CN112431700A - 含氧混合燃料柴油机变海拔喷油策略的测定装置和方法 - Google Patents

含氧混合燃料柴油机变海拔喷油策略的测定装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含氧混合燃料柴油机变海拔喷油策略的测定装置和方法。本发明的测定方法，采用虚拟标定和模拟试验相结合的方法，得到柴油机燃用PODE3～5/柴油混合燃料不同海拔喷油控制策略。虚拟标定由PODE3～5/柴油混合燃料柴油机高海拔性能仿真模型和包含试验设计、虚拟试验、模型构建、数据优化、脉谱生成等功能的柴油机高海拔虚拟标定系统构成，仿真模型的准确性由不同海拔PODE3～5/柴油混合燃料柴油机模拟试验进行验证。利用本发明的方法，可以得到5500m海拔条件下PODE3～5/柴油混合燃料柴油机循环喷油量、共轨压力和喷油提前角的最佳脉谱，以及与燃用柴油相比的最佳喷油策略。

Description

含氧混合燃料柴油机变海拔喷油策略的测定装置和方法
技术领域
本发明涉及应用于高原的混合燃料领域，更具体地说，是涉及PODE3～5/柴油混合燃料柴油机变海拔喷油控制策略。
背景技术
青藏高原是世界上最具代表性的高原，平均海拔超过4000m，总面积达240 万km2，约占国土面积的1/4。高原地区大气压力低、氧含量低的气候环境特点，导致柴油机燃烧恶化，动力性、经济性、可靠性、耐久性下降，热负荷增加。目前，针对柴油机在高原地区运行时出现的动力性和经济性下降、热负荷增大、冒黑烟和启动困难等问题，主要开展的研究工作包括：高原增压匹配、供油系统调整、提高进气氧含量等。通过综合分析，采用单级增压器与柴油机高原匹配、供油系统调整技术仅能在3000m以下实现柴油机的功率恢复；采用二级可调增压技术，虽然可以实现5000m柴油机功率恢复到平原的80％以上，但结构复杂、体积庞大，在车用柴油机上安装非常困难；采用富氧进气可以改善柴油机高原燃烧状况，但目前膜法制氧技术还不成熟，应用受到限制。而在柴油中掺入适当的含氧燃料，构成含氧柴油，是在不改变柴油机结构的情况下改善柴油机不同海拔燃烧和性能的重要手段，对解决高原缺氧条件下燃料燃烧不完全造成的柴油机动力性和经济性严重下降、热负荷增大且冒黑烟的问题具有重要意义。
针对柴油机在高原低气压环境条件下的燃烧热力学状态，理想燃料应具备十六烷值高、雾化性能好且含氧等特点，PODE(CH3O(CH2O)nCH3(1≤n≤10))，由碳原子和氧原子交替连接组成链式结构，具有极高的氧含量，且PODE以及混合物能够溶于柴油，且有着比柴油更优异的理化性质，是较为理想的柴油添加成分。PODE可由煤基原料制取，蒸发性好，作为发动机燃料无需对燃油喷射系统改动。
然而，PODE分子间作用力较强导致其堆积密度高，从而导致密度比柴油高； PODE范德华力较强使得相同碳原子条件下熔点比柴油高。PODE梨花特性导致 PODE/柴油混合燃料柴油机在不同海拔不同工况下喷雾特性和燃烧特性不同。不同海拔PODE/柴油混合燃料柴油机雾化质量和燃烧过程的优劣受柴油机运行工况喷油参数和燃料理化性质共同的影响。目前关于该方面研究还鲜有研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种含氧混合燃料柴油机变海拔喷油策略的测定装置和方法。
本发明含氧混合燃料柴油机变海拔喷油策略的测定装置，包含电涡流测功机、进排气模拟系统、发动机控制系统、数据采集系统、冷却水恒温控制系统及燃烧分析仪；气体管路从进气口至排气口依次设置有进气阀、流量计、稳压罐、发动机、排气阀、真空泵、稳压管，发动机通过连接轴连接电涡流测功机，注油箱通过设置油耗仪的管路连接发动机，发动机内设置的压力传感器和发动机连接的角标仪分别连接燃烧分析仪，进排气模拟系统分别连接进气阀和排气阀，发动机控制系统连接电涡流测功机，数据采集系统和冷却水恒温控制系统分别连接发动机。
本发明含氧混合燃料柴油机变海拔喷油策略的测定方法，采用虚拟标定和试验相结合的方法，得到柴油机燃用PODE3～5/柴油混合燃料不同海拔喷油控制策略；所述含氧混合燃料为PODE3～5与柴油的混合燃料；
所述虚拟标定由柴油机高海拔性能仿真模型和高海拔虚拟标定系统组成，两者分别承担虚拟发动机和虚拟试验系统的功能；
