（动力机械及工程专业论文）醇油双燃料在内燃机上应用的标定研究.pdf

中文摘要 本课题主要针对醇燃料( 甲醇和乙醇) 应用在压燃式和点燃式发动机上的标 定研究。通过分析国内外的发动机标定技术和电控系统发展状况，使用神经网络 和模糊控制理论对醇类燃料在发动机上应用进行了台架和道路标定，提出针对稳 态和瞬态工况的标定方法，为醇类燃料推广应用奠定了坚实的基础。 本课题应用的醇燃料包括甲醇和乙醇分别在压燃发动机上的组合燃烧，甲醇 以裂解气的形式在点燃发动机上的组合燃烧。这些应用中的电子控制系统采用飞 思卡尔1 6 位单片机构成：标定系统采用了c a n 总线通讯，实现电控系统和p c 机 的通讯。为了达到电控系统对发动机喷醇的控制，需要完成的标定工作包括电控 系统组件标定，经济性运行脉谱标定，排放运行脉谱标定和道路标定等。 根据标定要求和内容，在一台六缸增压柴油机上应用了乙醇燃料，根据不同 的标定参数获得了发动机的性能指标，对影响这些性能指标的标定参数进行了讨 论和优化；在一辆斯太尔( 装有w d 6 1 5 增压中冷柴油机的集装箱) 卡车上搭载了 甲醇燃料发动机后，根据不同的路面状况和运行工况获得了发动机在相应路况下 工况分布的统计频次，按照百公里油耗方法获得了进一步优化标定的经济运行脉 谱；另外，在一台四缸全电控汽油机上，采用汽油加热、废气中氧浓度反馈方法 进行过渡的方法成功燃用了甲醇裂解气，在台架上通过标定工作及随后的道路试 验，实现了电控系统对发动机的控制。 研究表明，经过标定，醇燃料发动机的经济性普遍优于原机，排放也得到了 改善。在发动机中低负荷工况，必须依据替代率来标定喷射脉谱，否则过高或者 过低的替代率将导致经济性恶化；当发动机负荷达到一定数值后，替代率不会对 经济性有较大影响；采用醇燃料的发动机，其n o x 排放普遍得到降低，特别是 在中小负荷；在中高负荷工况，替代率对n o x 减少没有较大改变，应该尽量减 少醇燃料的喷射，以避免增加h c 排放。 醇燃料组合燃烧发动机的c o 和h c 在催花前较原机有大幅增加，特别是在 中低负荷，经过催化氧化转化器，c o 和h c 排放得到有效控制，原低于原机， 并达到国i 排放要求；烟度排放总体水平由于醇燃料的加入得到改善，试验表明， 全负荷的烟度排放需要通过标定工作来改善。 瞬态标定表明，采用神经网络模型细化的控制脉谱和模糊控制模型获得的 维控制脉谱能够帮助醇燃料发动机在城市工况降低烟度排放；在上海等地的道路 标定试验结果证明，醇类燃料能够实现对原机的汽油或柴油替代，性能指标特别 是经济性比较理想，其中，甲醇对柴油的替代率在2 0 , - - 4 0 ，替换比在1 6 2 2 之间；甲醇裂解气和汽油的组合燃烧，能够达到替换比为1 3 1 5 。 本课题通过试验标定和模型优化，实现了醇燃料发动机较好的经济性和排放 性能，试验表明，本文在台架和道路标定研究中的一系列工作对于醇类燃料的应 用具有十分重要的意义。 关键词：组合燃烧，标定，台架试验，道路试验，乙醇，甲醇，裂解气 a b s t r a c t t h em a i np o i n to ft h i ss t u d yi st ol o o k i n gf o rc a l i b r a t i o no fm e t h a n o lo re t h a n o l a p p l i e di ns ia n dc ie n g i n e b a s e do nt h ea n a l y s i so fc a l i b r a t i o no fd i e s e la n dg a s o l i n e a n dn e we n e r g yf o re n g i n e ，t h i ss t u d yb r i n g sf o r w a r dn e u r a ln e t w o r k sa n df u z z y l o g i cc o n t r o la p p l i e di nc a l i b r a t i o no ft r a n s i e n ts t a t eo p e r a t i o na n ds t e a d ys t a t e o p e r a t i o no fa l c o h o le n g i n ef r o mt h eb e n c ht e s tt ot h er o a dt e s t , w h i c he s t a b l i s ht h e s o l i df o u n d a t i o nf o ra l c o h o lp o p u l a r i z a t i o na n d a p p l i c a t i o n t h ea p p l i e da l c o h o li nt h i ss t u d yi n c l u d e st h em e t h a n o la n de t h a n o li n j e c t e di n t o t h ec ie n g i n ea sc