基于CAN总线技术的燃气发动机进气系统的研究.pdf

《基于CAN总线技术的燃气发动机进气系统的研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于CAN总线技术的燃气发动机进气系统的研究.pdf（66页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、山东大学硕士学位论文基于CAN总线技术的燃气发动机进气系统的研究姓名：牛洪成申请学位级别：硕士专业：动力机械及工程指导教师：程勇20090524山东大学硕十学位论文摘要近来，环境改善和能源问题日益成为世界范围内关注的焦点，天然气因其丰富的资源和清洁燃烧的特性而成为改善这些问题的良好的代用燃料。目前气体燃料发动机主要存在以下两方面的问题：首先燃气供给以混合器供气方式为主，该方式对空燃比的控制精度低，同时由于燃气在混合气中占有相当的体积比，降低了容积效率；其次由于燃气成分的变动以及各缸进气量分配不均，发动机各缸做功能力存在差异。这两方面的原因使得燃气发动机功率下降、燃油消耗率增加。为了解决这些问题

2、，本文通过对各种燃气供给方式的分析，提出了一种新的基于进气阀喷射方式的燃气供给机构。该机构为由步进电机驱动的气阀机构，通过气阀的开启和关闭，实现燃气供给。该系统能够实现对供给时刻和供给量的调节，而且成本低，技术难度不大，因此具有一定的实用价值。为了实现燃气供给时刻和燃气供给量的调节，同时独立控制各缸燃气供给量，降低各缸做功不均匀性，本文主要进行了以下工作：(1)针对12 V 19 0 天然气发动机建立了一维B O O S T 模型，为下一步分析其各缸进气量之间的差异和制定控制策略提供条件；(2)对1 2 V 1 9 0 发动机进气管系统进行了三维数值模拟，通过计算，分析进气管结构型式及进气管压

3、力波动对进气不均匀性的影响；计算结果表明，进气管结构型式对进气不均匀性的影响很小。而由于各缸压力波相互干涉造成的进气不均匀较为严重。(3)由于各缸进气量存在着差异，采用进气歧管喷射方式供给燃气时，各缸燃气量必须独立控制，否则各缸做功能力就将存在差异。为此本文开发了基于C A N 总线技术的分布式控制系统，实现对燃气供给量的独立控制。(4)最后，针对燃气供给系统的控制策略进行了研究，并通过模拟实验验证了系统的可行性。关键词：气体燃料发动机；燃气供给系统；A V LB O O S T；C A N 总线；步山东大学硕士学位论文进电机I I山东大学硕士学位论文A B S T R A C TR e c

4、e n t l y，e n v i r o n m e n t a li m p r o v e m e n ta n de n e r g yi s s u e sh a v eb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta sw o r l d w i d ec o n c e r n s N a t u r a lg a si sag o o da l t e r n a t i v ef u e lt oi m p r o v et h e s ep r o b l e m sb e c a u s eo fi t sp l e n t

5、 i f u lr e s o u r c e sa n dc l e a nb u r n i n gc h a r a c t e r i s t i c s A tp r e s e n t，t h em a jo rt w op r o b l e m sw i t hg a s e o u s-f u e le n g i n ea r ea sf o l l o w s：f i r s tt h em a i ng a ss u p p l ym o d ei sm e c h a n i c a lg a sm i x e r，t h i sm o d eh a sl o wa

6、i r-f u e lr a t i oc o n t r o la c c u r a c ya n dl o w e rv o l u m e t r i ce f f i c i e n c yd u et oa i rv o l u m eo c c u p i e db yg a s；s e c o n d，b e c a u s eo fc h a n g e si ng a sc o m p o s i t i o na n da nu n e v e na i rd i s t r i b u t i o no fm i x t u r et oc y l i n d e r

7、s，t h ep o w e ri sd i f f e r e n tc y l i n d e r b y-c y l i n d e r T h e s et w or e a s o n sm a k ee n g i n ep o w e rl o s sa n df u e lc o n s u m p t i o ni n c r e a s e I no r d e rt os o l v e t h e s ep r o b l e m s，i nt h i sp a p e ran e wg a ss u p p l ym e c h a n i s mi sp r o p

