Abstract ：

能源和环境问题的日趋严峻，促使内燃机节能减排的理论和技术不断进步。高效、清洁和节能是先进内燃机的发展目标。采用低碳燃料结合先进的燃烧技术是实现内燃机节能减排的重要途径之一。天然气和甲醇是两种极具发展潜力的低碳燃料。天然气由于其储量大、辛烷值高、颗粒物排放低、价格便宜，在点燃式和压燃式发动机上得到广泛的应用。然而，天然气发动机面临着以下问题：天然气为气体燃料，密度小，进气道喷射会占用一部分新鲜空气的体积，致使发动机充量降低，功率下降；此外，天然气的火焰传播速度较低，点火能量较高，致使快速燃烧期加长，燃烧等容度降低，进而使得发动机的热效率降低。相比天然气，甲醇为一种可持续发展燃料，不仅可从煤炭和生物质原料合成制取，还可通过捕捉空气中CO2加氢合成来制取；甲醇在常温常压下为液态，易于储存和运输；甲醇拥有较大的汽化潜热，进气道喷射后致使发动机的进气温度降低，有利于发动机充量系数的增加；甲醇的火焰传播速度较快，点火能量较低，能够增加燃烧的等容度，从而有利于发动机热效率的提升；甲醇为含氧燃料，燃烧更加充分，从而降低有害排放物。天然气发动机掺烧甲醇能够增加天然气的燃烧速度，降低其碳氢排放；甲醇发动机掺烧天然气能够改善甲醇的冷起动性能。为此，开发的天然气/甲醇双燃料发动机能够实现两种燃料燃烧特性的互补。此外，这种点燃式发动机可工作于单一甲醇模式、单一天然气模式、天然气/甲醇双燃料模式，在目前天然气和甲醇燃料供给设施不够完善的情况下，扩大了发动机的燃料选择范围，对于两种燃料的推广应用具有现实意义。本文通过试验研究与数值模拟相结合的方法对天然气/甲醇双燃料发动机的性能、燃烧和排放特性展开系统性研究。获得的主要创新成果如下： (1) 对原天然气发动机进行了改装，并开发了天然气/甲醇双燃料发动机的电控系统，实现了天然气进气道单点喷射和甲醇的进气道多点顺序喷射。构建了基于等能量替代的双燃料控制策略，可实现对甲醇能量替代率、混合气的空燃比、过量空气系数和点火提前角进行精确控制。结果表明，所开发的天然气/甲醇双燃料发动机的电控系统，方案新颖，发动机工作可靠稳定。所开发的双燃料发动机的控制策略合理可行，可移植性强，具有较好的工程应用前景。 (2) 通过台架试验对比研究了天然气掺烧甲醇、乙醇和正丁醇的性能、燃烧和排放特性。结果表明，在相同工况下，天然气掺烧甲醇拥有更高的峰值压力、更大的峰值放热率。与此同时，天然气掺烧甲醇后的燃烧相位比掺烧乙醇和正丁醇更提前；此外，甲醇对于缩短天然气的火焰发展期和快速燃烧期的效果更加显著；甲醇对于降低天然气发动机的总碳氢（BSTHC）和一氧化碳（BSCO）排放的幅度更大。综合对比分析可得，甲醇对于加快天然气的燃烧速度，提高天然气发动机的燃烧效率，降低天然气发动机的碳氢排放的效果优于乙醇和正丁醇。 (3) 通过发动机台架试验，重点对天然气/甲醇双燃料发动机的性能、燃烧和排放特性做参数化研究。分别从甲醇能量替代率、点火提前角和过量空气数三方面展开论述。甲醇的添加能够加快天然气的燃烧速度，致使最高燃烧压力升高，最大瞬时放热率增大，燃烧相位提前；甲醇的添加能够缩短火焰发展期和快速燃烧期，增加燃烧的等容度；甲醇的添加能够降低天然气的总碳氢排放和一氧化碳排放。同时，随着甲醇能量替代率的增加，燃烧速度的增加幅度增大，燃烧相位的提前程度增大，快速燃烧期缩短的效果更显著，有害排放物的减少量更多；天然气/甲醇双燃料发动机的有效热效率随着点火提前角的提前先增大后减小。天然气/甲醇双燃料发动机的MBT角随着甲醇能量替代率的增加而推迟。等效比功燃料消耗率随着点火提前角的提前先减小后增大；甲醇的添加能够适度拓宽天然气的稀薄燃烧极限；随着过量空气系数的增大，节气门开度和进气压力增大。促使发动机的最大燃烧压力增加。火焰发展期和快速燃烧期都随着过量空气系数的增加而延长。双燃料发动机的有效热效率随着过量空气系数的增大而增大，等效比功燃料消耗率随着过量空气系数的增大而减小。BSTHC和BSCO排放随着过量空气系数的增加而增加。BSNOX排放随着过量空气系数的增加而降低。 (4) 基于甲烷和甲醇的化学反应动力学机理NUI Galway Mech 15.34开展了着火延迟期与层流火焰速度的数值模拟。基于DRGEP+敏感性分析法对NUI Galway Mech 15.34详细机理进行简化，从而得到含有44种物质和284个反应的骨架机理。分别从着火延迟期、层流火焰速度和重要物质的浓度三方面对简化后的骨架机理进行验证。基于上述简化后的骨架机理，利用三维数值分析软件CONVERGE对天然气/甲醇双燃料发动机的燃烧与排放特性进行验证和预测。数值计算结果表明，甲醇的添加能够加快天然气的燃烧速度，从而缩短天然气发动机的火焰发展期和快速燃烧期。常规排放方面，甲醇的添加能够降低天然气发动机的THC排放和增大其NOx排放。上述数值计算的结果与台架试验结果相吻合，从而能够达到对台架试验结果进行验证目的。非常规排放方面，甲醛作为一种燃烧中间产物，主要生成于燃烧初期，然后在燃烧后期被迅速消耗。甲醛排放随着过量空气系数的增加而增大。