(1)PODE3～5/柴油混合燃料柴油机高海拔性能仿真模型
根据柴油机实际结构，利用GT-Power建立高压共轨柴油机工作过程模型，燃烧模型采用油滴蒸发模型，传热模型采用半经验的Woschni传热模型；
选取0m和5500m条件柴油机燃用混合燃料1000r/min和2100r/min全负荷工况试验数据进行模型验证，缸内燃烧压力仿真值和试验值较为接近，误差在5％以内，满足柴油机性能预测要求；
实验数据由PODE3～5/柴油混合燃料柴油机变海拔喷油控制策略的测定装置获得。
(2)PODE3～5/柴油混合燃料柴油机高海拔虚拟标定系统
采用MATLAB/Simulink仿真软件建立PODE3～5/柴油混合燃料柴油机高海拔虚拟标定系统，PODE3～5/柴油混合燃料柴油机虚拟标定流程包含试验设计、虚拟试验、模型构建、数据优化、脉谱生成和标定结果验证；
1)试验设计：海拔高度选取0km、1.5km、2.5km、3.5km、4.5km、5.5 km 6个海拔，转速选取1000r/min、1200r/min、1400r/min、1500r/min、1800 r/min、2100r/min6个转速。循环喷油量、共轨压力、喷油正时的选定参照喷油器参数和柴油机高原条件实际喷油特性进行设定，
2)虚拟试验和模型构建：计算处理得到的上述PODE3～5/柴油混合燃料柴油机喷油参数：循环喷油量、共轨压力、喷油提前角的全负荷200个试验点，通过GT-Power仿真运算得到200组试验数据，建立PODE3～5/柴油混合燃料柴油机输出二阶响应相应模型，
3)数据优化、脉谱生成：利用响应模型可以预测PODE3～5/柴油混合燃料柴油机性能参数随循环喷油量、共轨压力和喷油提前角等变量的变化关系；
4)在虚拟标定过程中，全负荷工况以动力性最佳即转矩最大为优化目标，以涡前排温≤720℃、最高燃烧压≤16MPa、增压器转速≤125000r/min为约束限制条件，得到不同海拔、不同工况最佳喷油策略，随海拔升高，柴油机循环喷油量逐渐减小，减小趋势随海拔增加逐渐递增，由0m至3500m平均降低了10.9％，由3500m至5500m平均降低了20.4％；随转速增加，喷油提前角先减小后增大，随着海拔升高喷油提前角逐渐增大；共轨压力随着转速先增大后趋于平稳，随着海拔先增加后略有降低。
本发明具有如下技术效果：
利用本发明的装置和方法，可以得到5500m海拔条件下，与燃用柴油相比，柴油机燃用PODE3～5/柴油混合燃料时，各转速循环喷油量均增加，平均增大9.3％；喷油提前角减小，平均减小2.9℃A。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2a为计算处理得到的PODE3～5/柴油混合燃料柴油机循环喷油量全负荷 200个试验点分布图；
图2b为计算处理得到的PODE3～5/柴油混合燃料柴油机循共轨压力全负荷 200个试验点分布图；
图2c为计算处理得到的PODE3～5/柴油混合燃料柴油机喷油提前角全负荷 200个试验点分布图；
图3是PODE3～5/柴油混合燃料柴油机输出二阶响应相应模型原理图；
图4a是不同海拔、不同工况最佳循环喷油量示意图；
图4b是不同海拔、不同工况最佳喷油定时示意图；
图4c是不同海拔、不同工况最佳喷油策略图；
图5a是柴油机燃用柴油和P20海拔5500m喷油量对比图；
图5b柴油机燃用柴油和P20海拔5500m喷油提前角对比图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明PODE3～5/柴油混合燃料柴油机变海拔喷油控制策略的测定装置，包含电涡流测功机、进排气模拟系统、发动机控制系统、数据采集系统、冷却水恒温控制系统及燃烧分析仪，试验中发动机耗油量用瞬态油耗仪测量；气体管路从进气口至排气口依次设置有进气阀1、流量计2、稳压罐3、发动机4、排气阀5、真空泵6、稳压管7，发动机通过连接轴连接电涡流测功机8，注油箱9 通过设置油耗仪10的管路连接发动机，发动机内设置的压力传感器11和发动机连接的角标仪12分别连接燃烧分析仪，进排气模拟系统分别连接进气阀和排气阀，发动机控制系统连接电涡流测功机，数据采集系统和冷却水恒温控制系统分别连接发动机。