8、 o s eb a s e do ni n t a k em a n i f o l di n je c t i o nm o d eb ya n a l y z i n gav a r i e t yo fg a ss u p p l ym o d e T h em e c h a n i s mi sav a l v ed r o v e db ys t e p p e rm o t o r，w h i c hc a na c h i e v eg a ss u p p l yb yv a l v eo p e na n dc l o s e I ta ls oc a na d ju s

9、tt h es u p p l yt i m ea n ds u p p l yq u a n t i t yo fg a s M o r e o v e r，w i t hl o wc o s t，a n dl e s st e c h n i c a ld i f f i c u l t y，S Ot h em e c h a n i s mh a ss o m ep r a c t i c a lv a l u e s F o rr e a l i z et h i sp u r p o s e，t h em a i nj o b so ft h i sp a p e ra r ea s

10、f o l l o w s：(1)B a s e do n12 V19 0g a s e o u s-f u e le n g i n e，t h eo n e-d i m e n s i o n a lB O O S Tm o d e lw e r es e tu p，t op r o v i d ec o n d i t i o n sf o rf u r t h e ra n a l y s i st h ed i f f e r e n c eo fm i x t u r et oc y l i n d e r sa n dd r a f t i n gt h ec o n t r o

11、 ls t r a t e g y；(2)F o rt h ei n t a k em a n i f o l ds y s t e mo f12 V19 0e n g i n e，c a r r i e do u tt h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h eu n e v e na i rs u p p l yi sc a r r i e do u tw i t hi n t a k em a n i f o l ds t r u c t u r ea n di n t a k em a

12、n i f o l dp r e s s u r ew a v eb yn u m e r a t i o n；T h er e s u l t ss h o wt h a t，t h es t r u c t u r eh a v eal i t t l ei n f l u e n c eo nt h eu n e v e na i rd i s t r i b u t i o n T h ei n t a k ep r e s s u r ew a v ep r o d u c e db ym u t u a li n t e r f e r e n c eh a sm o r ei n

13、 f l u e n c eo nt h eu n e v e na i rd i s t r i b u t i o n；(3)W h e nu s ei n t a k em a n i f o l di n je c t i o nm o d ef o rs u p p l yg a s，t h eg a sq u a n t i t ym u s tb ec o n t r o l l e di n d e p e n d e n t l yb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo fq u a n t i t yo fg a ss u p p

14、 l y，i fn o t，t h ep o w e rd i f f e r e n c ec y l i n d e r-b y c y l i n d e rI I I山东大学硕+学位论文w o u l de x i s t T h i sp a p e rd e v e l o p e dd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h eC A N B u st e c h n o l o g y，S Ot h a tt h eg a sq u a n t i t yc a nb ec o n t r o l l

15、 e di n d e p e n d e n t l y；(4)F i n a l l y，t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fg a ss u p p l ys y s t e mi sr e s e a r c h e d，a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sv e r i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t K e yW o r d：g a s e o u s-f u e l

16、e n g i n e；g a ss u p p l ys y s t e m；A V LB O O S T；C A N B u s；S t e p p e rm o t o rI V山东大学硕士学位论文符号说明过量空气系数；有效流通面积比例因子；气门数；气门座内径(m m)；与气道相连的歧管的直径(m m)；气门数；气门座圈直径m m；燃料燃烧放出的总热量k J；曲轴转角(。C A)；燃烧开始时的曲轴转角(。C A)；为燃烧持续期o C A)：形状参数；完全燃烧的V i b e 参数，取为常数a=6 9。已燃质量百分数；换热系数；气缸直径(m m)；活塞平均速度(m s)；p u l s e

17、p e rs e c o n d(H z)Va厶q办厶z或Qa缸maxDq峭原刨性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式说明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：生邋蠢日期：丝望：主：丝关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据

18、库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：蟠导师签名：毽娶E t期：霉：丝山东大学硕士学位论文1 1 引言第一章绪论随着世界石油资源的逐渐减少，开发内燃机代用燃料由于关系到国家能源安全及环保等敏感问题，正受到各国的普遍关注。气体燃料(天然气、煤层气、瓦斯气等)由于储量丰富、低污染的特点，最具开发前景，是公认的绿色能源。其中天然气以其资源丰富和清洁燃烧的特点被认为是当前一段时间内发动机首选的替代燃料。天然气的燃烧产物主要是水和C 0 2，而C O 和H C 的排放量很少，其尾气排放量和温室气体的生成量与燃用汽油或柴油的同类