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甲醇 试验研究 数值模拟 双燃料发动机 天然气

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Abstract ：

由于天然气燃烧时火焰传播速度慢，而甲醇燃烧时火焰传播速度快，本研究提出了天然气掺烧甲醇的技术路线来提高发动机缸内混合气的燃烧速度,使发动机可以工作在更稀薄的混合气体工况，从而实现提高发动机经济性的目的。 本文搭建了双燃料发动机测试台架，在不同甲醇替代率和不同点火提前角下开展了大量的发动机试验，分别从有效能量利用率和缸压曲线的角度评价了发动机的经济性和动力性，从燃烧放热率和等容度的角度对试验现象进行分析。建立了基于GT-Power和Simulink的双燃料发动机一维仿真模型，利用台架试验数据验证模型。模拟试验工况，获取散热损失、排气损失等仿真结果，利用仿真结果对发动机工作过程进行能量守恒分析，解释试验现象，并且提出优化方案。用仿真模型模拟优化方案，验证优化结果。本文获得的结论主要有： 1）搭建双燃料发动机测试台架，开展发动机试验。试验结果证明：随着点火角的提前，发动机的有效能量利用率先增大后减小，燃烧放热率峰值一直增大，峰值相位提前，等容度提高；随着甲醇替代率的增大，有效能量利用率增大，燃烧放热率峰值增大，峰值相位提前，等容度提高。 2）根据发动机台架的结构参数和性能参数建立联合仿真平台。验证和标定模型的充量系数、燃料喷射量、缸压曲线、摩擦损失，以及BMEP（brake mean effective pressure）的控制效果。结果证明，本文中建立的联合仿真模型可以准确的模拟试验过程。 3）模拟试验工况，并用仿真结果进行能量守恒分析。分析结果证明：发动机的热效率主要和排气损失和散热损失有关。当提前点火角时，排气损失减小，散热损失增加，两项之和共同影响发动机的热效率。同时还发现，甲醇替代率对热效率的影响与点火角度有关。实际点火角晚于最佳点火角时，增大替代率有利于提高热效率。实际点火角早于最佳点火角时，增大替代率不利于提高热效率。 4）通过能量分析发现，排气损失项过大限制了热效率的最高值。排气损失与排气温度、泵气过程功有关。因此本文通过改变废气旁通阀开度、优化配气相位的方法提高发动机的热效率。结果证明，该方案大大减少了排气损失所占比例，发动机的热效率得到提高。