o m p o u n dc o m b u s t i o nr e s p e c t i v e l y , t h em e t h a n o ld i s s o c i a t e di n t o h y d r o g e ng a sa n dc a r b o nm o n o x i d es u b s t i t u t e sf o rg a s o l i n ei ns ie n g i n e t h e e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) t of u l l f i lt h e s ef u n c t i o ni sb a s e do nf r e e s c a l em c 9 s12 m i c r o c o n t r o l l e r ；t h ec a l i b r a t i o ns y r s t e mh a sa c h i e v e dc o m m u n i c a t i o no fe c ua n d p e r s o n a lc o m p u t e rb a s e do nc o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ( c a n ) p r o t o c 0 1 i no r d e rt o o p e r a t ea l c o h o le n g i n eu n d e re c u ，t h ec a l i b r a t i o no fs e n s o r sa n da c t u a t o r s ，t h em a p s f o ra u t o m a t i o no fe n g i n eo p e r a t i o nw i t hb e a e rf u e le c o n o m ya n dl e s se m i s s i o na n d t h em a p sf o rv e h i c l et r a v e l i n ga r ea l lr e q u i r e d t h i ss t u d ym o d i f i e dat u r b o c h a r g e dd i e s e l e n g i n ew i t hs i xc y l i n d e r st oa n a l c o h o l - i n j e c t i o ne n g i n ea c c o r d i n gt ot h en e e d so fc a l i b r a t i o na n dd i s c u s s e da n d o p t i m i z e dt h ec a l i b r a t i o np a r a m e t e r st oh a v ea ne f f e c to nf u e le c o n o m y ，e m i s s i o na n d d y n a m i c s as t e y rt r u c ka d a p t e di n t od u a lf u e le n g i n ew a so p e r a t e do nd i f f e r e n tr o a d c o n d i t i o n sa n dl o a dc o n d i t i o n sw h i l ef u l l yf r e q u e n c ys t a t i s t i c a la n a l y s i so fc o n d i t i o n s h a sb e e ng i v e n t e s t i n gf o rf u e lc o n s u m p t i o np e rh u n d r e dk i l o m e t e r si su s e dt o i m p r o v et h em a p ss t o r e di nt h em e m o r yo fe c u ；af u l l ye l e c t r o n i c a lc o n t r o l l e ds i e n g i n ea d a p t e di n t od i s s o c i a t e dg a sf r o mm e t h a n o lh a sa c h i e v e da u t o m a t i o no p e r a t i o n b a s e do nc a l i b r a t i o nt e s t t h es t u d ys h o wt h a tf u e le c o n o m yo fa l c o h o le n g i n ei sg e n e r a l l ys u p e r i o rt ot h a t o fd i e s e le n g i n ea n dg a s