本发明PODE3～5/柴油混合燃料柴油机变海拔喷油控制策略的测定方法，采用虚拟标定和试验相结合的方法，得到柴油机燃用PODE3～5/柴油混合燃料不同海拔喷油控制策略；
所述虚拟标定由柴油机高海拔性能仿真模型和高海拔虚拟标定系统组成，两者分别承担虚拟发动机和虚拟试验系统的功能。
(1)PODE3～5/柴油混合燃料柴油机高海拔性能仿真模型
根据柴油机实际结构，利用GT-Power建立高压共轨柴油机工作过程模型，该模型由空气滤清器和中冷器、进排气道和进排气门、增压器、喷油器、气缸和发动机本体组成，其中燃烧模型采用油滴蒸发模型，传热模型采用半经验的 Woschni传热模型。
选取0m和5500m条件柴油机燃用P20 1000r/min和2100r/min全负荷工况试验数据进行模型验证，缸内燃烧压力仿真值和试验值较为接近，误差在5％以内，满足柴油机性能预测要求。
试验结果PODE3～5/柴油混合燃料柴油机变海拔喷油控制策略的测定装置(如图1所示)获得。
(2)PODE3～5/柴油混合燃料柴油机高海拔虚拟标定系统
采用MATLAB/Simulink仿真软件建立PODE3～5/柴油混合燃料柴油机高海拔虚拟标定系统，可使虚拟标定试验按照设置自动运行，并对发动机运行结果自动进行存储和处理，提高了工况设置和运行的效率。
PODE3～5/柴油混合燃料柴油机虚拟标定流程如下：
第一步 试验设计，通过选取合适的试验设计方法，得到具有代表性并尽可能少的试验工况点；
第二步是采用试验设计得到的工况点进行发动机仿真试验，得到柴油机相关的性能数据；
第三步是利用得到的数据建立发动机参数响应模型；
第四步是对生成的响应数据选取优化方法进行优化求解并得到最佳控制参数；
第五步是对得到的最佳控制参数插值处理生成脉谱；
第六步是通过发动机性能试验完成标定结果验证，完成柴油机整个标定过程。
在试验设计时，海拔高度选取0km、1.5km、2.5km、3.5km、4.5km、5.5 km 6个海拔，转速选取1000r/min、1200r/min、1400r/min、1500r/min、1800 r/min、2100r/min6个转速。循环喷油量、共轨压力、喷油正时的选定参照喷油器参数和柴油机高原条件实际喷油特性进行设定，如表1所示。
表1喷油参数设定
Figure RE-GDA0002902306740000061
图2a为计算处理得到的PODE3～5/柴油混合燃料柴油机循环喷油量全负荷200 个试验点分布图；图2b为计算处理得到的PODE3～5/柴油混合燃料柴油机共轨压力全负荷200个试验点分布图；图2c为计算处理得到的PODE3～5/柴油混合燃料柴油机喷油提前角全负荷200个试验点分布图。
通过GT-Power仿真运算得到200组试验数据，建立PODE3～5/柴油混合燃料柴油机输出二阶响应相应模型，如图3所示。
利用响应模型可以预测PODE3～5/柴油混合燃料柴油机性能参数随循环喷油量、共轨压力和喷油提前角等变量的变化关系。在虚拟标定过程中，全负荷工况以动力性最佳(即转矩最大)为优化目标，以涡前排温(≤720℃)、最高燃烧压(≤16MPa)、增压器转速(≤125000r/min)为约束限制条件，得到不同海拔、不同工况最佳循环喷油量示意图，如图4a所示；图4b是不同海拔、不同工况最佳喷油定时示意图；图4c是不同海拔、不同工况最佳共轨压力示意图。
同一海拔条件下，柴油机燃用P20的最佳循环喷油量随转速增加先增大后减小；随海拔升高，柴油机循环喷油量逐渐减小，减小趋势随海拔增加逐渐递增，由0m至3500m平均降低了10.9％，由3500m至5500m平均降低了 20.4％；随转速增加，喷油提前角先减小后增大，随着海拔升高喷油提前角逐渐增大；共轨压力随着转速先增大后趋于平稳，随着海拔先增加后略有降低。
5500m海拔条件下，与燃用柴油相比，如图5a是柴油机燃用柴油和P20海拔5500m喷油量对比图和图5b柴油机燃用柴油和P20海拔5500m喷油提前角对比图所示，柴油机燃用PODE3～5/柴油混合燃料时，各转速循环喷油量均增加，平均增大9.3％；喷油提前角减小，平均减小2.9℃A。
