摘 要

柴油机自被发明以来，经过一个多世纪的发展，它给人类社会带来了巨大的发展。柴油机工作时会产生大量包含氮硫化物、颗粒物的尾气，这给环境带来了污染。本文通过来最优控制来调节电控柴油机燃油喷油提前角，从而达到控制柴油机的尾气中的氮硫化物、硫化物的排放，减少柴油机的排放。随着科学技术的发展和社会生产力发展的需要，最优控制理论便在这种背景下诞生了。至今，最优控制理论已应用在了各行各业，柴油机电控技术便是在最优控制理论的指导下的衍生技术，电控技术从第一代的位置控制式到第二代的时间控制式再到第三代的时间-压力控制式（电控高压共轨式）是越来越广泛，越来越深刻，这说明了微型计算机最优控制理论和技术与时俱进的先进性。

论文主要研究的是柴油机实际运行时在不同工况下所测得的数据来确定机器尾气排放的最优控制。本论文利用了数据的客观存在性，在柴油机不同转速与负荷下，得到了柴油机尾气排放物随着喷油提前角变化的关系图要，从不同角度分析了喷油提前角对于燃烧的影响，从而得到不同的喷油提前角对柴油机排放物的影响。分析结果表明，喷油提前角增大的情况下，柴油机燃油燃烧产生的热量增加，使得温度升高，NOX在高温作用下排放量增加，而烟尘排放量会有所减小；喷油提前角减小的情况下，柴油机燃油燃烧不能产生更多的热量，使得温度有所降低，使得NOX排放量减少，而烟尘等排放量有所增加^[1]。

对于数据的分析与实际相结合的基础上，可以通过当前电控系统电子计算机的数据储存性，来实现将最优数据与柴油机工况相匹配，以实现柴油机在排放最优的目标下实现正常的运转与工作^[2]。

关键词：电控技术、喷油提前角、最优控制、排放物

Abstract

Since the invention of diesel engine, after more than a century of development, it has brought tremendous development to human society. Diesel engine will produce a large amount of tail gas containing nitrogen sulfide and particulate matter, which brings pollution to the environment. In this paper, the optimal algorithm is used to control the fuel injection advance angle of the electronic control diesel engine, so as to control the emission of nitrogen sulfide and sulfide in the exhaust gas of the diesel engine and reduce the emission of the diesel engine. With the development of science and technology and the need of social productivity, the optimal control theory was born under this background. So far, the optimal control theory has been applied in all walks of life. Diesel engine electronic control technology is a derivative technology under the guidance of the optimal control theory. The electronic control technology is more and more extensive and profound from the first generation of position control to the second generation of time control to the third generation of time-pressure control (electronically controlled high-pressure common rail). It explains the optimal control theory of micro-computer. The advanced nature of keeping pace with the times.

This paper mainly studies the data of diesel engine actual operation to determine the optimal control of exhaust emissions. Using the objective existence of data, the relationship between exhaust emissions of diesel engine and fuel injection advance angle is obtained under different speed and load of diesel engine. The influence of fuel injection advance angle on combustion is analyzed from different angles, and different fuel injection advance angle on diesel engine is obtained. The impact of oil engine emissions. The analysis results show that with the increase of injection advance angle, the heat generated by diesel engine fuel combustion increases, making the temperature rise, the emission of NOX increases under the action of high temperature, and the emission of smoke and dust decreases; with the decrease of injection advance angle, diesel engine fuel combustion can not generate more heat, which makes the temperature decrease, and the emission of NOX decreases, while the emission of smoke and dust decreases. Equivalent emissions increased.

For data analysis, it is possible to match the optimal data with diesel engine operating conditions through data storage of electronic computer in current electronic control system, so as to realize normal operation and work of diesel engine under the goal of optimum emission.

Key words: electronic control technology, injection advance angle, optimal control, emissions

目录

1绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究内容 4

2柴油机电控喷油技术 5

2.1柴油机电控喷油技术的发展 5

2.2电控柴油机的工作结构 6

2.3电控系统喷油提前角的研究 7

2.4喷油提前角对燃烧的影响 11

3对喷油提前角的最优控制 13

3.1最优控制理论的介绍 13

3.2柴油机排放物最优控制的目标函数的建立 14

3.3柴油机排放物最优控制约束条件的说明 14

3.4排放系统的控制流程 16

3.5联系实际的最优控制结果 17

4柴油机的尾气排放 21

4.1国内柴油机尾气排放的控制 21

4.2欧洲的排放法规的要求 21

4.3对于尾气排放技术的期待 22

5总结及展望 24

5.1总结 24

5.2工作展望 24

引用文献 25

致谢 27

1绪论

1.1选题背景及意义

自1892年Rudolf Diesel发明以来，柴油发动机在人类工业化进程中发挥了非常重要的作用。 由于其高热效率和足够的功率，它在具有如此大负荷运输工业中特别受欢迎。作为运输的工具—船舶与现代交通工具—汽车、火车等，都在现代人类工业文明中一直起着不可替代的作用，近年来，随着“一带一路”政策的实施，海上丝绸之路也愈加繁荣，海上贸易也将越来越频繁。这也就加大了船舶柴油机与车用柴油机的使用和尾气的排放，加剧了环境污染。然而，随着柴油机在船舶行业与汽车等行业的广泛使用，它带来的问题也逐渐的显露出来。例如，现在世界上许多国家和地区都在关注的柴油机排放带来的环境污染问题，以及随着环境污染带来的涉及人们身体健康的大气污染问题。大气污染不仅危害人类健康还会破坏大气层的结构，带来“温室效应”和“臭氧保护层被破坏”。