o l i n ee n g i n e ，b e s i d e st h ee m i s s i o ni sa l s oi m p r o v e d i ti s r e q u i r e dt oc a l i b r a t eb a s e do nt h er e p l a c e m e n tr a t eo fm e t h a n o lo re l s et o oh i g ho rt o o l o wr e p l a c e m e n tr a t ew i l ll e a dt od e t e r i o r a t i o no ff u e le c o n o m yf o rd u a lf u e le n g i n e i n c r e a s eo fr e p l a c e m e n tr a t ew o n tb r i n ga b o u tac h a n g eo nt h ef u e le c o n o m yw h e n t h ee n g i n el o a dc o m e st oac e r t a i nd e g r e e t h en o xe m i s s i o no fa c h o h o le n g i n e d e c r e a s e du n i v e r s a l l y , e s p e c i a l l yi nm e d i u ma n dl o wl o a dc o n d i t i o n sw h i l et h en o x e m i s s i o nh a sl i t t l e c h a n g ew i t hm o r ee t h a n o lu n d e rt h eh i g hl o a dc o n d i t i o n s t h e r e f o r ei ts h o u l db ed e s i g n e dt od i s m i n i s ht h eq u a n t i t yo fe t h a n o lu n d e r h i g hs p e e d c o n d i t i o n ，o t h e r w i s en o xe m i s s i o nw i l ln o td e c r e a s eb u th ce m i s s i o ni n c r e a s e t h eh ca n dc oe m i s s i o ni n c r e a s e g r e a t l y w i t hn o c a t a l y t i co x i d a t i o n ， e s p e c i a l l yi nm e d i u ma n dl o wl o a dc o n d i t i o n s a l t h o u g hb yt h ec a t a l y t i co x i d a t i o n ， t h e ya r el o w e rt h a nt h ed i e s e le n g i n ea n dm e e t i n ge u r ol l is t a n d a r d t h ee t h a n o l e n g i n eh a saw h o l el o wl e v e lo fs o o tw h i l et h eo n l yw o r ki st od e c r e a s es o o te m i s s i o n u n d e rf u l l1 0 a dc o n d i t i o n s t h ec a l i b r a t i o nf o re n g i n eu n d e rt r a n s i e n ts t a t eo p e r a t es h o wt h a tt h em e t h a n o l e n g i n ec a nd e c r e a s es o o te m i s s i o nw i t ht h et w o - d i m e n s i o n a lm a p so p t i m i z e db y n e u r a ln e t w o r k sm o d u a la n do n e d i m e s i o n a lm a p sb yf u z z yc o n t r o lm o d u a l t h ev e h i c l er o a dt e s ti ns h a n g h a ia n do t h e rp l a c es h o wt h a tt h em e t h a n o le n g i n e a n dv e h i c l ec a na c q u i r eap r e t t yf a i r p e r f o r m a n c ee s p e c i a l l yi n f