19、机型相比下降很多【1 2 1，因此天然气发动机已广泛用于汽车、联合发电装置等场所，研究和开发气体燃料发动机具有重要的现实意义(3-4)。在开发和应用天然气发动机的过程中，天然气供给技术是关键，它在很大程度上影响发动机动力性、经济性、安全可靠性及排放指标【5 1。1 2 气体燃料发动机燃气供给方式国内外研究现状能够根据工况的变化调节燃气和空气的供给，满足混合气量及空燃比的控制是对燃气供给系统的基本要求，也是发动机稳定可靠运行的前提。目前，燃气发动机的供气方式分为缸外供气和缸内直接喷射两大类。其中缸外供气方式又有进气管混合器供气和缸外进气道喷射两种方式，缸内直接喷射可分为缸内低压喷射和缸内高压喷射

20、两种 6-7】。1 2 1 进气管混合器供气方式天然气在进气管或进气阀口以固定比图卜1 进气道混合器预混合供气方式山东大学硕士学位论文例与空气混合，在进气行程进入气缸，在柴油引燃或火花点火之前，气缸内基本上形成了比较均匀的天然气和空气的混合气，着火后形成稳定的火焰核心，混合气以火焰核心为中心，以火焰传播的形式进行燃烧。其性能特点类似于汽油机。进气管混合器供气方式如图1 1 所示。混合器是进气管混合器供气式天然气供气系统中最重要的部件，其作用是将一定比例的空气和燃气混合，形成一定浓度的可燃混合气，并根据发动机转速和负荷的变化，增减天然气与空气的供给比例，达到调节空燃比以适应不同工况的需要。混合器

21、设计的好坏直接影响了空气、燃气混合质量的好坏。最常见的混合器为文丘里管，其结构如图1 2 所示。文丘里管式混合器的工作原理是，利用文丘里管效应，在其喉口处产生一个真空度，该真空随着空气流入气缸的流速的增加而增加。在该真空度控制下天然气被吸入混合器中和空气混合。在实际应用中，文丘里管式混合器主要有以下一些优点：1)适用于自然吸气和增压发动机；t 天然气挖图1-2 文丘里管式混合器2)即使在不良的空气和天然气进气条件下也能保持混合气的高均匀性，阻力极低；3)无运动件，结构简单；4)适于天然气低压混合和高压混合；5)能够扩展应用于怠速和部分负荷混合气偏浓或偏稀的工况。进气管混合器供气方式的天然气发动

22、机优点是：结构较简单，控制方便。但该方式存在以下问题。首先，燃料为气体，与空气混合后占据了一部分空气体积，使得充气效率降低，发动机功率下降；其次混合气在扫气过程中进入排气管，造成浪费，因此现用的燃气发动机2山东大学硕士学位论文的气门重叠角一般较小，甚至无重叠角，使得发动机的热负荷提高，排气温度高。尽管气门重叠角小，但由于进气门磨损后，密封变差，造成气门漏气和在气门重叠期间的倒灌而引起进排气管放炮。由于采用机械控制方式，对混合气质和量的控制精度都比较低。不适合用于成分经常变化和甲烷含量比较低的气体，如煤层气和石油炼化尾气。在燃气发动机的发展初期，燃气发动机主要是在原有的柴油机和汽油机上改装而来，

23、混合器供气方式便于对化油器式汽油机进行改造，成为燃气发动机早期的首选。典型的有美国底特律柴油机公司5 0 G N G V 的混合器供气系统【3 1。到2 0 世纪初国外出现了电控混合器方式，比较典型的是荷兰D e l t e c 公司的双燃料发动机和美国C a t e r p i l l a r 公司的C a t e r p i l l a r32 0 8C N G 柴油双燃料发动机。电控混合器可以应对燃气成份变化对空燃比的影响，但仍然存在充气效率降低的缺点【9 1。图1 3 为C a t e r p i l l a r3 2 0 8 自然吸气式双燃料发动机电控系统示意图，整个系统由天然气供给

