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IMEP和MBF50指标在控制双燃料往复式发动机燃烧中的应用
摘要
发动机控制必须同时考虑扭矩值和燃烧过程。扭矩值可以使用IMEP的知识进行控制，而燃烧过程可以从燃烧释放50％热量的角度（CoC即燃烧中心）来评估。将这两个值包含在控制策略中是本文提出的研究的主要目标。测试在单缸测试引擎上进行。气态燃料的份额设置为0到80％（对于IMEP = 5 bar）和高达99％（对于IMEP = 9 bar）。对三种不同情况进行了燃烧过程的测试：使用固定IMEP设置进行控制，恒定燃烧角CoC，以及同时使用这两种控制策略。利用完整的发动机控制策略可提高燃烧速度：在低负载下最大气缸压力增加了23％，在高负载下增加了19％。反应出了这种控制对部分负荷范围内的放热率的影响。由于使用了两参数发动机控制策略，因此可以获得柴油和天然气剂量分配的最佳设置，从而获得帕累托最优。已经发现，在部分发动机负荷下，保持恒定的IMEP或恒定的CoC是困难的。重负载下运行结果表明，重负载与保持IMEP和CoC不变的策略具有更大的兼容性。在重负载条件下运行，气体燃料的能量比例很大，需要使用较大剂量的柴油才能将热力学参数的值保持在可接受的范围内，也限制THC排放量的增加。
关键词：双燃料燃烧 燃烧控制 燃烧中心
Abstract
Engine control must take into account both the torque values and the combustion process. The first of these values can be controlled using the knowledge of IMEP, while the combustion process can be evaluated using the angle at which 50% of heat is released (CoC = Center of Combustion). The inclusion of these two values in the control strategy was the main objective of the study presented in this article. The tests were performed on a single-cylinder test engine. The share of gaseous fuel was set from 0 to 80% (for IMEP = 5 bar) and up to 99% (for IMEP = 9 bar). Tests of the combustion process were performed for three different cases: control with fixed IMEP settings, constant combustion angle CoC, and using both control strategies simultaneously. Utilizing a full engine control strategy allows for increased combustion rates: the maximum cylinder pressure is increased by 23% at low loads and 19% at high loads. The influence of such control on the heat release rate in the range of partial load was shown. As a result of using a two-parameter engine control strategy, it is possible to obtain optimum settings for the diesel oil and natural gas doses at which the Pareto optimum is obtained. It has been found, that at partial engine load maintaining constant IMEP or alternatively a constant CoC is difficult. Operation at heavy load indicates bigger compatibility with strategy to keep both IMEP and CoC constant. Operation in such conditions, with a large share of gas fuel energy, requires a larger dose of diesel oil to keep the values of thermodynamic parameters within the acceptable range, as well as to limit the increase in THC emission.
Keywords: Dual-fuel combustion Combustion control Center of combustion
第1章 发动机中的燃烧控制问题
内燃发动机中的气缸压力通常作为扭矩控制的反馈信号，因为它直接表示气缸中燃烧过程的影响。同时，从技术意义上讲，此值的参数化似乎非常简单。气缸压力的平均输出参数可以表示为平均有效压力（IMEP），表示相对于单位排量[1–3]的扭矩值。
放热（HR）计算试图更多地了解发动机的燃烧过程[4]。另一个可用参数是燃烧50％的燃料剂量（MBF50）（燃烧的燃料质量）[5]。该指标可以比较确定燃烧阶段，因为它指示释放的热量的50％处的角位置，并称为燃烧中心（CoC）角。由于该指数能够减少有毒成分的排放和燃料消耗，因此通常用于控制燃烧过程[6-9]。
