 4 7 4 5 1c a l c u l a t i o no f e n g i n ee g rr a t e 4 7 4 5 2s i m u l a t i o na n da n a l y s i so f r e s u l t s 4 8 4 6b r i e f s u m m a r y 5 8 5c a l i b r a t i o no fe g rs y s t e mf o rb d 2 5e n g i n e 5 0 5 1e x p e r i m e n t a le q u i p m e n ta n dm e t h o d 5 1 。垒型竺墼兰型兰堡垒一一 5 1 1c h o i c eo f l o o pt u b ed i a m e t e ro f e g rs y s t e m “5 1 5 1 2e x p e r i m e n t a le q u i p m e n ts e tu p ”5 1 5 1 3c a l i b r a t i o nm e t h o do f e g rs y s t e m 5 2 5 2 a n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s 一5 3 5 2 1c o m p a r i s o no f p o w e r 5 3 5 2 2c o m p a r i s o no ff u e le c o n o m y 一：5 4 5 2 3c o m p a r i s o no f e m i s s i o np r o p e r t i e s 5 5 5 3e x p e r i m e n t a ld a t ap r o c e s s i n g j ”5 7 5 3 1e v 出u a t i o nm e t h o d 5 7 5 3 2b e s te g rv a c u u m 5 7 5 4v e r i f t c a t i o na n da n a l y s i so f b e s te g rv a c u u mm a p 6 9 5 5b r i e f s u m m a r y 6 2 s u m m a r ya n df u t u r ew o r k r e f e r e n c e s p a p e rp u b l i s h e dd u r i n gt h ep e r i o do fm a s t e r i n gd e g r e e 6 9 t h ed e c l a r a t i o no fo r i g i n a lc r e a t i o n 7 0 a c k n o w l e d g m e n t s ” x 7 1 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 随着能源危机的加深和环保问题的日益突出，环保替代能源以及机动车排放控制 技术逐渐成为世界各国研究的热点。2 0 0 3 年来我国重工业化趋势明显，对能源的需求 量不断上升，尤其是石油能源消费迅速增长，我国已经成为世界第二大能源生产国和 消费国。据统计，2 0 0 0 年我国原油进口约7 0 0 0 万吨，2 0 0 2 年进口石油近8 0 0 0 万吨， 2 0 0 3 年进口石油超过9 0 0 0 万吨，占石油消费的比例已上升为3 2 乜3 ，随着经济和社会 进步，能源已成为制约经济迅速发展的瓶颈。 近年来随着我国经济的高速发展，全国城市机动车保有量以每年1 3 以上的速度增 长。以珠江三角洲典型城市广州、深圳、佛山为例，在1 9 9 5 2 0 0 5 年1 0 年间，三市机 动车保有量分别从8 6 9 、2 3 6 和7 4 9 万辆，增长为1 7 7 5 、8 1 3 和1 7 5 5 万辆，分 别增长了1 0 4 3 、2 4 4 5 和1 3 4 3 。特别是从2 0 0 0 年到2 0 0 6 年，珠江三角洲地区部 分城市机动车数量攀升了近一倍b 1 。我国石油消费构成中，机动车的年石