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基于可变气门驱动的大功率柴油机燃烧控制策略改进与排放控制

摘要

传统柴油机燃烧过程中氮氧化物含量高，往往需要在高负荷时引入废气循环。这可能会对与降低缸内空气燃料比（lambda）相关的烟雾排放和燃料转换效率产生不利影响。此外，低发动机负荷下的低废气温度会降低满足严格排放法规所需的后处理系统的有效性。这些都是当前重型柴油机遇到的一些问题。本文研究了基于可变气门驱动的先进燃烧控制策略，以提高发动机的排气温度、排放和效率。对装有高压共轨燃油喷射系统、高压回路冷却废气再循环系统和可变气门驱动系统的单缸柴油机进行了试验分析。可变气门驱动系统可在排气冲程期间延迟关闭进气门和打开第二进气门。结果表明，Miller循环是发动机低负荷运行时排气温度管理的有效技术，当发动机在2.2和6bar净压力下运行时，排气温度分别提高40℃和75℃。然而，米勒循环在指示平均有效压力的轻负荷下对一氧化碳和未燃烧碳氢化合物的排放产生相反的影响。当米勒循环与第二个进气门打开策略相结合时，由于存在内部废气再循环导致气缸内形成相对较热的充气，这一点可以克服。与基准发动机相比，该策略还显著降低了82%的烟尘排放量。在米勒循环运行中，使用外部废气再循环和后喷射，在6巴的部分负荷下，指示的平均有效压力将高氮氧化物排放量降低了67%。这导致了2的减少。2/e总流量消耗，考虑后处理系统中的尿素消耗。在发动机高负荷17bar时，表明平均有效压力，采用排气循环的高增压米勒循环策略，可将燃油转换效率提高1.5%，同时将总油耗降低5.4%。结果表明，先进的基于可变气门驱动的燃烧控制策略可以有效地控制发动机低负荷时的排气温度和排放，提高高负荷时的燃油转化效率和总油耗，降低发动机的运行成本

关键词：重型柴油机，可变气门驱动，米勒c，废气再循环，后喷射，总油耗，废气温度

介绍：

近二十年来，重型柴油机的研究和开发主要集中在降低氮氧化物（Nox）和颗粒物（PM）的排放上。它们的形成是由于传统的柴油机燃烧其特点是非预混扩散控制燃烧产生的广泛的缸内局部气体温度和当量比。最近，对降低燃料消耗和二氧化碳（CO2）的需求，再加上客户降低车辆运行成本的要求，也对高负荷（HD）柴油发动机的开发提出了严格要求。”-为了解决这些问题，需要将缸内燃烧控制技术与排放控制后处理系统（ATS）相结合。低温燃烧（LTC）模式，如非均质压燃（HCCI）、预混合压燃（PCCI）和部分预混合压燃（PPCI），已经显示出他们同时实现低氮氧化物和烟尘排放的潜力。然而。这些燃烧模式存在燃烧相位控制的高未燃碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）排放sk和有限的负荷范围。-此外，这些LTC策略使废气温度（EGT）大大降低，这给ATS的有效运行带来了巨大的挑战，包括选择性催化还原（SCR）柴油颗粒过滤器（DPF）和柴油氧化催化剂（DOC）在发动机低负荷和冷起动时的有效运行。ATS强烈依赖于催化剂熄火和启动排放控制需要大约200 C的EGT和胺类EGT。

当EGT高于300℃时，可以有效地去除DOC中排气中未燃烧的HC-anCO排放。此外，当进气温度达到500@C 2时，DPF的启动可以实现。采用了多种先进的燃烧技术，如多燃料喷射策略、更高的燃油喷射压力和更高的增压压力，从而提高了转化效率；但是，这些技术通常伴随着较低的EGT。13或者，可变气门驱动（基于vva的技术，如Miller cycand内部废气再循环（IEGR））在柴油机上的应用已被证明是废气排放和废气排放控制的有效技术。这是由于通过提前进气门关闭（EIVC）或延迟进气门关闭（LIVC）计时实现的米勒循环降低了气缸内燃烧温度和空燃比的峰值。IEGR通过排气冲程期间的二次进气阀打开（21 VO）和/或进气冲程期间的排气阀重新打开（2 EVO）实现，允许控制缸内热重混合气体分数。

