1、 机内再生的控制策略研究段旭东姬凯凯(.四川职业技术学院 汽车技术学院四川 遂宁.联合汽车电子有限公司 柳州分公司广西 柳州)摘要:柴油机的后处理系统需要缸内后喷射以实施定期主动再生而后喷射通常是基于查表法的前馈控制来实现的但基于查表法的后喷射控制需要大量的校准工作以保持.因此我们提出通过缸压反馈来控制后喷射为了优化控制策略基于一台轻型柴油机研究后喷定时与排放之间的关系以及利用燃烧分析推导出放热率最大值 位置后的燃烧速率使用最大放热率后的燃烧速率 和主喷油量确定出放热率最大值位置后燃烧 的质量分数对应的燃烧相位.根据燃烧相位确定的曲轴转角来反馈调节最佳的近后喷定时可以实现再生时排放较低的控制效
2、果.关键词:后喷主动再生后处理燃烧放热率中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:基金项目:四川职业技术学院自然科学一般项目“喷油策略对正丁醇、掺混柴油燃料燃烧和排放的影响”()作者简介:段旭东()男四川遂宁人助教硕士研究方向为内燃机排放控制.(.):.:相比于汽油机柴油机拥有更优越的燃油经济性和动力性但是由于使用时产生较多对人体有害的污染物并且这些污染物比较难以控制限制了其在汽车上更广泛地使用.柴油机尾气中的污 染 物 主 要 包 括 氮 氧 化 物()、颗 粒 物()、碳氢化合物()和一氧化碳()其中颗粒物和氮氧化物为主要污染物.单靠柴油机技术的改进和各种优化策略的应用使柴油机排放达
3、到欧排放法规的要求已是极限.微粒捕集器()是满足未来车用柴油机严格排放法规的重要技术之一然而 的再生是制约其发展的关键因素.再生技术分为主动再生和被动再生两大类.主动再生是利用外加能源提高排气温度或捕集器滤芯的温度达到微粒的起燃温度()进行再生被动再生是利用催化作用降低微粒的起燃温度使得微第 卷第 期四川职业技术学院学报 年 月.粒能在柴油机正常行驶条件下燃烧实现再生.受柴油机排气低温特性限制没有一种被动再生方法能使柴油机在所有运行工况内都实现可靠彻底的再生因此必须按照一定的再生控制策略定期地进行 主动再生.机内在再生期间需要定期的后喷以保证有足够的排气温度而后喷会产生额外的排放污染.朱浩等人
4、研究了后喷定时()和排放之间的关系发现后喷定时对排放有较大影响此外王丹等人研究了 同时降低 和 的可行性 等人在稀燃 捕集技术()再生期间提出平均有效压力()作为 定时的控制参数.综上所述 定时对排放有决定性的影响合理的 控制策略可以降低排放优化控制成本.在本研究中为了减少用于查表 定时的校准工作同时考虑后处理系统再生的废气排放特性的若干限制提出一种基于缸压信息的燃烧分析方法.根据放热率 分析推导出放热率最大值位置之后燃烧质量分数为 所对应的曲轴转角以补偿由于发动机工况变化引起的燃烧相位的变化从而更易分析出在各种发动机运行条件下根据 定时变化的排放趋势.试验系统.试验装置试验系统包括试验发动机
5、、测试设备、数据采集系统以及电控系统.发动机试验台架总体布置如图 所示.试验采用一台高压共轨柴油机其主要技术参数如表 所示.试验中喷油量、喷油时刻、喷射压力等通过 发动机标定软件修改转速和扭矩采用四川城邦测控 系统测量燃油消耗率采用同圆智能油耗仪测量缸内压 力 通 过 传 感 器 测 量 经 型电荷放大器和 数据采集卡传至数据采集系统进行数据的处理、显示和存储烟度排放采用 测量仪测量尾气中的常规排放物采用 测量.表 试验机主要技术参数项目参数发动机型式四缸、高压共轨、增压中冷燃烧室型式直喷缩口圆形 型工作顺序表(续)项目参数压缩比.排量/.缸径/行程/图 发动机试验台架.试验方法为了分析 定时