u e le c o n o m y m o r e o v e rt h er e p l a c e m e n tr a t eo fm e t h a n o li sb e t w e e n2 0p e r c e n ta n d4 0p e r c e n t w h i l et h er a t eo fm e t h a n o li nt h ed u a lf u e le n g i n et os u b s t i t u t e dd i e s e li sb e t w e e n1 6 a n d 2 2 t h r o u g h o u tt h i ss t u d yt h ea l c h o h o le n g i n ec a nr e a c hb e t t e rf u e le c o n o m ya n d e m i s s i o nb yc a l i b r a t i o na n dm o d u a lo p t i m i z a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a ta g r e a td e a lo f w o r ki nt h eb e n c ht e s ta n dr o a dt e s ti sb e n e f i c i a lt ot h ea l c o h o l sa p p l i c a t i o na n d e x t e n s i o n k e yw o r d s ： c o m p o u n dc o m b u s t i o n ，c a l i b r a t i o n ，b e n c ht e s t ，r o a dt e s t , e t h a n o l ，m e t h a n o l ，d i s s o c i a t e dg a s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：栖建罩签字同期：勺呷 年了月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 秘建军 签字日期：咿年p 月f 日 导师签名 签字r 觏：o 年具 r 天津大学博士学位论文醇油双燃料在内燃机上应用的标定研究 1 1 研究背景 第一章绪论 1 能源 国卜1 和1 - 2 是我国近几年的原油产量、进口量和柴油消耗量的情况，从图 中可以看出，尽管近几年来我国的原油产量在逐年上升，但每年仍然需要不断增 加进口量，这其中，柴油消费量占到了很大的比例。能源问题已经成为了越来越 严重的制约，特别是到了2 0 0 8 年，柴油价格急剧上涨，7 月份，柴油成品油价 格上涨到了6 同升以上，而且供应非常紧张，全国各地加油站都在限量使用柴 油。只是到了2 0 0 8 年1 0 月的全球经济危机，石油价格才一路下跌但最近的 段时间，石油价格又在逐渐地呈上升趋势。 2 。2 0 0 42 ；2 。0 62 0 0 72 蝴 年份 图1 1 我国近年来原油产量 2 5 0 2 0 0 0 9 1 5 0 0 0 1 。0 0 0 毫 ”5 0 0 0 o 年份 图1 - 2 我国石油进口和柴油消耗量 图1 32 0 0 8 年全国各地出现的“柴油荒” 2 捧放 在柴油机中，由于柴油使用的是宙有过量空气的稀燃燃烧，因此，h c 和c o 一甘一单一k景峰 第一章绪论 排放比较少主要的排放是n o x 和p m 排放。柴油机的燃烧温度比较高空燃比 较大，古氧量高，有利于n o x 排放物的生成；另一方面。柴油机的扩散燃烧占到 了很大的比例它造成了燃烧过程中多处的不均匀混合气，使得燃烧不完全，同 时由于柴油宙硫量比较高容易形成硫酸盐等( 构成柴油机p m 排放的主要组成 部分) ，再加上柴油机的燃烧温度高，柴油的高温裂解现象严重，因此形成了大 量的碳烟捧放和p m 排放i 】j i 。 在柴油机中p m 和n o x 排放物是此消彼长的关系：降低燃烧温度，有利 于降低n o x 排放如减少预混燃烧，降低进气温度，都会造成p m 排放物的增 加，反之亦然。所以，在柴油机，特别是机械泵柴油机上，很难同时减少这两类 尾气排放物 图1 4 传统柴油机的黑烟排放 由于柴油机的排放物对环境造成了严重的破坏嘲，因此，各国政府相继提出了 越来越严格的排放法规，以达到强制减少汽车特别是柴油机车尾气排放的目的。 如图1 5 所示就是歇美国家的尾气捧放控制趋势。 们5 互= ；i 一 u “ ：，口 。群z 蠢嚣船蒿 帅i ，2 ”j c i5 6 欧簧巨气排敲拉制趋苷；w ”i _ 三： 图1 5 欧美国家尾气捧放控制趋势 霹 天津大学博士学位论文醇油双燃料在内燃机上应用的标定研究 我国采用的是欧洲标准，虽然实施的时间比欧洲晚，但速度很快。2 0 0 8 年 7 月1 日，我国实行了国m 排放标准。为了满足国i i i j f 放要求，需要对满足国i i 排放标准的柴油机进行技术升级，主要有四种传统技术路线，它们分别是高压共 轨，电控单体泵，电控泵喷嘴和电控直列泵加e g r 。