带有共轨燃油喷射系统的柴油机冷起动控制策略外文翻译资料

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带有共轨燃油喷射系统的柴油机冷起动控制策略

文献综述：

1.1背景：

柴油机是一种重要的能源来源，其低油耗的特性，使它成为动力的不同类型的机械和运输设备的重要能量来源。然而，它们的排放量，特别是噪声，NOx和碳烟是放在轻型车辆的十分重大障碍。研究人员正将注意力放在柴油机技术上，以保证排放量控制在严格的范围内。共轨燃油喷射系统，能产生很高的喷油压力（最大2000bar），具有非常高的程度的喷油定时的灵活性，不同的注入剖面和数量的控制，是一项非常重要的技术，用于使发动机噪声和废气排放的显著减少。

同时，随着柴油机如多次注射，EGR和可变几何涡轮增压器（VGT）先进技术的采用，对于重型柴油发动机而言优化发动机控制校准已成为越来越繁重的困难。发动机仿真模型的准确性和计算速度的提高，使得它不仅在发动机性能改进和预测中应用，而且在发动机性能控制校准方面也有了很快的应用。自90年代后期，模拟（模型）的基础一发动机标定（SBC）已逐步应用于柴油发动机（阿特金森等人，2005）和火花点火发动机（E.拉斯克等人，2004）从而节约成本，减少发动机测试和硬件开发时间。

1.2柴油机与共轨燃油喷射的前期研究工作

共轨燃油喷射系统的特点是允许一个高的喷射压力，一个非常高的程度的灵活性，在喷射定时和数量控制的多个注射，这能用于使发动机噪声和废气排放的显著降低。不同的控制策略（试点主喷、主喷）后喷、试点主喷后喷或者试点试点主喷）被用来控制氮氧化物、烟尘、燃烧噪声和燃油消耗（BSFC）在发动机暖机状态的排放。(V. Zambare et al, 1999, M. Badami et al, 2002, and F. Corcione et al, 2002). K. Gill et al(2005)认为，氮氧化物的烟尘的权衡可以通过使用多个喷射策略来表述。注入的燃料量和喷油角度需要进行调整，以达到最佳的注入。多次注射策略例如预喷射可以降低缸内压力的突然变化，从而降低燃烧噪声（K.gill et al，2005，ALT，et al，2005）以前的工作做了多次注射，以改善冷启动已进行了“尝试错误”实验。I.Osuka et al (1994)等人以前提出多点喷射以改善发动机冷启动能力以及通过这一种常见的燃油喷射系统进而减少白烟的排放。T. Ueda et al (1999)介绍了一种用柴油机燃油喷射系统改善柴油机冷起动性能的试验过程，M. girtrora和L.忠等人（2005）应用试点或多点加主要喷射来改善共轨燃油喷射系统的柴油发动机冷启动能力，n. ALT等人（2005）在他们的论文中提到的通过试点主要注射减少冷起动时的燃烧噪声。文献回顾显示，以往的研究都是基于经验的或“尝试错误”的实验工作，基于仿真的发动机没有采用柴油机冷起动阶段的一个普通的燃油系统。

内燃机冷启动的研究在韦恩州立大学已经有很多年了。在柴油机领域，N. Henein（1986）发现的unburne的一部分燃料中的积累，未完成的燃烧周期会在随后的循环中并引起很高的缸内气体压力，也有部分燃料会被排放为白色烟雾。冷起动时的燃烧和燃烧不稳定故障是影响HC排放的主要因素。A. zahdeh等人（1990）描述了在柴油机冷起动过程中的点火和熄火现象的循环模式。亚辛（1995）研究燃料性质的影响燃烧的稳定性和白烟冷起动排放。有两种燃料，DF-2和JP-8，对他们进行测试并发现：两种燃料的燃烧不稳定性，具有可重复的模式JP-8燃料具有相对较高的波动性，显示出了比DF-2 燃料更好的启动性能尽管有更低的16烷值。汉（2000）开发了一种喷射定时基于4缸直喷柴油机发动机转速图在不同温度环境下循环分析得到详细的周期实验结果。T该图显示存在两个区域：点火和熄火区的边界线划分。 同时由其他研究者报道射击一哑火自然柴油机冷起动瞬态过程。(R. Phatak et al, 1983, K. Kobayashi et a1,1984, Y. Asou et al, 1992, I.Osuka et al, 1994 and T. Ueda et a1,1999). H .Liu (2001)开发了柴油机冷启动仿真程序，以跟踪起动过程中从一个周期到下一个周期形成可燃混合物。该方案说明了累积的燃料，燃料特性，液滴蒸发和液膜蒸发特性。他介绍了一个自动点火指数，以确定第一个点火循环。汽车点火指数模型及其仿真程序由L.忠等人进一步改进（2003），并且考虑到燃料的波动和在发动机起动期间冷启动其十六烷值的综合影响。