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甲醇 联合仿真 能量分析 双燃料发动机 天然气

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Abstract ：

天然气作为一种替代燃料能满足国家能源战略安全与多样性需求，天然气发动机具有清洁高效燃烧和超低温室气体排放的特点，是中国蓝天保卫战中重点区域和城市率先提前实施国六法规的重要组成部分。由于天然气本身反应性差，着火温度高，需要依靠外界着火点点燃，因此，目前市场上的天然气发动机均采用火花塞点燃。但火花点火天然气发动机由于火焰传播速度较低容易爆震而不能使用更高的压缩比，这就造成火花点火天然气发动机与汽油机一样热效率都不高。使用高压缩比柴油机的柴油具有较高的燃料反应活性，可以轻易被压缩着火，因此，用柴油作为化学火花塞引燃缸内均匀混合的天然气双燃料发动机概念应运而生。 本文围绕高效清洁燃烧技术，开发了双燃料燃烧排放机理的计算模型，计算分析了缸内燃烧的温度和浓度分布，获取了高效清洁燃烧对喷射和控制参数的要求。通过发动机的性能计算确定了进气道天然气单点喷射和柴油直喷的燃油喷射，以及低压EGR和VGT的进气系统，以此设计并试制了一台先进的柴油/天然气发动机试验平台，开发了双燃料发动机灵活控制天然气和柴油的双燃料喷射的开放式ECU，在该平台上研究了柴油喷射系统参数（轨压、预喷油量、主喷定时、预喷定时）、EGR 、空气系统参数、燃烧室形状和压缩比、替代率、当量比等参数对双燃料发动机燃烧和排放影响的试验研究，获得的成果主要有： 1）设计了浅盆型开口式的低压缩比燃烧室，其具有燃烧充分，未燃HC排放小，面容比较小的特点。不同压缩比的试验表明：高压缩比的发动机对于替代率、预喷射油量、EGR非常敏感，容易出现soot排放大幅升高的情况，参数的调整不如低压缩比容易；14.2压缩比可以通过大的替代率和较大的预喷油量提升热效率，从而超过16压缩比的热效率。敞口平底的燃烧室形状较为理想，理想的压缩比在14-16之间。 2）设计了专用的具有小喷孔的窄夹角喷嘴。小负荷时使用两次早喷策略，早喷射容易造成柴油撞击气缸壁面，而窄夹角喷嘴的喷锥锥角小，能够避免柴油撞壁，减小机油稀释风险。窄夹角喷嘴在低负荷情况下有助于提高发动机的效率。而在高负荷情况下采用窄夹角喷嘴能够改善燃烧粗暴的问题。 3）在低压缩比下进行了柴油引燃的双燃料发动机随当量比变化的试验研究，并与火花点火的发动机进行了性能对比。随着当量比的增大，DRCCI燃烧的发动机热效率升高，排温随之升高。在相同的IMEP，理论当量比燃烧在两种点火模式的缸内爆发压力、排温情况基本相同，但压缩着火的放热率峰值较大，对应的燃烧持续期较短，且气耗相对较低。 4）研究了柴油喷射压力、喷射次数、喷射定时、油量比例对低压缩比双燃料发动机燃烧和排放的影响，阐明了柴油喷射策略对双燃料发动机缸内燃油混合气的影响规律，优化了不同负荷下柴油的喷射策略。 5）开发了双燃料燃烧排放机理的计算模型。进行了11L 发动机双燃料反应可控燃烧技术的概念设计，得到了不同工况下的DRCCI燃烧模式的初步喷油策略。计算分析与试验结果的对比分析有助于在繁多的控制参数中较快地理出双燃料燃烧与排放的基本规律。 6）把握了双燃料发动机高效燃烧基本配置和理想的双燃料发动机控制策略。该发动机的配置为：天然气进气管单点喷射+柴油直喷的燃油喷射系统，以及低压EGR和VGT的进气系统，发动机的压缩比不能太高，在14~16之间较为合适，采用敞口的平底燃烧室。其控制策略为：低压（如70MPa）的柴油喷射即可满足燃料反应活性可控的要求；在低负荷下柴油可采用两次喷射，柴油喷射的预喷射在上止点前50-70oCA范围内，主喷射在上止点前15~25oCA范围内。高负荷柴油的喷射可采用单次喷射，喷射定时为上止点前10~25oCA，替代率最高可达95%；低负荷不使用EGR，在中高负荷才开始使用EGR。通过这些策略的优化，双燃料发动机实现了较为理想的燃料反应活性控制，高替代率的14.2压缩比发动机的热效率最高可达43%。