采用前三种技术路线能够 改善柴油机的燃油喷雾状况，特别是高压共轨，由于它的轨压不受转速影响，能 够保证恒定的喷射压力，而且能够实现多次喷射，从根本上降低了n o x 和p m 排放物。电控单体泵采用每缸一个高压油泵，缩短了高压油管，能够有效提高喷 射压力，可以达到1 8 0 m p a 以上，因此能够明显降低柴油机的排放。电控泵喷嘴 虽然也能够满足国i 排放要求，但要在现有的满足国i i 排放的柴油机上升级，对 于发动机的改动特别大，因此应用受到了限制。电控直列泵加e g r 是在国i i 排 放的机械泵柴油机上直接升级：将原来的机械调节柴油供应改为电控齿条调节， 以精确控制柴油喷射，同时采用e g r 循环降低n o x 排放，因此能同时降低n o x 和p m 排放，而且价格比其采用其他三种技术路线的产品要便宜，因此得到了普 遍的欢迎，但目前，该类产品由于运行当中油耗比大，运行成本增加，因此j 其 优势受到影响。 面对即将到来的欧排放标准，目前比较认可的两种技术路线都要求采用高 压喷射，最好是采用高压共轨供油系统，区别在于后处理技术：一种是采用选择 性催化还原( s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ：s c r ) ，另外一种是采用e g r 加 d p f ( d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e 0 ，当然可变增压技术和可变定时对于改善排放非常有 利。目前，比较倾向于采用第一种技术路线，这是由于采用s c r 能够较后者具 有较高的燃油经济性，而采用后者的话，除了油耗较高，d p f 的再生也是一个仍 待解决的问题。s c r 的主要问题在于建立生成还原剂的尿素加注站。 第一章绪论 e 黼“ 图i - 6 康明斯i s b 发动机的后处理 如图】- 6 所示，康明斯集成式排放控制系统口1 采用了选择性催化还原技术 ( s c r ) 使得发动机达到了歇，欧v 排放法规的要求。在s c r 中，一种被称 为a d b l u e 的反应剂( 它是s c r 欧四发动机所需要的车用尿素溶液的商品名称) 与 n o x 进行反应，并起到中和作用。a d b l u e 是一种无毒、无味、不易燃的液体，喷 入排气系统中的a d b l u e 数量由电子计量控制单元进行精确控制。在排气气流高温 的作用下，a d b l u e t k 解并释放出氨分子。n o x 和氨分子在催化器中反应，反应后 只生成氮气和蒸汽状态的水，由于氮气完全无害，在我们呼吸的牢气中，氮气的 成分几乎占了8 0 ，因此，s c r 可以说是非常清洁和安全的技术。 匹配这套系统的发动机和上一阶段的发动机相比具有以下优势： ( 1 ) 在限定的t 作负荷循环条件下，i s b 燃油经济性能最高可以提高7 ； ( 2 ) 发动机燃油喷射正时得到了精确控制，减少了来燃烧燃油在机油中形成 的积碳，耐久性得到了提高； ( 3 ) 相对于其他排放控制技术，s c r 系统的散热量较低，对车辆冷却系统 无特殊要求。 以上针对不同捧放要求的解决措施都是建立在传统的燃料基础上的，由于 烃类燃料本身不含氧，不能根本解决柴油机中n o x 和p m 排放之间的此消被长 的矛盾为此，内燃机工作者不断尝试使用含氧燃料掺入柴油中，希望改善或者 从根本上解决这个问题。这些含氧燃料包括醇、醚、酯等，醇主要是低碳醇包括 甲醇和乙醇，醚主要是二甲醚，酯主要涉及生物柴油等。对于这些含氧燃料在柴 油机上的研究已经持续了很长的时间目前甲醇、乙醇和二甲醚被认为是内燃机 最理想的替代燃料。其中甲酵和乙醇被认为适宜于替代汽油点火燃烧，二甲醚则 是柴油最理想的替代燃料。这些替代燃料不仅能够替代柴油或汽油传统燃料，缓 解能源紧张的局面，同时也能够由于这些含氧燃料的加入燃烧，使得内燃机的燃 烧得到根本的改善，解决排放的问题。 。魄 器“ 天津大学博士学位论文醇油双燃料在内燃机上应用的标定研究 1 2 醇类燃料及其在发动机上的应用 1 甲醇 甲醇是一种可以清洁燃烧的液态可替代燃料。甲醇通常以天然气或煤为原 料，但生物质，比如甘蔗渣等也能够用来生产甲醇。甲醇一般用于生产塑料、夹 板和油漆的有机溶剂，也可以用于生产挡风玻璃清洗液和防冻液。 甲醇作为内燃机替代燃料，它具有高辛烷值，能够应用在高压缩的发动机上， 有利于提高热效率。比如，甲醇汽油混合液m 8 5 ( 8 5 的甲醇，1 5 的无铅汽油) 的辛烷值为1 0 2 ，优质无铅汽油的辛烷值则为9 2 ，而普通无铅汽油为8 7 。同时 m 8 5 燃料燃烧以后排放的致癌物质，比如乙醛，苯和1 ，3 丁二烯，都比汽油相 应减少了5 0 。 甲醇作为单一燃料应用在发动机上具有如下缺点： ( 1 ) 甲醇的热值只有汽油的一半，同样质量的甲醇，汽车的续驶里程大大减 少； ( 2 ) 纯甲醇沸点固定，为6 4 ，汽化潜热高，达到1 1 7 8 k j k g ，而汽油只有 3 3 0 - 4 2 0 k j k g 。