24、系统、引燃油供给系统和电子控制单元(E C U)三个部分构成。电控单元通过传感器测定发动机的一系列参数，确定发动机的运行工况，并控制油泵调节齿杆和天然气流量控制阀的位置，根图l 3c a t e r p i l l a r 双燃料发动机电控系统示意图据发动机不同工况下性能和排放的需求，灵活地调整天然气、引燃柴油的喷射时刻和喷射量。但这种改装方式的问题是仍不能精确控制进入各气缸的天然气量。山东大学硕士学位论文1 2 2 缸外进气阀喷射方式这种方式也称准缸内混合方式，其工作原理是将燃气喷在发动机的进气道内，并与空气混合进入气缸。如图1 4 所示为准缸内混合方式供气示意图 10】。该供气方法是将气体

25、喷射图l-4 准缸内混合方式供气示意图器或电磁阀布置在各缸进气歧管的进气阀处，实现对每一缸的定时定量供气，也称之为缸外电控多点气体喷射系统。与进气管混合器供气方式相比，具有一些明显的优点 11】。首先该方式可以减轻和消除由于气阀重叠角的存在而造成的燃气直接逸出，恶化排放和浪费燃料；通过组织混合气的气流运动，改善和优化燃烧。进气阀喷射由于可以由软件严格控制气体燃料喷射量及喷射时刻与进排气阀及活塞运动的相位关系，易于实现定时定量供气和层状进气、可根据发动机转速和负荷更准确地控制对发动机功率、热效率和排放有重要影响的空燃比指标，实现稀薄混合气燃烧，能够提高发动机的动力性、经济性，同时降低尾气排放量。

26、该方式中，进气歧管处喷射的高速电磁阀是其基本部件，同时配置有E C U电控单元实施控制，一般情况下，该控制部分要延伸至整个发动机的控制系统中l：进气管：2：锁紧螺钉：3：发动机机体：4：进气仃：5：天然气分配管：6：进气门导管；7：电磁阀阀座；8：电磁闲：9：天然气共轨管去，控制主体根据转速和负图1 5 改进型准缸内混合方式结构示意图荷的变化，调节燃料量和燃4山东大学硕士学位论文料配比(x 2 燃料工作过程)，达到优化发动机性能的目的。该方式存在的问题是，由于天然气的密度小于空气的密度，这样直接喷入气缸可能会导致天然气浮在空气上部，造成进气分层，使得混和气混合不均匀，进而使燃烧恶化，所以针对存

27、在的问题，有研究者采用了一根金属导管将燃料引至气门处，将天然气喷在空气的下部，使天然气和空气得以混合均匀，其示意图见图1 5【l2 1。这种混合方式要求燃气必须要有一定的压力，且该压力要大于增压压力。优点是：可以采用较大的气门重叠角，实现缸内扫气，降低排气温度和降低燃油消耗率。还可避免倒灌引起的进排气管放炮及排气中H C 高，从而可以提高功率。缺点是：结构复杂，成本高，低负荷时，各缸的工作均匀性控制难度大【3 1。采用这一种改装方案的其它双燃料发动机主要有：法国P i e l s t i e k公司推出的P i e l s t i c kP A 5 双燃料发动机，美国G M 公司的M E Dl

28、6 6 4 5E 3B 双燃料机车发动机，德国M A N B&W 公司的M A N 2 8 32 双燃料发动机等。此类系统吉林工业大学已在Z H Il0 5W 发动机上进行了性能试验研究1 9 。由于天然气是气体燃料，所以无论是采用混合器的进气管供气方式还是采用电控喷射的缸外进气阀喷射方式，天然气本身在混合气中都占有相当的体积比，这样会使发动机充气效率下降。而充气效率则是反映发动机换气过程完善程度的指标，发动机充气效率下降即相当于输入发动机缸内的总能量下降。因此为了降低充气效率损失，采用缸内直接喷射将是一种很好的解决办法【l4 1。1 2 3 缸内直接喷射方式9 0 年代以来，人们开始研制开发