根据相关报道统计，2008年全球船舶氮氧化物、硫化物的排放总量分别占18%-30%和9%，这是一个很庞大的数字，说明了船舶柴油机对环境对大气的污染之严重；虽然与船舶相比，车用柴油机的排放量不值一提，但是也对环境造成了很大影响。因此，要采取措施，必须降低柴油机的氮氧化物、硫化物的排放。而且柴油机排放的尾气的污染也是与很多危害的：

——氮氧化物的危害：

氮氧化物（NOx）种类很多，造成大气污染的主要是一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），因此环境学中的氮氧化物一般就指这二者的总称。氮氧化物可刺激肺部，使人较难抵抗感冒之类的呼吸系统疾病，呼吸系统有问题的人士如哮喘病患者，会较易受二氧化氮影响。对儿童来说，氮氧化物可能会造成肺部发育受损。研究指出长期吸入氮氧化物可能会导致肺部构造改变，但仍未可确定导致这种后果的氮氧化物含量及吸入气体时间。以一氧化氮和二氧化氮为主的氮氧化物是形成光化学烟雾和酸雨的一个重要原因。汽车工业尾气以及船舶工业尾气中的氮氧化物与碳氢化合物经紫外线照射发生反应形成的有毒烟雾，称为光化学烟雾具有特殊气味，刺激眼睛，伤害植物，并能使大气能见度降低。

——硫化物的危害：

柴油中含有的硫燃烧后变成二氧化硫或三氧化硫排出，二氧化硫是一种无色气体在空气中会慢慢转化成三氧化硫，它与水结合会生成亚硫酸，对人的口鼻粘膜有强烈的刺激性。硫化物的危害很大而且全球船舶柴油机排放的硫化物对环境造成的污染作用会越来越严重。

——含碳颗粒的危害

柴油机所排放为部分还包括含碳颗粒，这种排放物如果长时间存在会能对人的肺部造成持久性的影响，损害人的自我修复功能，这就会导致其他有害物质在人体内部作用发挥致癌作用。而且其本身还带有许多有毒的有机烃，这些烃化物也带有不同程度的致癌与诱变其他物质致癌的化学作用。

这些排放物是可以通过控制柴油机在某些工况下的工作瞬时参数来减少的。例如，喷油提前角。当喷油提前角过小时，氮氧化物排放越少，但硫化物排放明显增多。首先，高压油泵的燃油预先喷射到燃烧室中。此时，由于燃油喷射太早，燃烧室压力低，温度没有达到一定水平，并且不能进行燃烧。当温度达到燃烧温度时，与空气混合并被充分雾化的燃油开始进行燃烧。燃烧室内的燃油过多容易发生爆燃，这就是燃烧带来的剧烈震动，会增加柴油机的机械负荷，影响柴油机以及曲轴的使用寿命，此时，排气温度比较低并且燃料消耗增加。当喷油提前角过大时，硫化物排放较少，但是氮氧化物排放明显增多。当燃油喷射提前角太小时，将会导致严重的后燃^[3-4]。此时，废气温度高，爆炸压力低，产生黑烟，发动机工作效率低，燃烧效率低。因此，为了解决柴油机排放问题，利用最优控制选择合理的喷射提前角尤为重要。这也提示了我们可以通过最优控制，在不同的工况下适当控制柴油机的喷油提前角处在合适的范围内，那么在发动机尾气排放（烟尘、氮氧化物、硫化物）和喷油提前角之间是可以取得一种可控制的平衡。这种可调控的因素包括喷油提前角（喷油时刻）、喷油系统、燃油品质、进气状态、柴油机的压缩比、转速、负荷等。在现在的节能减排的大趋势下，控制污染物的排放是势在人必为的。为此，国际海事组织在2016实施的关于船用柴油机航行时的TIER Ⅲ排放的标准，目的就是为现在的环境减负，降低柴油机氮氧化物、硫化物的排放，减少对环境的污染。在国内，也必须要按照国家政策的要求，来对环境进行严格的保护，减少柴油机尾气的排放，保护环境，这对我们全民的身体健康以及国家未来的可持续发展有深远的现实意义^[5]。