即：随海拔升高，PODE3～5/柴油混合燃料柴油机循环喷油量逐渐减小，减小趋势随海拔增加逐渐递增，由0m至3500m平均降低了10.9％，由3500m至 5500m平均降低了20.4％；随转速增加，喷油提前角先减小后增大，随着海拔升高喷油提前角逐渐增大；共轨压力随着转速先增大后趋于平稳，随着海拔先增加后略有降低。
本文中的优化问题属于单目标多变量多约束非线性优化问题，利用Matlab 中CAGE工具箱中通过调用Fmincon优化函数进行优化，能够有效解决本文所面临的问题。在具体进行喷油参数优化过程中，采用固定海拔高度和转速的方式，对不同工况下的循环喷油量、喷油提前角和共轨压力进行自动寻优。
标定中首先完成试验设计，并依据试验设计结果在GT-Power模型中完成虚拟试验，得到不同工况和喷油参数下的柴油机性能数据，利用数据构建喷油提前角等柴油机输入参数和转矩等输出响应参数之间的模型，对该模型进行优化得到不同工况下的柴油机最佳控制参数，进一步利用这些最佳控制参数插值得到喷油参数不同大气压力最佳脉谱，结合最佳脉谱对柴油机标定结果进行试验。

Claims (2)

1.一种含氧混合燃料柴油机变海拔喷油策略的测定装置，其特征是，包含电涡流测功机、进排气模拟系统、发动机控制系统、数据采集系统、冷却水恒温控制系统及燃烧分析仪；气体管路从进气口至排气口依次设置有进气阀、流量计、稳压罐、发动机、排气阀、真空泵、稳压管，发动机通过连接轴连接电涡流测功机，注油箱通过设置油耗仪的管路连接发动机，发动机内设置的压力传感器和发动机连接的角标仪分别连接燃烧分析仪，进排气模拟系统分别连接进气阀和排气阀，发动机控制系统连接电涡流测功机，数据采集系统和冷却水恒温控制系统分别连接发动机。
2.一种含氧混合燃料柴油机变海拔喷油策略的测定方法，其特征是，采用虚拟标定和试验相结合的方法，得到柴油机燃用含氧混合燃料不同海拔喷油控制策略；
所述虚拟标定由柴油机高海拔性能仿真模型和高海拔虚拟标定系统组成，两者分别承担虚拟发动机和虚拟试验系统的功能；
(1)含氧混合燃料柴油机高海拔性能仿真模型
根据柴油机实际结构，利用GT-Power建立高压共轨柴油机工作过程模型，燃烧模型采用油滴蒸发模型，传热模型采用半经验的Woschni传热模型；
选取0m和5500m条件柴油机燃用混合燃料1000r/min和2100r/min全负荷工况试验数据进行模型验证，缸内燃烧压力仿真值和试验值较为接近，误差在5％以内，满足柴油机性能预测要求；实验数据由PODE3～5/柴油混合燃料柴油机变海拔喷油控制策略的测定装置获得；
(2)含氧混合燃料柴油机高海拔虚拟标定系统
采用MATLAB/Simulink仿真软件建立PODE3～5/柴油混合燃料柴油机高海拔虚拟标定系统，PODE3～5/柴油混合燃料柴油机虚拟标定流程包含试验设计、虚拟试验、模型构建、数据优化、脉谱生成和标定结果验证；
1)试验设计：海拔高度选取0km、1.5km、2.5km、3.5km、4.5km、5.5km 6个海拔，转速选取1000r/min、1200r/min、1400r/min、1500r/min、1800r/min、2100r/min6个转速。循环喷油量、共轨压力、喷油正时的选定参照喷油器参数和柴油机高原条件实际喷油特性进行设定，
2)虚拟试验和模型构建：计算处理得到的上述PODE3～5/柴油混合燃料柴油机喷油参数：循环喷油量、共轨压力、喷油提前角的全负荷200个试验点，通过GT-Power仿真运算得到200组试验数据，建立PODE3～5/柴油混合燃料柴油机输出二阶响应相应模型，
3)数据优化、脉谱生成：利用响应模型可以预测PODE3～5/柴油混合燃料柴油机性能参数随循环喷油量、共轨压力和喷油提前角等变量的变化关系；
4)在虚拟标定过程中，全负荷工况以动力性最佳即转矩最大为优化目标，以涡前排温≤720℃、最高燃烧压≤16MPa、增压器转速≤125000r/min为约束限制条件，得到不同海拔、不同工况最佳喷油策略，随海拔升高，柴油机循环喷油量逐渐减小，减小趋势随海拔增加逐渐递增，由0m至3500m平均降低了10.9％，由3500m至5500m平均降低了20.4％；随转速增加，喷油提前角先减小后增大，随着海拔升高喷油提前角逐渐增大；共轨压力随着转速先增大后趋于平稳，随着海拔先增加后略有降低。
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