这使得甲醇在绝热1 2 2 条件下就会变凉，导致发动机冷启动困 难，出现结冰现象。 ( 3 ) 甲醇燃烧时火焰看不见，存在很大的安全问题； ( 4 ) 甲醇汽油混合会出现反常的高蒸汽压，导致烃类物质的蒸发。 甲醇汽油在加州的试点项目开始于1 9 8 8 年。当时，由美国能源委员联手埃克 森、美孚、壳牌等多家石油公司在加州建造了6 0 多个甲醇加油站，为各种灵活 燃料车提供甲醇汽油。到1 9 9 6 年，加州大约有1 3 0 0 0 辆灵活燃料车。该试点项 目共进行了1 5 年，到2 0 0 3 年结束1 6 j 。 国内的燃料甲醇主要应用在点燃式发动机机上，山西省最早示范推广甲醇 汽车。2 0 0 2 年，山西省在太原、阳泉、临汾、晋城等4 个城市进行了甲醇汽油 产业化示范推广。山西佳新公司生产的m 8 5 m 1 0 0 甲醇燃料公交车和城际公交 车，先后在阳泉、太原至晋中等地投入运营；大同云岗汽车集团公司推出的全甲 醇燃料装置，已经在省内外改装在用车达1 0 0 0 辆，年消耗甲醇1 万多吨。全省 累计使用甲醇汽油的机动车达到了约5 0 万辆次，涉及约5 0 种车型，共消耗甲醇 汽油达到1 5 0 0 0 吨，使用变性甲醇2 0 0 0 吨。 在汽车生产厂家特别是自主品牌汽车方面，奇瑞汽车和吉利汽车集团都相继 推出了m 1 0 0 纯甲醇汽车。目前甲醇的使用很大一部分都在点燃式发动机上使 用，由于点燃式发动机的压缩比低，热效率差，无法发挥甲醇辛烷值高的特点。 第一章绪论 因此，如果能够在压燃式发动机上使用甲醇将进一步的扩大其应用范围。 目前，甲醇在压燃式发动机上的应用目前主要有三种方式【。丌，包括甲醇与柴 油实现缸内双喷射；进气管低压喷射甲醇和柴油缸内引燃双燃料燃烧方式 s ! - 8 5 】。 由于甲醇的物化性质与柴油相差较大，两种燃料要实现互溶需要较多的助溶剂， 无形中提高了混合燃料的价格水平，无法体现甲醇的价格优势；如果采用双喷射 应用方式，则需要在每个汽缸缸盖上安装两套喷油器，不仅改装大，而且控制和 难度大，费用高：因此，相对来说，采用柴油缸内引燃，实现柴油、甲醇和空气 的燃烧方式基本可以避免出现上述问题，而且甲醇的喷射控制可以使用电控系 统，通过后者能够自动改变甲醇的掺混比例，也能实现灵活燃料方式。 2 乙醇 应用在发动机上的乙醇多为生物质乙醇，来源包括小麦、玉米等淀粉类物质 和秸秆、木材等纤维素类物质。生物质乙醇目前已经被大量应用在点燃式发动机 上。国外，主要是美国和巴西两个国家在使用乙醇燃料。其中，美国主要以玉米 作为生产原料，而巴西则以甘蔗作为主要生产原料。这些大量得到推广应用的乙 醇汽油称为g a s o h o l 。在国内，主要有辽宁、黑龙江和河南等9 个省在推广应用 e 1 0 乙醇汽油( 乙醇1 0 ，汽油9 0 混合液) 。 乙醇属于低碳醇，能够在一定助溶剂帮助下通柴油形成混合燃料。该混合燃 料需要解决的主要问题是两者的互溶性问题。虽然乙醇和柴油能够在助溶剂作用 下互溶，但必须保持在常温以上并且避免混合燃料掺水，否则将出现分层现象1 8 。 柴油和乙醇的混合溶液形成的是微乳液，采用的助溶剂可以是美国的p u r e e n e r g yc o r p o r a t i o n 、美国a e et e c h n o l o g i e s 和g eb e t z 公司等开发的助溶剂。这些 助溶剂可以帮助乙醇在体积比小于1 5 ，含有3 体积的水，3 0 以上的温度的 情况下不会和柴油形成混合液出现分层现象 9 - 1 0 】。在国内，也有相应的乙醇助溶 剂，帮助乙醇改善柴油机的润滑性能，使得乙醇和柴油能够以任意的比例混合【1 1 1 。 目前国内外的大量实验表明，乙醇能够帮助柴油机显著地降低颗粒物和烟 度排放，但各个研究机构得到的结果略有差异。美国国家可再生能源实验室研究 表吲1 2 j ，乙醇和助溶剂体积分数达到7 7 、含氧量( 体积分数) 约为1 0 的乙 醇柴油的颗粒物排放降低7 。文献【1 3 】表明，乙醇掺混的比例达到1 0 ( 体积比) 和1 5 的混合燃料的颗粒物排放可以分别降低2 7 和4 1 。文献【1 4 】表明，乙醇 掺混比例( 体积比) 分别为1 0 和1 5 的乙醇柴油可以分别帮助发动机降低2 0 和3 0 的颗粒排放物。 尽管乙醇柴油可以显著降低柴油发动机颗粒物排放，但乙醇同柴油的性质差 别很大，在柴油机上的应用还存在如下的一些问题： ( 1 ) 同甲醇类似，乙醇的着火性较差，乙醇柴油发动机启动困难； 6 天津大学博士学位论文醇油双燃料在内燃机上应用的标定研究 ( 2 ) 乙醇的粘度低，润滑性能差，乙醇柴油会造成发动机的润滑困难，带来 磨损的问题： ( 3 ) 乙醇的闪点低，乙醇和柴油混合燃料的闪点和乙醇接近，但远低于柴油， 因此如果要存储运输，混合燃料必须按照汽油的标准进行。 在近期的汽车车展上，各发动机和汽车公司都推出了乙醇汽车产品。其中， 通用公司旗下的萨博汽车公司展示了一款使用乙醇燃料的概念车。该车搭载一台 2 0 升四缸发动机，缸体缸盖由铝铸成；采用链传动的双顶置凸轮轴驱动每缸四 个气门，具备可变气门正时功能。