1.2国内外研究现状

中、大型柴油机的排放问题一直是国内外学者专家关注的重点，国内外有许多从事这方面减少排放物研究的人员。

国外的Rimmer, JET; Johnson, SL; Clarke, A研究引燃喷射正时对高速共轨双燃料发动机的性能和排放的影响。实验证明在小容量高速发动机中，燃烧可以在时间上更短，喷射正时可以对发动机的性能和排放特性产生重要影响。还通过在每个负载条件下，优化的喷射时间完成气体置换，以1500r / min的恒定发动机速度研究引燃喷射量的影响，确定了双燃料燃烧期间喷射正时的峰值以及通过优化引燃喷射正时可以实现的发动机性能和稳定性的增加。

Joonsik Hwang,齐东辉, Yongjin Jung, Choongsik Bae等研究了喷射压力和喷射正时对单缸共轨直喷（CRDI）柴油发动机燃烧和排放特性的影响，本柴油发动机以废食用油（WCO）生物柴油和商用柴油为燃料。在两个不同的发动机负载下，在上止点之后的两个喷射压力（80 MPa和160MPa）和不同的喷射时间25至0曲柄角度（CAD）下进行发动机测试。结果表明，在所有实验条件下，相对于生物柴油的喷射时间的指示的特定燃料消耗（ISFC）高于柴油燃料的喷射时间。生物柴油的峰值气缸压力和峰值放热率略低，而在所有操作条件下点火延迟稍长。就排放而言，生物柴油具有减少烟雾，一氧化碳（CO），碳氢化合物（HC）排放的优点，特别是在高燃料喷射压力下。在所有实验条件下，生物柴油的氮氧化物（NOx）排放相对高于柴油^[6]。

J. H. JEONG等研究了引燃喷射和主喷射之间的停留时间如何影响单缸DI柴油发动机的燃烧和排放特性（NOx，CO，THC和烟雾）。实验通过改变 5个喷油提前角（-40°、-20°、0°、20°、40°），来进行对比，以获得更好的效果。实验结果证明，燃烧的延迟会使NOx的排放减少^[7]。

国内的刘君恒在DMCC HD柴油机上采用了甲醇-柴油复合燃烧（DMCC）模式，研究喷油正对发动机性能和废气排放的影响。实验结果显示增加提高喷射时间可提高气缸峰值压力和最大放热率。随着喷射正时（喷油提前角）的增加，DMCC模式下的发动机的制动比能耗（BSEC）和排气温度降低。随着柴油喷射时间的推进，NOX增加并且废气中的烟灰减少。与柴油燃料模式相比，DMCC模式更加有利于降低进气温度，NOX和烟尘排放，同时NO2，碳氢化合物和一氧化碳排放明显增加。此外，根据喷射时间的提前，DMCC模式的碳氢化合物和一氧化碳排放呈现下降趋势^[8]。

刘波, 胡杰, 严福武, Richard Fiifi Turkson, 林峰等用一种新的NOX最优支持向量机集成模型来进行柴油机排放的预测。他们提出了一种基于主成分分析（PCA），遗传算法（GA）和MATLAB实现的支持向量机（SVM）的集成方法，用于建立柴油机稳态和瞬态运行状态的NOX排放预测模型，详细讨论了数据预处理，建模，优化和预测的不同阶段并得出了测试最佳模型^[9]。

此外，中国农业大学技术研究所黄粉莲等将加压直喷柴油机工作过程的SIMULINK仿真模型由引入OPTIMUS平台；以进气滞后角和排气提前角以及喷油提前角为优化设计变量，以柴油机的经济性和动力性为设及目标进行优化计算。额定工况下该发动机的优化结果是：进气迟后角为42°CA，排气提前角为60°CA，喷油提前角为16°CA^[10]。

1.3研究内容

许多因素都会影响着柴油机的排放，包括发动机的结构与工作部件、工作过程、处于不同工况的不同参数、辅助设备的运行状况、燃烧特性等等。其中喷射系统工作状况的好坏，直接影响到柴油机的动力性、经济性、排放与噪声等方面的性能。喷射系统必须要在柴油机的不同运转工况下，精确控制每个行程喷入气缸的燃油量，且喷油量随工况的变化而变化，保证最佳时刻的起始喷油时刻，喷油持续时间，来保证柴油机燃烧室良好的燃烧性能以及排放性能。

所研究题目为柴油机排放物最优控制的研究，喷油时刻越晚，氮氧化物排放越少，但硫化物排放明显增多。喷油时刻越早，硫化物排放较少，但是氮氧化物排放明显增多。研究内容的目的就是要在喷油提前角、氮氧化物、硫化物三者中，利用最优控制来得出喷油提前角对柴油机燃油燃烧产生的尾气排放的影响，来解决氮氧化物、硫化物的排放问题。

2柴油机电控喷油技术

2.1柴油机电控喷油技术的发展

柴油机诞生之初，燃油喷射系统是机械的由凸轮系统控制的。柴油机工作时，曲轴带动与之相连的凸轮轴转动，凸轮转动的同时，由于其形状的特殊性，被用来控制高压油泵的供油压力与燃油喷射时刻。但是这种方法是机械式的，每台柴

图2.1

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