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翻译：
现代柴油机预喷燃烧过程研究
1索非亚技术大学，内燃机、汽车和运输系，KL。奥赫里斯基大道。保加利亚索非亚
2国家艺术和艺术学院，CMGPCE，292圣马丁街，75003巴黎，法国
*普拉门_潘诺夫@tu-sofia.bg
摘要：本文旨在研究现代柴油机的燃烧过程。为了研究汽车柴油机的热释放速率(Rohr)，对某汽车柴油机进行了实验测试并确定了发动机的喷射参数。在发动机转速限制在2400转/分的前提下，在发动机上进行了实验测试。然后在实验的基础上在AVL Boost软件上建立了发动机仿真模型。利用该模型，再用双Vibe函数对Rohr进行了估计和逼近。通过实验，我们发现了Rohr有两个峰值。两个峰值分别对应导频注入和主注入时刻，且没有发现两个峰值之间存在重叠。研究发现，在部分载荷作用下，Rohr的第一个峰值发生在顶部死区(BTDC)之前。它会增加发动机的速度和负荷因为它开始的更早。整个燃烧持续时间为30~70。CA。为了验证这一结果，本文利用定义的Vibe函数参数和燃烧持续时间对压力曲线进行了估计。结果显示，测量压力曲线与模拟压力曲线偏差很小。
- 导言
在汽车直喷式柴油机中，采用了预喷射策略来控制燃烧室内的压力上升，并对发动机产生的噪声进行了控制[1]。这一策略要求在发动机工作图[2，3]上精确控制喷油的先导量和喷油时间以及主要喷油的时间。因此，喷射参数的变化给在直喷式柴油机数值模拟中预测热释放速率(Rohr)带来了很大的困难。为此Jaipuria和Lakshminarayanan提出了一种预测共轨直喷式柴油机Rohr的一维模型[4]，结果显示模拟结果与实验数据十分接近。
本文研究了柴油、萝卜醇和油菜甲酯对直喷式柴油机的双振动函数参数的影响[5]。本文用对数变形来定义了函数的六个参数，并用生物柴油混合燃料对发动机进行了试验，通过实验最终确定了双Vibe函数参数[7]。振动函数形状参数的改变会导致燃烧开始有序变化，直到达到最大指示平均有效压力(IMEP)。在本研究中，第一个振动函数的形状参数变化在2.9~3.1之间，第二个振动函数的形状参数在0.7~1.6之间。
2、实验装置
本文对汽车柴油机的燃烧过程所做的实验研究均在试验台上进行。在该试验台上，发动机与手动控制的液压发动机制动器耦合，采用先进的发动机管理系统对喷油过程进行控制，并进行数据监控。采用测量缸内压力的方法对燃烧过程进行了研究。在发动机缸盖上安装了压电石英压力传感器并用AVL指示系统测量和记录所指示的压力。试验装置的方案如图1所示。
图1.发动机试验台原理图
2.1.研究发动机
本文所研究的柴油机是一种排量为1998cm3的直喷式柴油机。包括共轨系统直接喷射气缸、增压系统、废气再循环系统(EGR)、催化转化器等，额定功率为101kW，转速为4000min-l，最大扭矩为320Nm。该发动机配有可变几何涡轮增压器，升压限制在1.3巴，最大注射压力限制在1600巴。发动机共轨系统是用Delphi开发的。引擎的主要参数如表1所示。
表1.发动机主要参数
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发动机型 |
HDI |
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气缸数 |
4 |
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排气量 |
1998cm3 |
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口径 |
85mm |
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冲程 |
88mm |
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压缩比 |
17.6 |
|
每缸阀数 |
4 |
2.2.发动机管理系统