6、对排放和燃烧的影响在各种 条件下在/和/的发动机速度下总共选择 个不同的测试条件.试验工况条件见表.将测 试 分 为 三 组 总 结 在 表 中:()在/保持恒定喷射压力在不同的 定时条件下 改变 的喷射量()在/保持恒定 量在不同的 定时条件下改变共轨压力()在不同的发动机转速和 定时条件下以 /的 量改变主喷()量以研究燃烧相移.表 试验所选运行工况项目参数转速/主喷定时/主喷油量/.喷射压力/节气门开度/定时 油量 定时 油量在这些试验过程中空气系统执行机构的位置保持不变并且关闭废气再循环()系统以段旭东姬凯凯 机内再生的控制策略研究减少来 自 供 应 而 引 起 的 任 何 干 扰 预
7、 喷()和 的时间保持不变.参数定义各种参数定义如下:()式中 为瞬时放热率为缸内体积为缸内压力 为最大放热率所对应的位置()为累计放热量 为平均指示压力.()()式中 是最大放热率后的燃烧速率为主喷油量 为主喷油量已燃烧的质量分数是当前曲轴转角为主喷油量燃烧 质量分数时对应的曲轴转角.试验结果及分析为了理解 定时对燃烧的影响并导出 定时控制参数研究了在不同的发动机运行条件下根据 定时变化的排放趋势和汽缸压力信息例如表 中不同的 数量、共轨压力、数量和发动机转速情况.不同 定时和油量对排放的影响图 是不同后喷定时下的排放趋势.为了弄清楚 定时与排放趋势的相关性 数量 /(每循环)增加到 /(每
8、循环)增加步长为/(每循环).定时从 延迟到 延迟步长为.随着 定时推迟排气过量空气系数 稍微变浓随后变稀薄.因此发动机扭矩先有一个小的增幅随后减小这意味着随着 定时的延迟燃烧效率降低.平稳地减少由于燃烧变差导致 和 浓度增加.油量增加过量空气系数变浓扭矩增加对排放影响较小.综上所述不同近后喷油量的排放和燃烧趋势较为接近而近后喷的定时是对排放和燃烧造成较大的影响所以 定时是再生环节需要控制的主要参数.对 的影响 对 的影响 对 的影响第 卷第 期四川职业技术学院学报 年 月.对 的影响 对 的影响 对 的影响图 不同 条件下的排放趋势.不同转速以及喷射压力对排放的影响由于轨压和转速可能会影响燃
9、烧相位所以需要验证不同轨压和转速下的 定时.如图 所示在相同的喷射压力下在/下随着后喷定时的延迟呈现出先增加后趋于平衡 先较快降低再趋于平缓.在/下 随着后喷定时的推迟开始有一个小的下降然后逐渐上升 先增加后降低.轨压为 时 较浓且扭矩较 的高.原因与.相似因为后喷定时的推迟缸内温度下降后喷燃烧变差导致了 逐渐变浓扭矩逐渐下降 而 轨 压 越 高 时 燃 油 雾 化 越 好 燃 烧 较 时的好.对于排放结果而言在各种转速和喷射压力下表现出大致相同的趋势.对于 和 而言随着后喷定时的推迟在 后排放恶化明显.这是由于此时气缸温度降低导致燃烧不完全从而产生大量 和.对于 和而言均呈现出降低的趋势.这