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柴油 排放 燃烧 双燃料 天然气

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由于石油资源的短缺，环境污染日益严重、排放法规日益严格，寻找清洁的替代燃料并采用新的燃烧模式成为车用发动机领域的重要研究方向之一。二甲醚由于来源广泛、价格低廉、燃烧清洁等优点被广泛地应用于城市交通运输和公共交通领域。同时，由于传统柴油机NOx和颗粒物排放较高，研究人员提出了几种内燃机新型燃烧方式来改善发动机的燃烧和排放。其中，预混充量压缩燃烧（PCCI）技术能够改善发动机的燃烧过程并同时降低NOx和碳烟排放，被认为是最有前途的新型燃烧技术之一。通过前人对二甲醚/柴油双燃料预混压燃发动机性能的研究可知，二甲醚/柴油双燃料预混压燃发动机既可以保持较高的热效率又能够实现较低的颗粒物排放。但是，试验还发现，当二甲醚预混比例较大时会出现发动机工作粗暴的倾向。为此，本文采用数值模拟的方法开展了不同二甲醚预混比、不同柴油喷油时刻和不同 EGR 率对二甲醚/柴油预混压燃发动机的爆震燃烧影响的研究。论文的主要研究工作和研究结果如下： 1. 为观测燃烧室内不同位置的燃烧情况，提取了燃烧室中6个具有代表性的观测点，提取其局部压力变化情况。爆震强度由局部压力的最大波动范围确定。研究结果表明：在燃烧初期，二甲醚/柴油双燃料预混压燃发动机会产生爆震现象，缸内压力波动越明显爆震越剧烈。通过观察不同监测点的压力波动，发现其波动剧烈情况不同，缸压波动最剧烈的位置是靠近缸壁的混合气末端。 2. 计算研究了各个监测点的OH基浓度变化和HCO基反应速率的变化规律。研究结果表明：监测点OH基浓度的振荡与压力的振荡几乎同步。当发生爆震，压力出现锯齿波动时，OH基浓度也在相应位置出现尖峰波动，可以用OH基浓度变化的滤波曲线来判断爆震是否发生以及爆震发生的强弱。通过提取监测点HCO基和温度随曲轴转角的变化信号，发现在温度从低温过渡到高温时HCO基的生成速率突然增大，随后在温度到达高温之前HCO基被快速消耗完，因此HCO基反应速率的变化可以作为判断爆震起始时刻的标志。 3. 对二甲醚/柴油双燃料发动机爆震影响较大的一个因素是二甲醚预混比例，所以对其影响结果进行研究分析。通过研究发现，随着DME预混比例的增大，发动机缸内的爆震强度值也增大，逐渐由轻微爆震转向了严重爆震。在大负荷120N·m时爆震强度增长尤为迅速，当DME预混比例为65%时，爆震强度达到3.59MPa。 4. 柴油的喷油时刻也是影响双燃料发动机爆震燃烧的重要因素，因此对其进行研究。通过研究发现，通过设置柴油的喷射时间，使其分别为上止点前14°曲轴转角、 上止点前12°曲轴转角、上止点前10°曲轴转角、上止点前8°曲轴转角和上止点前6°曲轴转角时，发动机的爆震指标分别为 1.03MPa、1.00MPa、0.70MPa、0.60MPa和0.30MPa。随着喷油时刻的推迟，发动机缸内的爆震强度值相应减小，但喷油时刻对爆震的影响没有二甲醚预混比例对爆震的影响大。 5. 研究了不同 EGR率对发动机爆震燃烧特性的影响。当EGR率分别为0%、15%、20%、25%和30%时，其相应的爆震强度分别为2.40MPa、1.25MPa、0.94MPa、0.50MPa和0.09MPa。随着EGR率的增大，发动机缸内的爆震强度值减小，且整体上EGR率对爆震的影响比喷油时刻对爆震的影响大。

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爆震 化学反应动力学 数值模拟 双燃料发动机 预混二甲醚