发动机管理系统是基于国家仪器的实时控制器。系统的硬件部分包括：PXI底盘-NI PXI-1031、实时嵌入式控制器NI PXI-8106 RT、FPGA模块-NI PXI-7813R、两个R系列扩展底盘-NI CRIO 9151以及Drivven开发的模块。在项目中我们使用了四个模块：DI驱动程序-2pcs、低端模块、ADCombo模块和02传感器模块，所有这些模块都基于NI C系列接口。
整个系统为发动机控制参数的实时控制和监控提供了保障，如：循环喷射过程控制、喷射压力控制、升压控制、废气再循环控制、排气中的宽带氧传感器闭环控制等。
为了确定管理系统的控制逻辑，我们开发了LabVIEW项目。利用DrivvenCalVIEW软件对实时数据进行可视化，软件的前面板如图2所示，该软件还用于实时设定操作参数。
图2.带有控制软件前面板的发动机管理系统
2.3.气缸压力测量
测量系统由缸内压力传感器AVL GHl3P、角编码器AVL 364C、在线转换器PCB Piezotronic422F01、信号调理器PCB PiezotronicF482B05和指示仪表AVL Indiskop 647组成。压力传感器与辉光插头适配器AG04结合使用，允许测量没有管道振荡，其测量范围可达250巴。在线逆变器和信号调理器将信号转换为电压而不改变信号电平(将1pc转换为1mV)。显示系统AVL Indiskop 647配备了一个双通道电压放大器3065-A01。
3、仿真模型
为了研究燃烧过程和确定Rohr，我们利用AVL Boost软件建立了发动机的模拟模型。该模型的框图如图3所示。其中0D和1D是程序中每个特定元素开发的一维物理模型之间的组合。我们的模型由以下要素组成：气缸、全体、管道、空气冷却器、涡轮增压器、边界和主发动机元件(E1)。
我们根据气门口规格、升程曲线、流量系数等定义了汽缸的几何参数以及燃烧模型、传热模型和配气机构。AVL Boost软件提供了几种涡轮增压器建模方法，我们采用了目标压缩机和涡轮压力比以及等熵和机械等熵常数的简化模型。
图3.AVL Boost发动机仿真模型
在模型中，管道元素连接该模型的其他元素。我们为每根管道定义了几何参数，如长度和直径，定义了壁面与流体之间的摩擦系数和传热系数，采用1D模型(Euler方程系统)来定义管道沿线的流体参数，在主发动机单元中定义了模拟工况、摩擦损失和发动机运行参数。
在研究中，我们采用了模拟模型来定义基于实验压力曲线的Rohr。我们选择了一个燃烧模型，即目标压力曲线，然后将压力曲线作为输入参数，再用双VIbe函数逼近每个操作点的Rohr，并与实验测得的压力曲线进行了比较。
双Vibe函数定义为两个简单Vibe函数在关联中的之和，如下所示：
其中：a1 a2=1
4、结果和讨论
4.1.实验结果
我们在转速为1400min-1~2400min-1，间隔200min-1的范围内进行了试验研究，研究了在负荷由怠速到满负荷过程中发动机性能的变化。由于液压制动器是手动控制的，不允许发动机转速保持在2400min-1以上，因此本研究上限于该操作点。缸内压力的变化结果如图4所示。该发动机转速为1400min-1时，在TDC后在曲轴13。CA的位置测量到最大测量压力为130.8巴，BMEP为15.2巴。当发动机转速为1800min-1时，在TDC后的曲轴11。CA的位置测量到压力达到最大值168.9bar，BMEP为19.5bar。
图4.缸内压力的实验测量
当发动机转速为2000min-1时，在TDC后的曲轴11。CA的位置测量到最大气缸压力为172.5bar。发动机转速为2400min-1时，在TDC后的曲轴10。CA的位置测量到最大压力为159.9bar，BMEP为19.7bar。在所有研究的操作点上，均采用了先导喷射策略，观察到由于预注入燃料，在TDC前缸内压力略有增加，导致TDC处的压力值高于压缩压力。结果显示，最大缸内压力发生在与发动机转速为2000min-1相对应的操作点，将发动机转速提高到2000min-1以上后最大压力逐渐减小。
图5.放热率
图6.用双Vibe函数逼近Rohr
4.2.放热率