29、缸内供气方式。缸内直接喷射又分为缸内低压直喷和缸内高压直喷两种。前者是在进气阀关闭后，用较低的压力将天然气喷入缸内，在着火之前形成均质混合气。低压缸内喷射仍然属于均质预混合燃烧型，其优点是避免了容积效率损失。5山东大学硕士学位论文燃气直接进入气缸和空气混合，这种形式基本和进气阀喷射方式相同。当燃气热值特别低时，可用燃气管通过燃气阀进入(燃气压力和进气压力相同)。当然也可直接采用喷嘴将天然气喷入缸内，发动机缸内低图卜6 发动机缸内低压直喷系统示意图压喷射系统示意图如图1 6所示【15 1。低压喷射供气方式主要用在压缩比较低的点燃式气体燃料发动机上。由于天然气是在进气门关闭后喷射，因而喷射压力比较

30、低(0 2 lM P a)。这种方式避免了由于天然气是气体燃料而在进气混合时就占有一定体积的缺陷，改善了发动机的充气效率。但是，这种发动机的压缩比一般都较低，限制了热效率的进一步提高。另外，由于仍然需要采用节气门调节发动机的进气充量，所以在中小负荷时节流损失大。高压喷射主要在压缩比较高的发动机上应用。在压缩冲程活塞接近上止点时直接以很高的压力将天然气喷射到气缸中。燃料气流和气缸中的空气充量的混合速度由燃料喷射过程及燃烧来进行控制。对于大型发动机和高速发动机，往往采用高压缸内喷射达到较高的燃料供给量和较短的供气喷射时刻，实现燃料供给的质调节(通过控制缸内气体量来改变发动机负荷)。由于压缩过程中不

31、存在燃料和空气的预混合，消除了爆震的可能性，克服了缸外进气道喷射充气效率降低的缺点。另外辅以点火延迟可以降低气缸最高温度，减少N O x 排放【16】O目前只有美国、日本、德国等少数国家在开发缸内喷射供气技术，但还没有广泛应用于发动机上。应用缸内喷气技术比较成功的公司有：德国M A N B&W 公司的2 8 3 2 型发动机、美国D D C 公司的D D C 6 V 9 2 T A、以及日本本田公司的C I V I C 等。在国内，吉林大学内6山东大学硕士学位论文燃机研究所首先开展天然气发动机缸内喷气技术的研究工作，并已实现点燃式内燃机机型的天然气和液化石油气的缸外进气阀处电控喷射和缸内电控喷

32、射【17 1。电控缸内直接喷射发动机以其优良的工作性能和优越的排放性能必将随着内燃机技术水平的发展而被气体燃料发动机普遍采用。但是对目前来说，无论是缸内低压喷射还是高压喷射对天然气质量要求都较高，如果天然气中杂质含量较多，则容易堵塞喷孔；同时由于其技术难度和成本高，还不能广泛应用。1 3 燃气发动机进气系统存在的问题早期气体燃料(天然气、煤层气、瓦斯气等)多采取点火燃烧甚至是直接排空，既浪费了资源又污染了环境，气体燃料发动机的开发利用使这些燃料变废为宝。国内用于气体燃料发动机的气体燃料及其成份特性如表l-l。由表中可以看出这些气体燃料在特性及成份上都有很大差别，即使是同一出处，也会随着季节、地

33、域、生产过程、原料等发生变化，对混合气控制系统提出了很高的要求。表1 1 气体燃料成分、热值体积成份低热值燃牵毒名称N：0：眭C oa D：C 地c 2 H 6G H#c H o己H。?N m 3天然气O 5O 10 29 5 82 O0 90 53 7 0 5污承煤气酒气)5。O3 O3 2 06 0，02 1 9 8城f 别j i c 气5 3 2 6l7 82 6 21 5 5鑫磐，媛气6 1 96 32 4 O7 83 7 l冬硝4 7 3l8 2f l O 51 60 45 6 l发生炉搦像5 5 11 0 O2 6 O6 52 OO 45 3 8煤气硬煤4 9 41 2I8，71