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Abstract ：

由于环保和节能的优势，天然气作为汽车清洁替代能源得到广泛应用。由于天然气燃烧速度较慢，本课题组提出了采用掺烧甲醇来提高燃烧速度从而提高天然气发动机性能的思路。为了开展天然气掺烧甲醇方面的研究，需要研究一套同时能控制甲醇和天然气燃料量的发动机的电控系统。本文开展了面向控制的甲醇天然气双燃料发动机模型研究，该模型对于甲醇发动机、天然气发动机和甲醇天然气双燃料发动机电控系统的开发都具有重要意义。 论文的主要工作如下： 1、在一台潍柴WP10NG336型涡轮增压、火花点火、单点喷射全电控天然气发动机上加装了甲醇喷射装置，将其改造为甲醇天然气双燃料发动机。以此为研究对象获得了试验数据，并进行了基于面向控制的发动机模型研究。 2、建立了甲醇天然气双燃料发动机电控系统的物理模型。包括：涡轮增压甲醇天然气双燃料发动机进气模型；流经涡轮增压器的空气质量流量与节气门开度的计算模型；涡轮膨胀比与涡轮质量流量的计算模型；中冷器模型；空滤器模型等。 3、发动机进气量模型中节气门前的进气压力（增压压力）由涡轮增压器决定的，为了对增压压力进行精确控制和进一步优化发动机性能，论文对对涡轮增压器模型进行了研究，包括两种压气机模型、效率模型，涡轮机流量模型等，并通过将所建立的模型进行简化，并利用试验数据拟合得到简化后的计算公式，形成面向控制的模型。 所建立的模型的计算结果与发动机试验结果对比吻合较好，说明所建立的模型和所获得的试验数据均是合理、正确的。本文的研究结果为进一步开展发动机电控系统的核心算法奠定了基础。

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涡轮增压器 甲醇天然气双燃料 面向控制的模型 天然气发动机

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天然气作为一种石油替代燃料，来源丰富、价格相对低廉、具有良好的排放性能，可以广泛应用于交通运输领域。然而目前天然气发动机主要是以火花塞点燃的方式工作，天然气发动机的性能还未得到充分发挥。为了充分发挥天然气抗爆性好的优势和克服天然气燃烧速度慢的劣势，利用少量柴油引燃着火的柴油/天然气双燃料发动机技术方案应成为天然气发动机发展的一种好的选择，但在早期的机械泵式双燃料发动机上，由于缺乏对小油量喷射的有效控制手段，导致双燃料发动机工作性能不稳定，制约了其发展。随着高压共轨柴油机的日益普及，发展以高压共轨系统为基础的全电控双燃料发动机，成为天然气发动机发展的重要方向。为此，本文在所研制的适用于高压共轨柴油引燃天然气双燃料发动机电控系统的基础上，开展了引燃式双燃料发动机燃烧与排放特性试验研究。通过此项研究，掌握了双燃料发动机电控系统的关键技术，阐明了引燃油喷射参数和天然气供气参数对燃烧与排放的影响规律，为双燃料发动机的推广应用提供了理论与技术支撑。全文所获得的主要创新性成果归纳如下： （1）开发了基于SPC563M64高性能微处理器的高压共轨柴油引燃天然气双燃料发动机电控系统，实现了对引燃油缸内直喷和天然气进气歧管喷射的同时控制，构建了基于原机喷油信号实时采样和燃料等热值替代的双燃料控制策略。其关键技术包括系统整体方案制定、ECU硬件设计与电路板规划以及控制策略的开发与调试等，并对电控系统进行了发动机台架试验验证，结果表明：本研究开发的双燃料ECU系统，方案新颖、工作稳定可靠。控制策略合理可行，可移植性强，具有较好的工程应用前景。 （2）通过对引燃油喷射正时和天然气喷射正时对发动机燃烧与排放特性的影响研究，发现：提前引燃油喷射正时，CA50明显向压缩上止点偏移，火焰发展期和燃烧持续期均先减小后增加，有效热效率最大值出现在引燃油喷射正时为-17 °CA ATDC工况下。随着引燃油喷射正时提前，THC和CO排放显著降低，NOx排放急剧升高；中小负荷下，推迟天然气喷射正时有利于缩短火焰发展期和燃烧持续期，增加有效热效率，THC和CO排放减少，NOx和PM排放有所增加。天然气喷射正时过度推迟会导致燃烧稳定性恶化；大负荷下，采取较早的天然气喷射正时可以实现较高的有效热效率。排放对天然气喷射正时的变化不敏感。 （3）通过对比研究引燃油喷射参数（正时和喷射压力）以及天然气喷射正时对双燃料发动机小负荷燃烧与排放的影响，阐明了引燃油喷射参数与天然气喷射正时对燃烧与排放影响的耦合关系，为优化双燃料发动机小负荷燃烧与排放提供了参考：降低引燃油喷射压力和提前引燃油喷射均有利于改善双燃料发动机小负荷燃烧与排放特性，但是NOx排放会随引燃油喷射正时的提前而急剧恶化；在46 MPa和72 MPa引燃油喷射压力下，推迟天然气喷射正时，有利于燃烧的改善和排放的降低；在不同的引燃油喷射正时下，天然气喷射正时变化对燃烧与排放的影响存在显著差异。在引燃油喷射正时为-8 °CA ATDC工况下，推迟天然气喷射正时有利于加速燃烧进程，提高有效热效率，降低THC和CO排放，而在引燃油喷射正时为-17 °CA ATDC工况下，双燃料发动机的燃烧与排放对天然气喷射正时的变化不敏感。 （4）利用ELPI（Electrical Low-Pressure Impactor）设备对双燃料发动机颗粒物排放数量浓度、质量浓度和粒径分布进行了试验研究。发现柴油引燃天然气发动机颗粒绝大部分集中在粒径小于300 nm的区域，数量峰值处对应的颗粒物粒径约为60 nm；颗粒物质量浓度主要集中在颗粒物粒径为150 nm左右的聚集态颗粒区域和粒径大于2 μm的粗态颗粒区域；双燃料发动机颗粒物质量排放相比原柴油机有显著下降，但颗粒物数量浓度大多数工况下高于原柴油机；提前引燃油喷射、提高引燃油喷射压力、降低柴油替代率以及提高发动机转速和负荷，均有利于减少颗粒的数量浓度，特别是减少小粒径的核态颗粒物数目，同时聚集态颗粒质量减少，粗态颗粒质量有所增加；小负荷下，推迟天然气喷射正时，颗粒物数量浓度增加，聚集态颗粒质量增加，粗态颗粒有轻微减少的趋势，而在大负荷下则截然相反。