上述研究大多是基于实验的。

1.4以前的研究工作基于仿真的校准（SBC）和控制策略在冷起动

有一些资料表明，冷启动模拟应用于H .Liu （2001）个方面，并进一步得到 L. Zhong et al. (2003)改善。L. Zhong et al. （2003）预测的综合效应期起动燃料挥发性和在不同的环境温度下，十六烷值。但在这些研究中，一个假设是，蒸发的燃料是均匀分布在缸内。这种假设是没有道理的，因为在冷启动有温度和蒸汽梯度的燃烧室中，有一个需要使用多区燃烧模型，这可用于化学自动点火反应的梯度和动力学。

1.5研究方向

最好的SBC IMEP控制策略分注射采用多区商业代码，考虑到其成熟度和灵活性的考虑。 .商业代码的准确性将引入以下的计算机模型，本文提出的改进：a）自燃指数（AI）模型，B）绝热火焰温度模型，和c）注塑工艺简介。输入的变量的变量是：一个总的燃料质量注入每周期，乙）的分裂的喷射馏分，丙）的分裂的喷射定时，和二维的停留时间之间的喷射事件。代码的输出结果是发动机燃烧。一组分注射率和停留时间的显示imeps将通过MATLAB程序编码的作者之间绘制图形。最高指示的区域将被选择为SBC在冷起动阶段的时候。BC IMEP控制策略将有效验证实验上的4缸柴油发动机配备了共轨燃油系统在寒冷的房间室温200一100摄氏度，原因在环境温度下冷起动发动机故障200摄氏度将会得到详细定义。

不同的喷射策略IMEP控制图

先进技术在现代发动机中的应用，使得发动机的设计和校准变得越来越复杂，成本呈指数增长。.一个最有效的工具，目前在工业领域的应用是发动机的建模和仿真工具（或模拟基础标定（SBC）），已被广泛用于模拟热气动和液在发动机动力过程和快速生成优化的发动机标定地图，通过有限的功率测试，大大提高发动机性能，燃油经济性和发动机的排放量。

在这一章中，校准1D GT功率单缸仿真模型将应用于以四注射参数控制图：开发IMEP喷油定时、分注FRA生产中，驻留时间和总的燃油注入每个周期为变量，在不同的环境温度范围从20到-20℃℃冷启动工况。他们的范围和模拟数据点数量在表5-1表示出来。然后的话，这个模型将被用于研究参数如喷油压力、影响分注，气缸漏气，起动发动机转速对平均指示压力的影响在压力控制图上。实验是在一个4缸涡轮增压水间进行冷却，直喷式柴油机（称为数据的柴油机）。所有的测试运行后，发动机在不同的环境温度下，在一个寒冷的房间里浸泡8小时以上。双电池，所有放大器和数据采集设备放在室外的冷。由于涡轮增压器轴密封泄漏，涡轮增压器从进气和排气系统中移除。然而，这将不会影响的仿真预测的验证

5.1仿真模型运行条件

优化四注射参数在很宽的操作范围，它是不可能模拟在冷启动整个起动期间因为它需要很长的仿真时间计算一个运行条件，实验数据表明，如果点火启动发动机失火和产生足够的转矩和平均有效压力，其速度可以从起动转速上升（如以1000rpm时）在1周期。因此，在调查中，注意力将集中在第一个周期的模拟火灾，并制定一个控制策略，让发动机产生高扭矩在第一个网络连接环。平均指示压力将对发动机冷启动能力的参数。进行评，对于平均指示压力而言，平均指示压力值越高越高对发动机启动的可能性越大。

所有的模拟在下面的章节中讨论的以下运行条件下进行：

起动发动机转速200转。实验数据表明，该起动发动机转速是发动机冷起动的典型。

测量注射压力设定为200bar喷射器内的小气囊室的喷射压力将由4章的模型计算。这是已知的：在注射过程中的注射压力时，只有当注射压力上升到高于150巴因此，200巴的注射压力是一个合理的选择。

所有组件的温度被假定为在发动机启动前的环境温度。

本模型中不考虑累积燃料对实际压缩比和剩余油浓度的影响。

对于绝热火焰温度计算的最低温度设定为60万（或1080°R）。平衡常数与温度的函数的功能是在10800r范围只有（600K）72000 R（4000K）可以是有效的，对于化学平衡燃烧产物而言。

我们将使用平均指示压力为参数，来评估发动机冷启动成功的可能性.较高的IMEP值，对发动机启动的可能性是有利的。

每个运行条件下的仿真周期数被设置为12模拟开始，而无需燃油喷射，直到达到稳定状态（真正的发动机运行条件，在这里11个周期是足够的模型收敛到稳定状态，发动机转速200转），然后将燃油喷入燃烧室在12T”周期的模拟发动机燃烧和发动机燃烧计算。因此，它将需要不到1.5分钟运行一个案例。这将需要不到1.5天，在一个环境温度发展IMEP控制图和固定的总燃油注入每个周期的Wi第1个中央处理器计算机。