10、是由于在上止点之后开始放热第一峰值较低使得 生成较低中期扩散燃烧加速使燃烧过程提前结束从而 不 仅 降 低 了 排 放 而 且 也 降 低 排放.在/下将共轨压力从 降低到 以探究共轨压力对燃烧和排放的影响并且在 定时从 到 以 步长延迟如图 所示.随着共轨压力降低排气 缓慢增加导致来自 的喷射燃料较少地汽化和混合也导致了 略有下降.从以上测试结果可以看出同样的工况条件下喷射压力越高平均指示压力越大对于 和 而言较高的喷射压力表现出较好的排放特性.这是由于喷射压力越高燃油扩散越分散与空气混合更均匀从而燃烧越完全对于 而言喷射压力高 排放低.这是由于提高喷油压力改善燃油雾化能够促进油气混合的均匀
11、性从而减少碳烟的生成.对于 而言喷射压力高排放高.这是由于燃烧更充分也使得最高 燃 烧 温 度 相 应 增 加 因 此 排 放 量增加 .对 的影响段旭东姬凯凯 机内再生的控制策略研究 对 的影响 对 的影响 对 的影响 对 的影响 对 的影响图 不同喷射压力下的排放趋势.定时控制参数如图 可知可以随着 定时的推迟缸压只出现很小的差异但是瞬时放热率的第二个波峰有很明显的区别所以 的第二个波峰可以作为一个 的控制参数但是对于这个参数有较大的周期性变化不能作为 的控制参数对于累积放热率 也未呈现较大的差异.所以常规燃烧分析不能找到一个对 精确控制的参数.燃烧始点()恒定 和 的定时不变在 和 数量
12、不变的情况下 的燃烧持续期一定 ./第 卷第 期四川职业技术学院学报 年 月./图 不同 条件下的燃烧特性.下的排放对比分析为了证实这种分析方法将 定时转化为.如图 所示排放和扭矩的趋势可以很明了地看出并且与主喷油量无关.可以看到当超过 个值时 和 排放突然增加由于此时主喷油量已经燃烧较多缸内温度降低导致后喷燃烧恶化.烟度呈现出 型的趋势可以找到最低烟度排放位置且不受主喷油量和转速影响 .考虑到上述发现分析汽缸压力信息以得出可用于 定时控制的代表性参数.图 是 控制下后喷油量为/时的排放特性曲线.所以由图可知可以补偿由于发动机工况改变而引起的燃烧相位偏移并且可以找到再生过程中较好的 控制参数保
13、持低 和 的排放和足够的还原剂以保证在 中氧化放热.对烟度的影响 对 的影响 对 的影响 对 的影响图 控制下的排放特性结论在这项研究中我们提出了一种新的燃烧分析方法以补偿在 期间的燃烧相移并分析 定时对各种后处理系统再生的燃烧和排放的影响.所提出的 是从气缸压力信息中导出的并通过使用 和 数量信息来计算.主要研究结果总结如下:()通过应用建议的 无论 数量和发动机转速情况如何后喷期间由于燃烧相移而分离的排放趋势均可得到补偿.因此在不同的发动机转速和 量条件下 的排放和转段旭东姬凯凯 机内再生的控制策略研究矩趋势可以在推定的 域上与曲轴转角域上的分析结果进行比较.()根据所提出的方法可以在所提
14、出的域上建立不同后处理系统再生的最有效的 定时范围.验证了基于 域的反馈控制策略可以实现较低排放的同时减少校准工作.参考文献:赵腾飞倪飞.汽车柴油机有害物排放法规分析与后处理技术发展趋势研究.造纸装备及材料():.王芳张文涛潘娜娜等.柴油机颗粒物及氮氧化物排放后的处理技术.南方农机():.张志强赵福全李理光.柴油机低温燃烧技术综述.汽车工程学报():.唐蛟李国祥孙少军等.基于欧柴油机排气热量管理主动控制措施研究.内燃机工程 ():.刘西文魏明亮邢首辰等.柴油机 驻车再生排气热管理策略试验研究.内燃机与动力装置():.王建许鑫顾晗等.基于排气热管理的柴油机氧化催化器升温特性.吉林大学学报(工学版
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