Gonca等人。通过实验和模拟分析，评价了米勒循环对发动机性能和排放的影响。较低的有效压缩比（ECR）导致NOX排放减少了30%，同时降低了扭矩和燃油转换效率。里纳尔迪涅特。还进行了实验和数值模拟分析米勒循环的影响。结果表明，Miller循环运行使欧洲某轻型柴油车的nox和碳烟排放分别降低了25%和60%，燃油效率降低了2%。Garget al的实验研究。结果表明，通过eivc和LIVC节流降低了容积效率。这导致气缸质量降低，导致EGT增加。使用IEGR可以保留前一个循环中的热电阻，从而改进废气热管理，减少未燃烧的HC和较低发动机负荷下的CO排放。9-21减少氮氧化物排放的其他有效方法是将冷却废气再循环（EGR）引入米勒循环操作，如我们以前的工作中所述。5-2此外，Kim和Bae2的试验研究了在低负荷运行的单缸柴油机上使用Miller循环和废气再循环（EGR）的联合使用，将氮氧化物排放量从10g/kwh降低到接近1g/kwh。Verschaeren等人。Benajes等人的试验和模拟研究表明，在HD柴油机上使用Miller循环和EGR时，氧化还原水平超过70%。25gt;26表明，EIVC和EGR可以降低燃烧温度，产生更为洁净的局部当量，有效地抑制NOX和烟尘的生成。然而，由于米勒循环和高负荷EGR的联合使用而导致的气缸内空燃比降低，会恶化燃烧过程，导致燃油转换效率低，烟尘和CO排放水平高。21-30因此，在高发动机负荷下同时采用千禧年循环和EGR策略时，为了提高缸内空燃比，必须采用较高的进气增压。Kovacs和Eilts29研究了增压对HD柴油机高负荷范围内米勒循环EGR运行的影响。实现了烟尘和CO排放的显著改善，并与NOX进行了合理的权衡。Kovad Eilts的进一步研究表明，要使Miller循环运行的燃料消耗最小化，需要非常高的涡轮增压器效率。许多其他工作也表明，较高的主机压力是米勒循环与废气再循环运行的关键促成因素，以实现同时高燃油转换效率和低废气排放。32-为了应对当前高密度柴油机所面临的挑战，需要开展研究和开发工作，以进一步优化燃烧过程。本研究的目的是探讨先进的vvabase燃烧控制策略，以改善排气温度，降低低负荷运行时的排放，提高燃油转换效率，降低高负荷运行时的总油耗，目前的工作是第一次尝试性地研究和分析VVA的潜力，基于低和高发动机负载条件下的技术。在此基础上，提出了米勒循环、内、外EGR、后喷射、高增压运行等先进的燃烧控制策略。在最后一段，基于Euro-VI NOX限值进行了总体效率和排放分析，以确定基于Vva的降低HD柴油机总油耗策略的有效性。在装有Vva系统的单缸HD柴油机上进行了试验研究一维（ID）发动机仿真模型用于计算气缸内平均气体温度（Tm）。在平均有效压力（如测试点1）为2.2巴的发动机轻载下，检查了带有IEGR的米勒循环的有效性。在6巴的发动机负荷下（如试验点2），研究了米勒循环操作结合冷却器和后喷射的应用。此外，在17巴的高发动机负荷下，千禧年循环运行的潜力和更高的增压压力可以表明平均有效压力（例如，测试点3）。分析了最佳vvabase燃烧控制策略的总体效率和成本效益，并与基准柴油机燃烧操作进行了比较