34、9 89 6I 35 0 2f j 煤4 8，5I7，92 8，S4 6O 25 6 4渡 t 嚣浊气5 0 O5 0 O1 0 8 6甲烷1 0 03 6 0 9丙烷l o o9 0，4 3丁烷l o ol l S 9 l路J f 天然气1 O9 80 3O 3O 43 5 S D石涟俘天津3 8 lO S 38 3 I31 气2 1 96 7 44 0 5 3生气捡辽1 3 6随S0 5 3 7O 1 1 28 2 94 7 7 86 1 7 54 1 3气体燃料发动机多为机械控制的进气管混合器供气方式，该方式7山东人学硕士学何论文对空燃比的控制精度不高，当燃气成份变化时，无法自动调节各缸

35、燃气供应量。由于燃气成分的变动和各缸混合气的不均匀分配使得进入各缸的混合气在质量上和数量上都存在着不同程度的差异，造成各缸做功能力存在不同，影响气体燃料发动机的性能。如图1 7 所示为实测12 V19 0 混合器供气方式气体发动机10 0 负荷时的瞬时转速信号。由图中可以看出，各缸曲柄转角Q。C A图1 7l0 0 负荷瞬时转速信号及1 缸缸内压力信号瞬时转速峰值与谷值之间存在着较大的差别。为了便于对比各缸的做功能力，首先求出各缸瞬时转速峰值到谷值之间的差值(觚=吩。一珥。；。)，从中找出平均转速差值(锄)，利用(吩一瓴啪)瓴。X1O O)来表征各缸做功能力的差异。计算结果见表1 2。从表中可

36、以看出，该发动机存在着较严重的做功不均匀性。发动机各缸做功能力不一致，对发动机的经济性、动力性、排放和噪声等指标均有重要影响【1 8 1。为了改善气体燃料发动机存在的问题，进一步提高其做功能力和热效率，改善各缸做功不均匀性，必须采取相应的措施降低各缸做功不均匀性，因此对油田燃气发动机的供气系统进行改造具有重要的实际意义。1 4 课题的研究意义及主要内容8瞄 堇瞄耋|咖菪|萋|瞄|吾|j11tI山J，c蝴车毒山东大学硕七学位论文由于目前气体燃料发动机多采用机械控制式混合器供气系统，由混合器统一控制各缸混合气供给量，无法实现各缸燃气供给量的分别调节。为此目前越来越多的气体发动机相继采用缸外进气阀喷

37、射方式及缸内直接喷射方式，根据不同工况控制气体喷射脉宽以满足各缸对燃气供给量的要求。表1-210 0 负荷各缸做功能力对比缸号转速最大转速最小值转速最大值与最小各缸做功差值r r a i nr m i n值之差异性()l 缸1 0 0 2 49 9 8 34 12 82 缸1 0 0 2 49 9 8 14 32 93 缸l0 01 99 9 8 13 82 64 缸1 0 0 1 39 9 6 05 33 65 缸1 0 0 3 59 9 5。08 55 96 缸1 0 0 6 89 9 2 414 410 07 缸1 0 0 4 19 9 8 95 23 68 缸1 0 0 3 29 9

38、5 18 15 69 缸1 0 0 2 29 9 8 14 12 8l0 缸1O O1 59 9 4 66 94 7ll 缸1 0 0 3 49 9 6 27 24 912 缸1 0 0 4 69 9 6 18 558鉴于缸内直接喷射方式对燃气的洁净度要求高，成本和技术难度大的特点，并且我国油田燃气杂质含量较多，在油田气体发动机上采用缸内直接喷射方式在当前来说无论从成本上还是技术上都存在着一定的难度。因此本课题拟开发一种基于缸外进气阀喷射供气方式的燃气供给系统，该系统采用步进电机作为执行器，带动专用的燃气气门实现对燃气供给量的调节，从而实现调节各缸燃气供给量的目的。本文具体工作如下：(1)利用