这种带有反馈信号的参数化发动机调整也可用于减少氮氧化物和颗粒物的排放[10-13]。
最大放热率（RoHRmax）[14,15]是用于控制燃烧过程的另一个指标。但是，该指标并非单独用于控制发动机，而是与其他指标一起用作辅助指标。
现在，内燃机的控制（反馈回路）越来越多地采用燃烧指标的组合，其形式为平均指示压力和燃烧50％的燃料剂量。威廉姆斯等人，文献[16]利用发动机性能指标的这种组合来实现6缸压燃发动机的单独气缸控制。这种控制策略是在每次循环之间更改燃油剂量和喷射时间，同时控制气缸压力增加和气缸最大压力极限。
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命名法 |
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e |
排放量[g/KWh] |
lambda; |
过量空气系数 |
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EOC |
燃烧结束点[deg] |
eta; |
效率 |
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H |
热值[KJ/kg] |
||
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m |
质量[kg] |
subscripts |
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p |
压力[bar] |
air |
空气 |
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q |
燃油剂量[mg] |
cyl |
气缸 |
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SOC |
燃烧起始点[deg] |
gas |
气体 |
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U |
天然气份额 |
i |
表明 |
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V |
气缸容积[] |
max |
最大限度 |
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X |
燃烧效率 |
0 |
起始值 |
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theta; |
曲轴旋转角度[CA] |
v |
容积 |
Chung等。 [17]通过在压燃式发动机中进行可重复性研究的结果，提出了一种控制主燃料的大小和喷射正时以及引燃剂量的算法。因此，可以控制IMEP值，50％的热量输出角度和最大燃烧率值。这使气缸之间的扭矩波动降低了30％，NOx排放降低了10％，颗粒物排放降低了65％。
Lee等。 [18]使用汽缸压力数据作为CoC的参考，与汽缸中的标准化压差（DP）进行了比较。将其确定为气缸DP和由外部电源（ ）供电时的压力值之差除以最大DP。观察到这些值的高度相关性（确定系数超过0.994）。结果表明，仅依靠气缸压力，就可以用更简单的指标代替CoC值。
第2章 动机
上面显示的信息表明IMEP和CoC指标的使用不仅适用于常规发动机，而且适用于HCCI和PCCI发动机。但是，应该注意的是，将反馈控制策略与这些参数一起使用需要更改燃料剂量，以确保最小的控制误差。论文[5,8]没有完全解释与IMEP或CoC双燃料控制系统有关的问题。在这样的系统中，用另一种燃料代替一部分柴油燃料剂量会导致总燃料能量的变化。这导致扭矩变化，从而导致IMEP和CoC发生变化。在双燃料系统中，即使不降低IMEP的质量，增加替代燃料的量也将导致CoC角的变化（在初始燃料剂量的恒定喷射角下）或体积效率 的限制[19]。
因此，本文试图确定这些变化的幅度，并指出同时使用IMEP和CoC的发动机控制方法。还评估了结合这两个指标时的控制效果，并确定了对该系统的必要调整。
第3章 研究方法论
这项研究是在AVL的单缸5804试验发动机上进行的，该发动机具有将DF和天然气自动进气的自动直接喷射系统供应到进气门上游的进气道中。 DF注入是通过配备Bosch CP 4.2高压泵和压电注入器的Common Rail系统执行的。气体注入是使用Bosch电磁注入器进行的，该注入器的压力为0.9 MPa，并带有压力波排放量。表1列出了发动机的技术规格。试验台上使用了异步电测功机制动器AMK ASYN DW13-170-4AOW。
测试台（图1）配备了控制和测量设备，包括：
用于测量快速变化过程的系统– AVL IndiSmart 621通过使用压力传感器记录缸内压力（）– AVL GH14D，测量范围为0–250 bar，灵敏度为18.84 pC / bar ;
数据采集系统AVL IndiCom；
Mechatronika Poland用于燃油喷射过程的系统，能够控制喷射时间和喷射角度，分辨率为 = 0.5度，燃油压力高达200 MPa；
测量气体排放成分的系统– Horiba Mexa 7100D用于型式认可测试，测量 ， ， 。
进行了100个后续测量周期的测试。在[20]中讨论的实验研究结果有助于确定对于静态工况分析，如果需要空转200个发动机循环的数据，则很有必要。重载运行仅需要60个循环。对于这些情况，以CoV（IMEP）表示的测量不确定度低于0.5％
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AVL 5804 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[239009]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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