试验装置发动机规格和试验设施

图一为单缸重型柴油机的示意图。将弗劳德霍夫曼纳格150涡流测功机与吸收发动机功率输出。表1概述了测试引擎的基本硬件规格。以YuchaiYC6K六缸柴油机为研究对象，设计了一种几何压缩比为16.8的步进式活塞缸和四气门涡流导向气缸盖的燃烧系统。底端/短块采用AVL设计，带有两个对转平衡轴。压缩空气由AVL 515滑片增压器供应，采用闭环控制。安装了两个缓冲罐，以抑制进气和排气歧管中的强烈压力波动。进气歧管压力由活塞精细控制位于进气缓冲罐上游的阀门，使用Endress Hauser Proline t-mass 65 F ther-malmass流量计测量新鲜空气质量流量。使用位于排气缓冲罐下游的电控蝶阀独立控制排气背压高压回路冷却外部废气再循环（EGR）通过脉冲导入位于进气缓冲罐和节气门之间的发动机进气歧管宽度调节控制的废气再循环阀和进气和排气歧管之间的压差折叠。冷却液泵和机油泵由独立的电动机驱动。水冷式热交换器用于控制增压进气和外部废气再循环以及发动机冷却液和润滑油的温度。冷却液和机油温度保持在356 6 2 K内。在整个试验过程中，机油压力保持在4.06 0.1巴内。燃油喷射参数如喷射压力、喷射开始时间（SOI），在试验过程中，由一个专用的电子控制单元（ECU）控制喷射次数（每个循环最多三次喷射），柴油通过高压电磁喷油器通过高压泵和一个最大燃油压力为2200bar的共轨喷射到发动机中。燃油消耗量是通过测量向高压泵和柴油喷射器供应的总燃油量来确定的，测量设备见附录/evia两个科里奥利流量计。发动机配备了一个原型液压损失运动VVA系统，该系统在锁臂的进气阀侧包含一个液压折叠挺杆。VVA系统允许调整进气门关闭（VC）正时和thusenables Miller循环操作。基线病例的进气门开度（IVO）和IVC在上止点（ATDC）后分别设定为367和2174曲柄角度（CAD）。在气门升程为1 mm时考虑所有气门事件，最大进气气门升程事件设置为14 mm。此外，该系统在排气冲程期间启用2个VO事件，以捕获IEGR并增加残余气体分数。2I VO策略的最早开启时间和最晚关闭时间分别为160加元ATDC和230加元ATDC。此配置的最大气门升程为2 mm。图2显示了发动机基本运行时的进气和排气阀配置文件，以及LIVC和2VO情况下的ECR计算结果其中，Vide是上止点（TDC）位置的气缸容积，而ive ef是有效的气缸容积，其中气缸内压缩空气压力被提取为与进气歧管压力相同

采用Horiba-MEXA-7170型DEGR排放分析仪，在排气前测量排气管中的NOX、HCCO和CO2等废气背压阀。在该分析系统中，用非色散红外吸收（NDIR）分析仪测量了包括CO和CO2在内的气体，用火焰离子化检测器（FID）测量了hc，用化学发光检测器（CLD）测量了NOX。为了在背压升高时进行测量，在排气取样点和排放分析仪之间使用了高压取样模块。为了避免冷凝，安装了一条加热管线，以保持废气样品温度约为192.C。烟度是在排气背压阀下游用AVL 415SE烟度计测量的。根据联合国经济委员会（UN/ECE）第49号条例，测量以过滤烟度（FSN）为基础，然后转换为m g/m。7所有排气成分转换为净指示比气体排放量（单位：g/kwh）。在本研究中，EGR率定义为进气缓冲罐中测量的CO2浓度（CO2%）mnake与排气歧管中的Coz浓度（CO2%）erha之比，即

