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低NOX排放轻型车用柴油机喷油策略与EGR协同优化研究

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第一章 绪论

1.1 选题背景

1.2 柴油机排放法规的发展

1.3 轻型柴油车国V技术路线选择

1.4 柴油机机内NOX排放控制技术

1.4.1 柴油机NOX生成机理

1.4.2 柴油油品升级

1.4.3 机内净化

1.5 国内外EGR与喷油策略的研究及现状

1.6 本文研究的主要内容及意义

第二章试验平台搭建及发动机工况点确定的研究

2.1 试验平台的搭建

2.1.1 试验对象

2.1.2 电控标定系统

2.1.3 试验设备

2.1.4 试验数据采集

2.2 发动机工况点的确定

2.2.1 NEDC循环工况与发动机工况点对应关系

2.2.2 发动机代表工况点的分区与确定

2.2.3 代表工况点验证与分析

2.3 本章小结

第三章 喷油策略对发动机工作过程和排放影响的研究

3.1 预喷对柴油机工作过程和排放的影响

3.1.1 预喷定时的影响

3.1.2 预喷油量的影响

3.2 主喷对柴油机工作过程和排放的影响

3.3 后喷对柴油机工作过程和排放的影响

3.3.1 后喷定时的影响

3.3.2 后喷油量的影响

3.4 本章小结

第四章 喷油策略与EGR耦合对排放和经济性影响的研究

4.1 预喷与EGR耦合对排放和经济性的影响

4.1.1 预喷定时与EGR耦合对排放和经济性的影响

4.1.2 预喷油量与EGR耦合对排放和经济性的影响

4.2 主喷与EGR耦合对排放和经济性的影响

4.3 后喷与EGR耦合对排放和经济性的影响

4.3.1 后喷定时与EGR耦合对排放和经济性的影响

4.3.2 后喷油量与EGR耦合对排放和经济性的影响

4.4 预喷-主喷-后喷与EGR耦合对排放和经济性的影响

4.4.1 预喷与EGR耦合对排放和经济性的影响

4.4.2 后喷与EGR耦合对排放和经济性的影响

4.5 控制策略的确定

4.6 整车NEDC排放验证

4.7 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 全文展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

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摘要

轻型柴油汽车市场规模的不断扩大导致排放污染日益严重,对应的排放法规日趋严格。针对柴油机的NOX和PM排放的控制难点,受限于轻型柴油汽车的底盘空间有限及成本限制等因素,主要采用的排放控制技术路线为:增压中冷+EGR+DOC+DPF,该技术路线的排放控制策略为:通过机内措施降低NOX排放、通过后处理措施控制PM排放。另外,轻型柴油汽车的排放是通过整车NEDC测试循环进行测量和考核的,而发动机各控制策略的前期标定工作是在发动机台架上进行的,为提高整车标定效率和降低标定成本,研究两者之间测试结果的对应关系具有重要的工程意义。本文以轻型车用柴油机4D25为研究对象,通过聚类分析研究、确定了可以表征整车NEDC循环测试结果的发动机工况点;通过试验研究与理论分析,以喷油策略与EGR耦合的机内净化措施研究降低NOX排放的控制策略。本文的主要研究内容为: 基于整车NEDC测试循环,以1 s为时间间隔将整个循环离散为1180个以车速为基准的散点,依据发动机与整车的传动关系:变速器传动比、传动效率、车轮尺寸等参数,将整车NEDC循环的散点转化为发动机工况点。运用聚类分析将得到的发动机工况点划分为7个聚类区域,依据欧几里得度量方法及整车NEDC排放与油耗的变化趋势,确定了7个聚类区域的唯一中心点,并依据聚类区域的运行时间计算了各聚类区域的权重系数。通过发动机台架和整车NEDC循环试验,测量了排放和油耗,试验结果表明:使用确定的7个发动机代表工况点计算得到的NOX、PM排放值和油耗与整车NEDC循环工况试验值具有良好的对应关系,偏差均小于5%。因此,确定的7个发动机工况点能较好地预测整车NEDC循环工况下的经济性和排放性。通过该方法可提高整车标定效率和降低标定成本。 通过实验研究与理论分析,分别对小负荷和大负荷工况进行了喷油策略对NOX排放及其他性能影响研究。研究结果表明:小负荷工况时,采用较早的预喷定时以及较大的预喷油量可以显著降低NOX和烟度;大负荷工况时,采用预喷策略对降低NOX效果不明显,但采用较早的预喷定时以及合适的预喷油量对改善烟度有明显效果;为避免烟度和有效燃油消耗率的急剧恶化,小负荷工况可以使用比大负荷工况更加滞后的主喷定时;在不同负荷工况时,合理的后喷定时和后喷油量均能有效降低烟度,同时对NOX排放轻微改善的作用。 采用喷油与EGR耦合的策略的研究表明:为了降低NOX同时兼顾烟度排放,在烟度和NOX排放低的中低转速中小负荷下,主要采用较早的预喷定时及适当的预喷油量与较小的EGR率(2%-4%)耦合的策略;中高转速中小负荷区域;主要采用预喷-主喷-后喷与较大EGR率(6%-9%)耦合的策略;在烟度和NOX排放均较高的中高转速中大负荷区域,主要采用后喷与适中的EGR率(4%-6%)耦合的策略;高转速中大负荷区域,主要采用主喷与较小的EGR率(2.5%-4.5%)耦合的策略。 进行整车NEDC循环的排放验证,试验结果表明:整车NOX排放为175 mg·km-1,低于国V排放限值,因此,喷油策略耦合EGR的策略可以有效降低NOX,达到预期目标。

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