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发动机电控系统 颗粒排放 天然气 天然气发动机 引燃式双燃料

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随着世界范围内对环境问题的日益关注和排放法规的日趋严格，以天然气为替代燃料的发动机近年来得到了广泛应用。其中，柴油引燃天然气发动机具有原柴油机的高压缩比，热效率高，可灵活组织天然气空气混合气的燃烧，能够保留原柴油机的工作模式等优点。因此被认为具有较好的市场前景。但目前关于高压共轨柴油引燃天然气发动机，尤其是进气歧管顺序喷射方式的双燃料发动机的研究较少。 本文在一台GW2.8TC高压共轨柴油机上进行了双燃料改造，实现了天然气的进气道顺序喷射。分析了自主开发的双燃料ECU的工作模式及基于等热值替代的双燃料控制算法。开发了双燃料发动机电子节气门底层软件驱动模块和基于位置PID的上层算法，包括驱动软件的设计、节气门位置的传感器信号采集、节气门自学习算法、节气门空气流量模型及基于位置式PID的控制算法。开发了双燃料发动机的行车监测仪，实现了与ECU的串口通信及发动机工作模式的切换。在发动机试验台架上研究了小负荷下替代率、引燃油提前角、电子节气门进气节流等参数对发动机动力性和排放性能的影响。获得的主要结论如下： 1）开发的双燃料ECU底层驱动模块能够实现电子节气门开度的精确闭环控制。较小的能量替代率下，引燃油的扩散燃烧比例较大。随着替代率的增大，双燃料发动机缸内压力和放热率峰值减小，发动机动力性下降。在较早的引燃油喷射角度下，替代率对CO和HC比排放影响不大。在较晚的引燃油角度下，随替代率的增大，CO比排放逐渐减小、HC比排放逐渐增大。由于燃烧温度降低，NOx比排放迅速减小。 2）引燃油喷射提前角较小时，缸压曲线呈现明显的双峰分布。随着引燃油喷射角度的提前，发动机燃烧相位提前、缸压和放热率峰值增大，发动机输出扭矩随引燃油角度的提前增大；燃烧持续期随引燃油角度的提前逐渐缩短，发动机有效热效率增大；CO和HC比排放随引燃油角度的提前降低，但缸内燃烧温度升高导致BSNOx排放迅速增大。 3）随着电子节气门开度减小，混合气变浓，发动机过量空气系数减小，输出扭矩逐渐增大，动力性明显改善；随着电子节气门开度的减小，CO比排放和HC比排放均迅速减小；进气节流后，排气温度上升，NOx比排放迅速增大。