瞬时缸内压力由采样分辨率为0的Kistler6125°C压电式压力传感器测量。25CAD。采用高速和低速国家仪器数据采集(DAQ)卡采集测量装置的高频和低频信号。

通过内部开发的瞬态燃烧分析软件实时显示从DAQ获

取的数据以及得到的发动机参数。

通过AVLFI压电电荷放大器记录基于曲柄角度的

缸内压力轨迹，平均超过200个连续的发动机循环，

并用于计算指示的平均有效压力（IMEP）和表观放热率（HRR）根据Heywood，表观放热率计算为63bog ip du 0g ip du，其中g定义为比热比，在整个发动机循环中假定为常数1.33；y和p分别为缸内容积和压力；u是本研究中的曲柄角度数，质量燃烧分数（MFB）由HRR积分与最大累积放热的比值来定义。燃烧相位（CA50）由50%MFB的曲柄角确定。燃烧持续时间由10%（CA10）和90%（CA90）MFB曲柄角之间的时间段表示。点火延迟定义为主SOI与开始燃烧（SOC）之间的时间段，表示为平均循环的0.3%MFB点。缸内燃烧稳定性由采样周期内的The IMEP（COV-IMEP）变化系数监测

在配备SCR的HD柴油机上，发动机外Nox排放的增加会导致尿素水溶液的消耗增加。这将直接影响发动机的总油耗和发动机的运行成本。因此，在本研究中，由于不同国家和地区的柴油和尿素的相对价格不同，为了同时考虑测量的柴油流量（mIOEL）和CR系统中估计的尿素消耗量（n尿素），对总液体消耗量进行了估算，在Charlton et al.40和hanson et al.40中，尿素的价格和性质模拟为与柴油相同。根据查尔顿等人的说法。0和Pedrozo等人。，设定欧六氮氧化物限值0.4 g/kwh所需的尿素水溶液，可通过将测量的柴油流率添加到总液体消耗量计算所允许的估计尿素流率中，估算为每g/kwh氮氧化物还原尿素中柴油当量燃料流量的1%=0:01无xengine owt-无Eurol 1 sel O5，定义为计算缸内平均温度为了更好地分析不同燃烧控制策略对缸内燃烧过程的影响，利用里卡多波软件对内燃机进行了数值模拟气缸内气体温度。正如我们以前的工作所证明的，燃烧过程是用基于缸内压力测量的实验导出的HRR剖面来模拟的，传热是用Woschni传热模型来计算的，缸内气体的热力学状态是用两区模型来估计的。在所有情况下，进气质量流量、IMEP、缸内压力和进气和排气歧管压力都将根据实验数据进行校准，以验证ID发动机模型。最后利用验证的IDengine模型计算了缸内气体的平均温度。

摘要：船舶电站是船舶机舱的重要设备。大型船舶机舱监控系统的大型化和操作一体化的便利性以及人员的流线型配置，对船舶电站自动化和管理提出了更高的要求。介绍了船舶电站监控系统的功能和现状，建立了基于CAN总线技术的船舶电站监控系统。这样一个开放式的电站监控系统更可靠、更易于扩展，对整个船舶的驾驶具有积极意义

1. 随着船舶容量和吨位的不断增加，船舶电站的自动化水平越来越高，人们对船舶电站的电能质量和电力设备的安全可靠运行提出了更高的要求。因此，建立一个稳定、安全的船舶电站监控系统具有十分重要的意义。目前，船舶电站监控系统的nost以PLC为核心，通过1O模块、模拟模块和通信模块对船舶电站的开关柜和发电机组进行控制。虽然PLC具有成熟可靠、应用广泛等优点，但不同厂家的PLC与PLC的控制系统及其它核心控制器之间存在较大的技术壁垒，从而达到了船舶综合集成的设计目标。不同的通信系统只能使用相应厂家的通信协议。多个协议的存在会降低系统的一致性。本文设计了

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