通过AVL Indiskop 647仪器的指示，并用实测压力曲线和燃烧算法“目标压力曲线”的模拟模型对Rohr进行了估算，分别以1400、2000和2400min-1的速度进行了测试。在图5中，观察到用两种方法估计的所有操作点的结果之间只存在小的偏差。图中Dash线代表发动机模型估计的结果，实线表示由IndisCOP 647估计的值。
图5的结果表明，先导喷射策略降低了Rohr在预混燃烧阶段的最大值。对于每个操作点，我们都发现两个ROHR峰值，两个峰值分别对应导频注入和主注入时刻，且没有发现两个峰值之间有重叠。在主燃烧开始后，由于点火延迟时间相对较小，ROHR略有增加，但没有达到极高的值。在发动机转速较低的情况下，由于混合速度较低，Rohr值较高，当BMEP为9.5bar时，最大值为102kJ/kg.deg。在发动机满负荷时，Rohr的最大值较低，为94kJ/kg.deg。
4.3.用双Vibe函数逼近Rohr
由于柴油机燃烧模拟中的Rohr比用压力曲线估计的实际Rohr更容易用VibeFunction或双Vibe函数来定义，因此我们选择双VIBE函数来逼近真实Rohr。通过定义Vibe函数参数：形状参数(m1和m2)、燃烧持续时间(phi;z1和phi;z2)和燃烧起始点，对所研究的每一个发动机操作点进行了计算。根据得到的参数定义了整个发动机工作范围内的振动函数参数。然后用模拟模型对发动机的性能和污染物的形成进行了数值研究。图6显示了基于压力曲线并用双Vibe函数逼近的Rohr估计值。
图7.缸内压力模型验证
为了验证所建立的发动机仿真模型，我们对实验结果进行了比较。我们测量了缸内压力，并采用双振动函数计算了放热率。结果如图7所示，在发动机转速为1400min-1时我们观测到了最大值。
图8.Vibe函数的参数
通过对比，我们发现满载时实验值与模拟值的最大偏差为6.3%；转速为2000min-1时，最大偏差估计为7.4%；转速2400min-1时，空转操作点偏差为9.1%，满载偏差为8.9%；在其他操作点，偏差小于1.9%。
在考虑喷射参数和工况的情况下，根据参数变化的趋势，我们确定了发动机转速为1400~2400min-1时的振动函数参数。但是，当转速在3500min-1以上时该发动机没有预注入，因此我们使用了单一的Vibe功能。在无先导喷射区，我们根据适用于直喷式柴油机的常用参数确定了振动函数参数，并在非实验研究范围内利用缸内压力的最大值对模型进行了验证。图8中给出了振动函数参数的数值并在图的顶部给出了颜色场的意义。由于在整个操作范围内该值相对恒定，因此这里给出了与先导注入有关的Vibe形状参数和持续时间分别为2.5和4~6。CA。
5、结论
本文对现代直喷式柴油机的燃烧过程进行了综合分析。为了研究Rohr进行了测量缸内压力的实验试验。然后，利用AVL Boost软件中开发的发动机仿真模型对Rohr进行了近似。在采用预喷射策略时，为了逼近发动机工作范围内的Rohr，采用了双振动函数，在此区域外，使用了单一的Vibe函数。在1400min-1~2400min-1的工作范围内，在估计的Rohr的基础上，确定并验证了Vibe函数参数。在2400min-1以上的VIbe参数随函数的变化趋势和注入参数的变化而变化。利用双VIBE函数对发动机仿真模型进行了验证，并将模拟的缸内压力与实测值进行了比较。结果表明，实验值与模拟值的最大偏差为9.1%，主喷油的Vibe形状参数在发动机图上的变化范围为0.6~1.5，而主喷油变量的燃烧持续时间为30~70。CA。
参考文献：
[1]Lakshminarayanan P A and Aghav Y V 2010 Modelling Diesel Combustion: Springer
[2] Punov P 2011 Research influence of multi-pulse
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资料编号：[236081]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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