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电子节气门 喷射正时 替代率 天然气 引燃式双燃料

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在能源危机与环境问题的大背景下，天然气因其储量丰富，相对低廉的价格，成为一种较好的替代能源。同时，天然气由于辛烷值高、碳氢比小而被广泛用作发动机的代用燃料。相比点燃式天然气发动机，柴油天然气双燃料发动机具有更高的压缩比，更好的动力性和燃油经济性。目前，国内研究较多的为机械泵柴油天然气双燃料发动机，而对高压共轨柴油引燃天然气发动机的研究与开发并不多。高压共轨柴油天然气双燃料发动机能具有更高的引燃油喷射压力、灵活可控的引燃油喷射正时，有利于实现较高的替代率，发动机的性能会更好，因此具有重大的研究意义。 本文在一台电控高压共轨柴油机上进行了柴油天然气双燃料发动机的开发工作，主要包括：（1）完成了高压共轨柴油机到双燃料发动机的改装。在原机的压气机与进气歧管之间安装了电子节气门，用以节流控制发动机的进气量。增加了一套天然气供给系统，天然气采用进气歧管顺序喷射。增加了一套双燃料电子控制系统（ECU），采集相应传感器信息，并同时控制双燃料发动机的运行。（2）开发了基于等热值替代的双燃料发动机控制策略，包括模式切换控制、循环喷油量计算、引燃油喷射控制、天然气喷射控制、节气门模型、气缸充气模型、基于过量空气系数反馈的空燃比控制和基于实际空气量反馈的空燃比控制等模块。在Matlab/Simulink软件中建立了双燃料控制策略模型，利用Targetlink软件将开发的模型转化为C代码后下载到ECU中，进行了双燃料发动机台架试验与验证以及控制模型中相关参数的标定。 试验结果表明，所提出的基于等热值的控制策略适合对双燃料发动机的控制，控制系统工作稳定、可靠。循环油量计算模型、引燃油喷射和天然气喷射控制模型准确性高，能保证电控系统实时、准确地控制发动机每循环引燃油喷射量和天然气喷射量。节气门流量模型和气缸充气模型能实时准确地计算发动机的进气量，空燃比控制策略合理有效。发动机从纯柴油模式到双燃料燃料模式切换时，转速波动较小，切换后发动机能稳定工作在双燃料模式下。所开发的控制策略和获得的标定数据可以为进一步开发实用的双燃料发动机控制系统提供基础。