39、A V LB O O S T 建立了12 V 19 0 气体燃料发动机的一维模型，并通过实测示功图对所建模型进行验证，使模型反映原机的真实9山东大学硕士学位论文状况；通过计算获得了进气管出入口的进气流量及进气压力波曲线，作为三维模拟计算分析进气不均匀性的边界条件。通过对发动机进气管路进行稳态和瞬态流动数值模拟计算，分析了进气管结构及进气管压力波对各缸进气不均匀性的影响。并通过计算分析了消除各缸进气不均匀性的措施。(2)为了保证各缸做功均匀，开发了基于C A N 总线的分布式控制系统，设计了C A N 总线电路，编制了节点初始化程序及节点通信程序，制定了C A N 总线通信协议，以满足独立调节各

40、缸燃气供给量达到使各缸做功均匀的目的。(3)对控制系统的总体结构及其工作原理进行了说明，分析了控制系统各功能模块的工作原理，并制定了相应的控制策略，最后通过模拟试验验证了控制系统及执行机构的可行性。1 0山东大学硕十学位论文第二章进气不均匀性模拟计算由实测结果可知，试验用l2 V19 0 燃气发动机各缸之间存在着较严重的做功不均匀性，多缸发动机各缸工作不均匀性主要由混合气不均匀及各缸几何因素差异等引起，而进气不均匀是引起混合气不均匀的一个主要原因。由于混合气不均匀而导致的各缸做功能力存在差异，将直接影响发动机的动力性、经济性及其工作稳定性。本章首先建立了l2 V19 0 气体燃料发动机的A V

41、 LB O O S T 一维仿真模型，根据实测气缸压力曲线对模型进行了验证，然后利用一维模型计算了进气管的进出口流量及压力波曲线，作为三维模拟计算的边界条件。通过对12 V19 0 型发动机的进气管内的流动过程分别进行三维稳态和瞬态模拟计算，分析了进气管内的流动损失和进气管内的压力波动对进气不均匀性的影响。并通过三维计算对影响进气管压力波动的结构参数进行了分析，为优化进气管结构参数降低各缸进气不均匀性提供了基础。2 1 一维模型的建立(1)对所研究的12 Vl9 0 型燃气发动机进行分析和测量、收集数据和资料。该12 V19 0 燃气发动机采用了增压中冷，其燃气与空气在增压器前混合后进入增压器

42、。其中l 6 缸共用一套增压器和中冷器，7 12缸使用另一套增压器和中冷器。混合气从进气总管的一端进入，然后进入各缸，进气歧管等间距分布。由于所使用的B O O S T 版本没有混合器的对应模型，本文采用I n je c t o r 模拟混合器。(2)将实际的发动机分解成若干个容易处理的子系统，并运用A V L B O O S T 软件所提供的模块建立相应的物理模型。根据原机的结构，按照气流运动方向，依次划分为：进气边界、混合器、压气机、中冷器、进气总管、进气歧管、气缸、排气歧管、排气总管、涡轮、排气边界。其中压气机和涡轮机是一体的。使用B O O S T 所建立的一维发动机模型如图2 1 所

43、示。其中Cl C12 为发山东大学硕士学位论文动机气缸模块，T C l、T C 2 为涡轮增压器模块，C 0 1、C 0 2 为中冷器模块，1 1、1 2 代表燃气发动机的混合器，S B 2、S B 4 为进气侧的大气环境，S B l、S B 3 为废气侧的大气环境，P L l、P L 2 为进气管模块。幽2-1B O O S T 发动机仿真模型(3)根据工程热力学、传热学等方面的知识将简化的物理模型进行定量的数学描述，将收集的数据及资料输入到相应的模块中去，即建立数学模型。(4)最后利用建立的模型，进行模拟计算，求出该模型所包含的全部物理参量，并与实际测量值进行对比，进一步修改模型以达到实用

44、。2 2 一维模型参数设置为了使仿真结果更接近于真实值，按照发动机相关参数(见表2 一1)并做一定的简化后设定发动机参数如下：1 1 首先设定S i m u l a t i o nC o n t r o l 参数，包括设定发动机S p e e d(转速)为10 0 0 r m i n，混合方式为E x t e r n a l(外部混合)，4-S t r o k eE n g i n e(四冲程发动机)，并设定发动机的发火顺序。山东大学硕+学位论文2)设定进气侧S B 2、S B 4 为标准状态，其中P r e s s u r e(压力)为0 1M P a，t e m p e r a t u r

