柴油机排放物最优控制的研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

现阶段我国对环境保护提出越来越高的要求,柴油机的排放标准也在不断地提高,但是随着柴油机使用量的日益加剧,自然环境受到了严重的威胁。据国际海事组织(imo)统计数据显示,船舶尾气年排放so2、no2分别占全球排放量的13%和15%,相关报告也指出船舶尾气产生的尾气所造成的大气污染总量的5%-11%。漂浮在空气中氮氧化物、硫化物和微粒等等污染物已严重影响到我们的身体健康和社会未来的可持续发展。因此,改善柴油机的排放性能和燃烧性能变得刻不容缓起来。

在影响柴油机排放的诸多因素中,喷油提前角对柴油机的排放影响较大。研究表明当喷油提前角过大时,燃油会提前喷入燃烧室,此时由于喷油过早,燃烧室压力低,温度未达到一定程度,不能燃烧,等温度达到燃烧温度的时候,燃烧室又有过量燃油,容易发生爆燃,即所谓的燃烧敲缸,从而使机械负荷增大,此时排气温度较低,耗油增加。反之当喷油提前角过小时,又会导致后燃严重,此时排气温度很高,爆压低,冒黑烟,发动机做功少,燃烧效率低。所以,要解决柴油发动机的排放问题,选择合理的喷油提前角就变得尤为重要。

内外有许多从事这方面减少排放物研究的人员。国内外西南交通大学的温江舟等人对一台高压柴油机上进行试验,研究喷油参数对某型柴油机混合其形成及性能影响。实验结果显示:喷油提前角、喷油压力、喷孔直径对燃烧过程有显著影响,以柴油机性能的变化规律作为依据,提出相应的喷油参数优化策略。吉林大学李小平等人通过试验研究喷射参数的影响,利用 avl-fire 软件模拟研究喷射参数对缸内燃烧和污染物生成的影响。结果显示:提高喷射压力和提前喷射能够有效的改善燃油经济性和碳烟排放性能,但是喷射压力在较高的时刻、喷射定时提前较大时,会对氮氧化物生成量会明显增加。akihiko minato等人对喷射压力及喷孔大小对可燃混合气的混合程度做了研究,结果显示:喷射压力越大可燃混合气所需混合时间越短,喷孔越小使可燃混合气所需混合时间越短,喷油压力越大则喷油持续期越长;喷孔孔径越小则发动机经济性能及排放性能越好;通过使用高压喷油结合微孔喷嘴可以使混合气燃烧更加充分;高压喷油耦合喷口技术可以有效降低内燃机污染物的排放。

运用最有控制算法对喷油提前角进行控制从而对燃烧性能进行优化,进而控制氮硫化物的排放,来达到国家政策对环境保护的严格要求,这对我们全民的身体健康以及国家未来的可持续发展有深远的现实意义。

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2. 研究的基本内容与方案

针对柴油机排放物种类多,且是雾霾主要成因之一的现状,对喷油提前角影响柴油机排放问题进行研究。喷油提前角越小,氮氧化物排放越少;但硫化物排放明显增多。喷油提前角越大,硫化物排放较少,但是氮氧化物排放明显增多。为此,运用最优控制的方法,进行喷油提前角、硫化物、氮氧化物三者的最优参数设计。

喷油提前角是指喷油器开始喷油时,活塞距离压缩达上止点的曲轴转角。它直接影响着发动机的性能和排放。喷油提前角加大,整个燃烧过程前移,滞燃期增长,在滞燃期内燃油与空气混合更为充分,但燃油容易触壁附壁,且前期缸内温度低,影响燃油蒸发;还会使柴油机工作粗暴,噪声明显增加;运动零部件受到过大冲击载荷,寿命缩短,大量增加氮氧化物的排放。喷油提前角减小,缸内温度相对较高,有利于燃油蒸发,但燃油与空气混合时间减少,会造成燃烧不完全,增加了硫化物的排放。

研究喷油提前角对柴油机排放物的方案主要是利用最优控制的算法来对喷油提前角进行适当的调整,来达到目的。运用最优控制的算法,进行喷油提前角、硫化物、氮氧化物三者的最优参数设计,使三者达到一个最优的控制状态,即在电控技术下调整喷油提前角使硫化物、氮氧化物达到排放量最少的平衡状态。

现在很多大型船舶上面已经安装了柴油机电子控制及监视系统,我们可以利用电子控制系统来达到我们进行最优控制的目的。首先,学习最优控制算法的基础知识并深化系统的学习知识。其次,寻找研究题目相关的国内外文献,研究最优控制算法在柴油机排放控制中的应用。国内外也早有这方面的研究成果:ratnakara对一款四冲程的单缸柴油机进行不同喷油压力与喷油提前角下的性能试验,以冷却水温度维持最佳为准,改变柴油机一定转速下的负荷,最终获得柴油机的最优喷油压力和喷油提前角。文献[12-16]中作者利用avl-boost 软件进行了配气相位对发动机性能影响的仿真分析,把配气相位或其中某几个角度值作为动机的配气正时进行了优化研究。莫海俊等采用电控柴油机参数标定的局部优化和整体优化方法,确定了一组使柴油机满足nox 排放要求且油耗最低的喷油提前角。luo qingguo以动力性和经济性为目标,对装甲车用柴油机额定转速及最大转矩的不同负荷工况下的喷油提前角进行优化计算。最后,对这些成果进行系统总结及创新得出属于自己的结论。


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3. 研究计划与安排

第 1-4 周:查阅相关文献资料,明确研究内容,了解研究所需的技术知识,并结合实际要求完成要求。确定方案,完成开题报告.

第 5-8 周:柴油机燃烧的工作原理和特点。

第 9-12 周:研究最优控制算法在柴油机排放控制中的应用。

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4. 参考文献(12篇以上)

1 吉恒松,张程程,张州榕,等.船用柴油机实现低nox 燃烧的数值模拟[j].江苏大学学报( 自然科学版) ,2013( 4) .

2 徐虎,孙思远,黄加亮,等.柴油机燃油喷射系统参数优化匹配对 nox 排放的影响[j].船舶工程,2017,39(239):6-9.

3 颜金龙. 中速柴油机重油燃烧过程分析[d].杭州电子科技大学,2014.

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