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控制策略 模型 双燃料发动机 引燃式

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Abstract ：

天然气作为一种清洁的替代能源，以其丰富的储量、低廉的价格、清洁的排放，被广泛地应用于交通运输领域。目前，天然气在发动机上的应用主要以点燃式发动机为主，压缩比较低。由进气道引入预混天然气，在压缩行程末期，缸内直喷柴油将其引燃的燃烧方式，可以在高压缩比柴油机上运用天然气作为替代燃料，获得较好的燃烧效率。这种燃烧方式因其优良的动力性、良好的排放（NOx和PM）和较好的经济性吸引了大量的研究关注，被认为具有良好的市场前景。然而柴油天然气双燃料发动机燃烧过程非常复杂，国内外有关研究缺乏系统性。 本文针对机械泵式柴油天然气双燃料发动机，系统研究了双燃料发动机在相关运行参数下的燃烧和排放特性，给出了其在给定运行参数下的燃烧循环变动特性，获得了保证双燃料发动机运行稳定前提下，相关参数的有效运行范围。在此基础上，进行了柴油天然气双燃料发动机的优化控制，通过设计以双燃料电控单元（ECU）为核心的电控系统，结合有效的控制算法，对机械泵式柴油机进行了电控双燃料改造。通过对相关参数的优化控制，实现了柴油引燃天然气双燃料发动机性能的提升。本文所取得的创新成果归纳如下： （1）开展了不同负荷下，引燃柴油量对柴油天然气双燃料发动机的燃烧和排放特性试验研究，并对与其相关燃烧特性和常规排放进行了分析，系统给出了不同负荷下，引燃油量对双燃料发动机燃烧的循环变动的影响。结果表明，低负荷下，过高和过低的引燃油量均会导致平均指示压力循环变动特性的增加，随着负荷提升，引燃油量增加可以有效降低平均指示压力的循环变动。缸内最大压力的循环变动随引燃油量的增加而降低，且随着负荷提升而增大。缸内最大压升率随引燃油量的增加而增大，在低负荷下，其循环变动在中等引燃油量（11.2 mg?cyc-1）时最小；在高负荷下，循环变动随引燃油量的提升而增大。小负荷下，引燃油量的增加可以有效降低HC和CO排放；大负荷时，随着引燃油量的增加，缸内部分缺氧和燃烧温度升高，CO和NOx有所增加。 （2）基于不同引燃油喷射时刻对双燃料发动机的燃烧和排放特性的试验研究，阐明了喷油提前角对双燃料发动机燃烧和排放的影响，特别是燃烧循环变动特性规律。随着喷油提前角的提前，缸内最大压力和最大压升率显著提升，缸内最大压力的循环变动减小，而最大压升率的循环变动增加。平均指示压力的循环变动系数随喷油提前角的提前而减小。喷油提前可以提高引燃柴油的燃烧效率，增加其放热水平，为预混天然气提供更多的引燃能量。在不增加引燃油量的前提下，可以显著提升双燃料发动机的燃烧速度，使其放热提前且持续期缩短。喷油时刻的提前可以为天然气和空气的混合气提供更多的引燃能量，促进其充分燃烧，促进HC和CO的燃烧氧化，但缸内燃烧温度的提升导致NOx排放增加。 （3）为降低双燃料发动机的排放，开展了柴油天然气双燃料发动机结合废气再循环（EGR）的试验研究，得到了EGR率对双燃料发动机燃烧和排放特性影响的宏观规律。EGR率为5%时，缸内压升率和最大压力有小幅度的提升。随着EGR率的继续增加，缸内压力变缓且最大压力下降。缸内最大压力和平均指示压力的循环变动随着EGR率的持续增加而增大，当EGR率为25%时，开始出现少量部分燃烧循环，缸内最大压力和平均指示压力与最大压力对应的曲轴转角之间的相关性随EGR的增加而减弱。当EGR率控制在15%以下时，可以在保证燃烧稳定的情况下，同时降低HC、CO和NOx的排放。 （4）基于PC563M的32位高性能微处理器的双燃料电控单元（ECU）系统，运用双燃料的等热值替代和过量空气系数的前馈结合PID反馈控制策略，实现了对机械泵柴油机的双燃料电控化改造。在机械式控制双燃料发动机获得的运行参数有效范围的基础上，对电控双燃料发动机的进行了标定，并在其标定完成后进行了性能试验。改装后的柴油天然气双燃料发动机获得了有效的动力性、良好的经济性和优良的排放性能，尤其在中小负荷下HC排放效果更佳。

Keyword ：

电控系统 天然气 引燃式双燃料 引燃质量

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Abstract ：

为提高经济性和降低排放，开发了双燃料发动机电控单元（ECU）；对一高压共轨柴油发动机进行了双燃料改装，以实现柴油引燃天然气的燃烧模式。用实验方法，验证了基于柴油等热值替代的双燃料控制策略。结果表明：相比纯柴油模式原机，双燃料模式下给定替代率的实时控制的误差不超过5.2%；外特性曲线基本一致，最大扭矩增加了2.6%；CO2排放降低了40%，NOx排放降低了33%；但总碳氢化合物排放的最大值比原机高出20倍，CO排放的最大值高出6倍。这说明，本控制策略合理可行,适合天然气双燃料发动机。

Keyword ：

柴油发动机 等热值替代 高压共轨 控制策略 双燃料 天然气

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