45、 e(温度)为2 5。3)将原机的两根进气管简化为稳压腔模块，根据原进气管的L e n g t h(长度)，D i a m e t e r(直径)设定进气管的V o l u m e(体积)为4 7 6 7 L，然后通过进气歧管与发动机气缸相连，进气管道的L e n g t h(长度)为15 0 m m，D i a m e t e r(直径)为10 0 m m。4)在己知废气涡轮增压器增压比的前提下，采用了T u r b i n eL a y o u tC a l c u l a t i o n 简化模型，设定T C 的C o m p r e s s o rP r e s s u r eR a

46、t i o(压气机压比)为1 4，M e c h a n i c a lE f f i c i e n c y(机械效率)为O 9 2，C o m p r e s s o r表2 1 模型发动机相关参数型式四冲程活塞平均速度7 m s缸径1 9 0 m m发火顺序1 8 5 1 0 3 7 6 11 294-1 2冲程2 1 0 m m压缩比9：l缸数12进气提前角l1 7 0 C A排量7 1 4 5 L进气迟闭角5l 7 0 C A标定转速l0 0 0 r m i n排气提前角51 7 0 C A标定功率5 0 0 k W排气迟闭角1l 7 0 C AE f f i c i e n c y

47、(压气机效率)为0 7 8，由于没有实测的涡轮的效率曲线，本文根据经验值【1 9 1 并通过计算选定T u r b o c h a r g e rO v e r a l lE f f i c i e n c y(涡轮增压器总效率)为0 4 6，E q u i v a l e n tT u r b i n eD i s c h a r g eC o e f f i c i e n t(涡轮当量流量系数)为0 1。5)在C y l i n d e r 中设定发动机的B o r e 和S t r o k e 分别为19 0 m m 和2l0 m m，C o m p r e s s i o nR a

48、t i o 为9：l。2 2 1 发动机多气门的模拟由于所仿真的发动机每缸具有4 个气门，进、排气门各有2 个，这就涉及到了多气门的设置问题，必须进行相应的设置使仿真模型反映实际发动机气门结构。B O O S T 软件针对多气门发动机提供了两种山东大学硕士学位论文仿真模型供选择1 2 0 2 2模拟气道与气缸相连，气道直径取定值，其中进气道取进气道进口直径，排气道取排气道出口直径，如图2-2(a)所示。第二种是将多气门简化为。第一种是根据气门个数设置相同数量的管道：=。，I”I2 2 多气门发动机模型一个气门，然后通过有效流通面积比例因子进行修正发动机相同的效果，其模型结构如图2-2(b)所示

49、。其中有效流通面积比例因子的计算如下：=等式中，丘一有效流通面积比例因子；见一气门数；毛一气门座内直径；叱一与其相连的管道的直径：其中气门座内直径的A V L 定义如图2 3 所示：为了简化模型，本文选择了第二种方式，这样就只需设置有效流通面积比例因子即可实现对单缸四气门的模拟，减少了管道数量，简化了模型参数的设置。实际气门数n f f i 2，屯=7 0 m l l a，屯=lO O m m(进气门)，屯=8 0 m m(捧气门)，由公式2-l 计算得进气门的丘为0 9 8，排气门的丘为1 5 3 l。1 4获得与双气门图2 3 气门座内直径山东大学硕士学位论文2 2 2 气门升程曲线的设置

50、气门升程曲线影响到发动机曲轴每个角度处的气门开启程度，进而影响到进气压力特性的仿真结果。本文所模拟的12 V19 0 发动机采用的是下置凸轮轴项置式气门，摇臂比为固定值，可以根据凸轮的升程曲线，通过摇臂比，以及凸轮和曲轴之间的相位关系，直接将凸轮升程曲线换算为气门的升程曲线。但是需要注意的是，在凸轮与摇臂直接接触驱动的气门机构里，摇臂和气门接触的位置是变化的，这就意味着摇臂比是随时间变化的。如果仍然通过上述方法直接换算，得到的气门升程和气门相位会有5 1O 的误差【2”。根据已有的发动机凸轮升程曲线，以及相应的进排气门摇臂比，换算得到发动机的进排气门升程曲线，见图2 4 所示。EEJ=醛东f