双涡卷涡轮增压器( t w i n s c r o l l e dt u r b o c h a r g e r ) 能够产生1 2 b a r 的推进力。缸内直喷技术能够在使用e 8 5 乙醇燃料时产生最大 4 0 0 n 1 1 1 的转矩。e 8 5 燃料辛烷值很高，允许使用更高的压缩比，达到了1 0 5 ：l 。 福特马自达公司也在2 0 0 8 年的底特律车展上推出了e 1 0 0 燃料的概念车，其最高 输出功率达到3 3 1 k w ，配备的是带有三个转子的转子发动机。 1 3 发动机标定方法 1 手工标定 获得发动机电控系统自动运行的必要性能参数的过程称为标定。电控系统包 括e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t 电子控制单元) ，传感器和执行器。为了完成标定 工作，必须为e c u 配备标定装置和标定软件。标定软件能够帮助标定工程师在 试验中监测和记录各种参量，并且能够改变部分运行参数。 手工标定就是先将发动机运行在某一工况，然后通过标定软件手动调整运行 参数，并且通过手动或自动记录各种相关参数参数，最后经过对试验数据的分析， 找到该工况下能够实现发动机经济性、动力性和排放最佳性能的取值或范围。因 此，标定工程师必须充分了解发动机和电控系统的特性，充分理解标定目的和各 种影响条件或因素。由于发动机的许多考核指标相互矛盾，而标定工作又涉及多 个工况，因而往往难以定性或定量地描述各工况和控制参量的相互关系，最终使 得标定参数值的选取受到工程师主观影响很大，也具有很大的随意性【l 5 1 。 2 基于模型的标定 文献【1 9 】专门针对模型标定技术进行了论述。基于模型的标定技术是为了克服 传统的手工标定带来的随意性和经验主义。该标定技术是建立在数学理论和方法 的应用上，主要涉及回归分析和建立模型，以提高标定工作的精确性。回归分析 的优点在于，它可以通过对标定试验进行设计作为第一步，目的是获得最希望得 到的标定控制参数，然后将实验数据进行分析和建模，通过模型预测输入对应的 输出，以此达到减少标定工作内容和增加数据精确度的目的。基于模型的标定包 第一章绪论 括试验设计，自动化试验，试验数据建模和参数优化【1 6 】【1 7 18 1 。 1 标定试验设计 要想通过模型来指导标定工作，第一步工作就是设计标定试验。通过实验设 计能够减少试验的重复次数，达到以最少的实验数据，获得最全面的实验结果。 发动机试验的结果受到很多因素的影响，特别是实验室环境的变化和各种无法预 料的控制过程，导致了许多试验数据和结果不具备重复性；同时发动机性能的评 价指标也非常多，影响这些性能指标的参数不仅繁多而且有时候相互矛盾，相互 影响。 在传统的标定试验设计中，采用的是正交试验方法，该方法常用于发动机性 能试验【8 9 1 。该方法的缺点在于无法充分考虑标定发动机和特点和已有的知识和经 验。由此，工程师不断尝试使用新的标定试验设计方法，比如统计方法，其中较 为典型的是贝斯叶统计方法，该方法不仅有效地弥补了正交方法的不足，而且能 够实时反馈试验数据，目前，该方法正在成为应用和研究的热点。 2 自动化试验 传统的标定试验中，需要标定工程师和实验工程师一起配合，采用手工的方 式调整控制参数，并记录实验数据，即使是在调整参数和控制参数不多的情况下， 试验需要的人员也很多，使得标定试验的效率低下。目前，一方面由于电子技术 和自动化系统的不断发展并推广应用到了发动机上，另一方面，发动机电控系统 及标定需要控制、监控和记录的数据日益增加，使得传统的手工方式已经无法承 担标定工作，由此产生了自动化系统及标定系统。一个完整的，智能化的自动化 标定系统应该具备的功能应该具备以下的一些功能：( 1 ) 发动机的标定运行工况 能够根据工程师的试验设计自动运行；( 2 ) 标定试验过程中，工程师改变和修正 标定参数能够实现在线的方式，并自动运行；( 3 ) 试验过程中各种参数的监控和 记录由自动控制系统完成；( 4 ) 自动化系统能够根据实验数据进一步的指导以后 的实验内剥2 3 j 2 4 1 。 3 模型建立 建立模型的目的是为了通过模型得到尽可能多的输入对应的输出，弥补试验 数据的不足，由此可知，模型的建立至关重要，将直接影响到控制参数的正确性 和精确性。传统的建模方法采用的是多项式方法，一般二阶多项式。该方法实现 了模型的快速建立，简化了整个过程，缺点在于一般增加标定参数和控制精度， 模型的建立将随之复杂。随着发动机标定技术的发展，模型的建立方法也在不断 增加和更新，其中神经网络技术已经被大量应用在发动机标定模型的建立上弘7 。 模型的建立过程需要首先处理根据实验得到的数据，一般采用的处理方法是 统计学方法，其中二元回归方法能够通过相对简单的方法获得数据，是比较实用 8 天津大学博士学位论文醇油双燃料在内燃机上应用的标定研究 的处理方法2 5 】【2 6 】。 4 优化控制参数 标定试验中的优化贯穿于整个标定过程，采用自动化标定系统，建立模型都 是在优化控制参数。很多时候，以上这些过程是在循环进行，以便获得较好的控 制参数。