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柴油机基于缸内压力的循环内排放实时预测技术

作　者: 张静一
导　师: 杨福源
学　校: 清华大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 缸压燃烧状态参数排放建模实时预测缸内燃烧分析单元
分类号: TK421
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

依托于燃烧状态闭环反馈控制技术平台，通过对柴油机排放进行实时预测可以控制和改善缸内燃烧过程，实现对排放的闭环控制，因此排放实时预测技术在柴油机降低排放，提高经济性上具有很大潜力。柴油机缸压信号中包含丰富的燃烧过程信息，从缸压信号中可以得到与柴油机排放相关性强的燃烧状态参数并建立从燃烧状态参数到排放的经验模型，将经验模型写入在线代码可以实现排放的实时预测。本课题以在柴油机缸内燃烧分析单元中实现稳态和瞬态工况下循环内排放实时预测为研究任务，确定了NO_x和炭烟排放模型的输入参数，根据稳态试验离线建立了NO_x和炭烟排放的经验模型，并基于缸内燃烧分析单元实现了NO_x排放的循环内实时预测。基于NO_x和炭烟的生成机理在缸压、压升率、燃烧瞬时放热率、燃烧累计放热量和已燃区温度曲线中分别提取出了与NO_x和炭烟排放相关的燃烧状态参数。重点分析了已燃区最高温度和高温NO生成面积与NO_x排放的关系以及扩散燃烧期长度与炭烟排放的关系。根据固定工况试验对燃烧状态参数与NO_x和炭烟排放的具体相关性进行了分析，最终确定最大缸压、最大压升率、最大燃烧放热率相位、50%燃烧放热量相位、已燃区最高温度和高温NO生成面积可以作为NO_x排放模型的输入项；最大缸压、最大压升率、最大燃烧放热率相位、50%燃烧放热量相位、燃烧期总长度和扩散燃烧期长度可以作为炭烟排放模型的输入项。设计了稳态建模试验和验证试验。分别选取多项式和指数两种建模方法，根据建模试验建立了从燃烧状态参数到NO_x和炭烟排放的模型，根据验证试验对两种模型的预测精度进行了计算、分析和比较。以模型的精度和在单片机中算法实现的难易程度作为性能指标来比较两种建模方法的优劣，选取了最适合用于柴油机排放实时预测的二次多项式模型。基于MPC5644A单片机进一步开发缸内燃烧分析单元，在课题组原有研究基础上加入了新的燃烧状态参数和NO_x排放二次多项式模型的计算方法。根据稳态工况试验验证了NO_x排放实时预测的准确性：16个稳态工况下除个别工况外NO_x预测值与实测值的相对误差均在10%以内，平均相对误差为6.8%。根据瞬态试验验证了NO_x排放实时预测的实用性：预测NO_x与实测NO_x具有很好一致性，瞬态过程中前者变化幅度略大于后者。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-11
第1章引言  11-21
  1.1 课题背景与意义  11-13
    1.1.1 柴油机降低排放技术的发展  11-12
    1.1.2 课题的提出  12-13
  1.2 课题研究现状与研究基础  13-18
    1.2.1 课题国内外研究现状介绍  13-16
    1.2.2 课题国外内研究现状总结  16
    1.2.3 课题组研究基础  16-18
  1.3 课题研究内容与方法  18-21
    1.3.1 研究内容  18-19
    1.3.2 论文结构  19-21
第2章燃烧状态参数的计算与验证  21-39
  2.1 试验设置  21-24
    2.1.1 试验台架  21-23
    2.1.2 燃烧分析仪  23-24
  2.2 ROHR 和 AHR 曲线的计算与验证  24-28
    2.2.1 ROHR 和 AHR 曲线的计算原理  24
    2.2.2 ROHR 和 AHR 曲线的计算结果验证  24-28
  2.3 零维双区模型下的缸内燃烧温度  28-38
    2.3.1 缸内燃烧温度与 NO_x排放  28-29
    2.3.2 零维双区燃烧模型  29-30
    2.3.3 零维双区模型全局温度  30
    2.3.4 零维双区模型未燃区温度  30-31
    2.3.5 零维双区模型已燃区温度  31-38
  2.4 本章小结  38-39
第3章燃烧状态参数与排放的相关性分析  39-51
  3.1 固定工况试验设计  39
  3.2 与 NO_x排放相关的燃烧状态参数  39-45
    3.2.1 最大缸压与最大缸压相位  40-41
    3.2.2 最大压升率与最大压升率相位  41-42
    3.2.3 最大燃烧放热率相位  42-43
    3.2.4 50%燃烧放热量相位  43-44
    3.2.5 已燃区最高温度与高温 NO 生成面积  44-45
  3.3 与炭烟排放相关的燃烧状态参数  45-50
    3.3.1 最大缸压与最大压升率  46-47
    3.3.2 最大燃烧放热率相位与燃烧放热量中心  47
    3.3.3 扩散燃烧期长度与燃烧期总长度  47-50
  3.4 燃烧模式的提出  50
  3.5 本章小结  50-51
第4章基于燃烧状态参数的排放离线建模  51-70
  4.1 试验设计  51-53
    4.1.1 排放建模试验设计  51-52
    4.1.2 排放验证试验设计  52-53
  4.2 建模平台  53
  4.3 多项式建模与验证  53-62
    4.3.1 多项式次数的确定  53-54
    4.3.2 NO_x排放建模  54-59
    4.3.3 炭烟排放建模  59-62
  4.4 指数建模与验证  62-69
    4.4.1 建模方法  62-63
    4.4.2 NO_x排放建模  63-66
    4.4.3 炭烟排放  66-69
  4.5 排放模型对比与选择  69
  4.6 本章小结  69-70
第5章基于缸内燃烧分析单元的排放实时预测  70-81
  5.1 缸内燃烧分析单元的进一步开发  70
  5.2 燃烧状态参数的计算  70-73
    5.2.1 定义函数  71
    5.2.2 缸压采集和处理函数  71
    5.2.3 pime计算函数  71
    5.2.4 燃烧状态参数和 NO_x排放计算函数  71-73
  5.3 NO_x排放实时预测验证  73-79
    5.3.1 NO_x排放准确性验证  73-75
    5.3.2 NO_x排放实用性验证  75-79
  5.4 本章小结  79-81
第6章总结与展望  81-86
  6.1 研究成果总结  81-82
  6.2 研究成果特点以及与国内外研究成果的对比  82-85
  6.3 展望与建议  85-86
参考文献  86-89
致谢  89-91
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  91

柴油机基于缸内压力的循环内排放实时预测技术

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