模拟边界条件如下：

a: 环境温度变化从20摄氏度到零下20摄氏度。

b: 环境压力设置为1巴。

5.2影响停留时间对平均指示压力的影响效果

图显示分注分数和注射停留时间对发动机平均指示压力的影响，气缸压力峰值（PCP），缸内最高温度和螺杆位置在环境温度10℃，6°BTDC喷油定时和20mg总燃油注入每个周期。时间超过6°CA驻留，主要注射后TDC和在膨胀冲程的晚期燃烧。

平均指示压力的增加随着停留时间的增加而增加吗，，然后下降停留时间一定后，这是依赖于分注率。其他曲线图中显示的是应用于解释IMEP趋势。图5-2（a）和（b）给5-2在分流进样馏分12.6%和图5-1和图5-2的点对应的40.2%热释放速率（c）和（d）是5-2综合率F热释放相应的图5-2 5-2（A）和（B）。在不断的分裂注分数，以12.6%为例，平均指示压力随注射增加停留时间，然后下降，注射后停留时间超过17°约长。原因是燃料分注射会完全蒸发，形成化学基，点燃燃烧（如图5-2所示（一）），提高气体的温度，使燃料注射在主要的注射期间和燃烧迅速。随着停留时间的增加，缸压下降但其位置在曲柄角度增大的方向移动远离上止点如图5-2所示在扩散期的压迹变“胖”（F）。因此，IMEP增加随停留时间增肌而增加。同时，其他因素如吹风、热传递和活塞运动在膨胀行程会导致气缸气体温度下降，这将减缓燃油蒸发。随停留时间的增加，这种下降导致点火延迟时间较长，如图5-2所示（一） 这两个峰的热释放率的归一化距离停留时间17°CA比在驻留时间11”约燃烧不完全出现在驻留时间18.5°CA（图5-2所示）要长。 在停留时间导致燃烧的失败进一步增加。N。Henein的（2003）单缸试验数据明，当喷射时间晚于2-4°CA上的发动机转速2000rpm发动机燃烧故障，进气压力1.4 bar和进气温度800C，充分支持上述的所述结论。这一结论同样适用于其他曲线。在曲线的差异1）燃料消耗更多的能量从周围的气体随分注分数和点火延迟时间将显示在图5-2（E）燃烧的燃料预混燃烧略有增加，但总量，燃烧的燃料液滴（图5-2（D））。这可以解释为什么IMEP有时间小于7°CA略有增加在分点喷射情况下有时注射部位上停留；在采用注射部位图5-2所示的变化预混合燃烧和扩散燃烧的比例变化（A），（B）和5-2 5-2（E）。当停留时间达到17°CA，只有第一次喷射的燃油燃烧喷射分数40.2%分，这是在图5-2显示（b）和图5-2（G）。注入的燃料的其余部分将被释放到环境中

5.3分散喷射率和喷油定时IMEP效应

图5-3显示分注分数和喷射正时对发动机性能在环境温度-20℃的影响，时间9.5°和25mg总燃油注入每个周期注入。平均指示压力的喷射定时和喷油率的影响分。9.5°CA是很晚喷射正时，引起燃烧的彻底失败和平均指示压力是2.1巴，接近汽车内燃机。在多次喷射分数大于27.6%时提高喷射正时12°CA时可导致完全熄火。然而，在相同的喷油正时，多次喷射少于20%产生1.6和2.1岜之间的压力。进一步提高喷油正时14.5°CA时，导致平均指示压力从0.9bar接近0%分注射率稳步上升，达到1.35 30%分注率和对0.9bar略微下降50%分注射部位。注意，在后来的喷油定时产生的IMEP比分开喷射分数小于20%的提前高指示。进一步提高喷射时间17°CA时导致平均指示压力下降值低于14.5°CA BTDC时的平均指示压力。

5.4控制图的指示在环境温度0℃实例

以上分析表明，1 GT功率单缸仿真模型合理地预测各种喷射参数下发动机的燃烧。GT-Power模型实验分析设计（DOE）其实是进行室温0℃开发一种控制策略。其参数已在上述叙述中给出。有研究表明不同的喷油定时IMEP控制策略图，多点喷射分数和喷射时长以每个周期17.5毫克的总燃油注入。下面的矩阵X是用来画iso-imep轮廓线：

X=[0,0.5,0.75,1.0,1.35,1.50,1.75,2.0,2.5,3.0,3.5]

5.5发动机转速对控制策略的影响

有研究展示了在0℃环境温度发动机启动转速对发动机的最大平均指示压力的影响。平均指示压力在起动阶段随发动机转速的提高而提高。众所周知，FMEP增加、发动机起动转速。以前的研究中的实验数据支持这一结论。比较发动机在转速180rpm 200、250，启动转速的IMEP控制图，iso-imep线分布与起动发动机转速变化变化关联不大。例如，在起动发动机转速180rpm，平均指示压力与喷油参数（喷油定时80 C

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