这其中，衡量优化的指标有很多，而且有时候相互之间处于矛盾的关系， 比如经济性和排放指标。即便是对于排放指标，也会出现诸如n o x 和燃油经济性 以及颗粒物排放之间的矛盾f 2 8 】【2 9 【3 0 1 。 柴油机的优化方法有局部优化和全局优化，它们的主要区别在于所涉及的工 况范围大小不同。局部优化只是独立地考虑各个工况点的控制参数，目前主要采 用梯度法。全局优化则需要综合考虑多个工况的情况，对于优化对象是需要获得 它们之间的折衷。传统的全局优化方法有枚举法和l a g r a n g e 乘子法。目前新的 发展方法有遗传算法、人工神经网络、鲁棒优化( r o b u s tn e s so p t i m i s a t i o n ) 、随 机试验法( m o n t e c a r l o 法) 和法线边界线交集优化( n o r m a l 。b o u n d a r yi n t e r s e c t i o n o p t i m i s a t i o n ) 等1 3 1 11 3 2 1 。 1 4 组合燃烧理论 组合燃烧即是在相同的发动机上，根据发动机的工况采用不同的燃烧模式， 使得发动机能够工作在最优性能，在相同的动力性条件下，提升经济性和排放水 平。在起动、怠速和小负荷几乎完全使用纯柴油保证发动机正常工作，因此发动 机采用的是少量的预混燃烧和主要的扩散燃烧：发动机的中高负荷时，在柴油机 的进气管采用多点喷射的方式向发动机供应醇燃料，并与进气形成均质混合气， 以类似于汽油的预混燃烧方式在少量柴油点燃情况下燃烧。由于根据不同的工况 采用了不同的燃料组合，实现了不同的燃烧模式的组合，因此构成了组合燃烧的 理论核心【8 l 】。如图1 7 所示，是柴油醇组合燃烧的工作原理。 由于柴油机采用质调节的工作方式，即在各种负荷下，发动机的每一循环的 空气量相差不大，在低负荷时空燃比比较大，有比较充足的氧气用以实现柴油较 完全的燃烧，随着负荷增加，空气量不变，柴油量增加，使得参与扩散燃烧的柴 油比例增加，而扩散燃烧会造成多处的油气混合不均匀，氧气不足，因此生成碳 烟的比例增加，此外，随着负荷增加，发动机的燃烧腽度增加，柴油裂解比例增 大，也造成了大量的碳烟排放；另一方面，随着发动机的负荷增加，发动机缸内 温度升高，虽然空燃比在减少，但相对高温对n o x 的影响，空燃比的影响并不 明显，使得负荷增加，n o x 增加。根据上述分析可知，柴油机的冷启动和小负 荷时碳烟和n o x 排放并不严重，因此可以采用纯柴油工作方式；随着负荷增加， 使用纯柴油工作模式带来的大量碳烟和n o x 排放可以通过醇的引入而解决。这 第一章绪论 是因为醇的汽化潜热很大，醇喷入柴油机的进气管能够降低管内温度；进入气缸 后，随着醇和空气混合气温度的上升，醇会吸收更多的热量，使得最高燃烧温度 下降，因此n o x 排放下降。由于醇含有5 0 的氧，因此醇能够改善燃烧过程， 降低碳烟排放。 图1 7 醇类燃料组合燃烧控制流程 1 5 甲醇裂解气工作原理 甲醇裂解气是一种高效利用能源的方式，不仅有利于节能，而且有利于减少 温室气体排放。但是，甲醇裂解气应用现今的电喷发动机上将遇到以下困难，首 先，甲醇的裂解是吸热过程，对排气热量需要量大( 每摩尔甲醇完全裂解需要热 量9 l k j ) ，因此，燃用甲醇裂解气的前提是发动机必须首先提供裂解能量。其次， 裂解气的混合气浓度及其满足发动机运行要求的燃料供应量的控制。以往的研究 表明，在化油器发动机上应用甲醇裂解气比较方便，一方面化油器式发动机以汽 油为主燃料，当发动机运行到排出的废气含有足够高热量后，再将裂解的甲醇气 体通入进气管与混合气一起燃烧。然而，电喷发动机燃料供应是闭环控制，为确 保三效催化转换器高效工作，要求理想当量的混合气浓度，裂解气加入势必影响 l o 天津大学博士学位论文醇油双燃料在内燃机上应用的标定研究 混合气浓度，从而使系统难以兼容。 如图1 - 8 所示，是甲醇裂解气的工作原理示意图。由于甲醇在催化剂的条件 下，在3 0 0 左右会发生改质反应： c h 3 0 h 哼2 h 2 + c o ( 1 1 ) 其中，甲醇会分解为6 7 的氢和3 3 的氧，由于这是一个吸热反应，因此，改 质气体的低热值将会比甲醇增大2 0 左右。根据该反应机理，甲醇裂解气的工作 原理简述如下：甲醇裂解气发动机启动时，采用纯汽油模式，然后在发动机运行 到排气温度达到3 2 0 以上时，甲醇喷嘴开始向甲醇裂解器内喷射甲醇，后者进 入预热管吸热汽化，以气态的形式进入裂解室，经过高温和催化条件，甲醇裂解 成为h ：和c 0 ，通过裂解气输送管进入气缸燃烧，为了保证发动机运行平稳，在燃 料切换过程中，汽油和甲醇裂解气会同时在发动机内燃烧工作。由于甲醇是含氧 燃料，因此发动机会在此过程中逐渐从理想空燃比向过浓状态过渡，直至氧传感 器显示发动机处于过浓，此时，甲醇裂解气控制器切断汽油供应，改为纯甲醇裂 解气工作【8 “8 8 1 。 由于燃烧甲醇裂解气有效地利用了废气余热，因此发动机的热效率大大提 升，同时甲醇蒸汽，氢气和c 0 的混合气属于清洁燃料，发动机的排放也会相应 的得到改善。 团