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        重型柴油機冷EGR與VGT耦合優(yōu)化試驗研究

        2019-07-02 02:37:50樓狄明李響郭石磊譚丕強胡志遠
        車用發(fā)動機 2019年3期
        關(guān)鍵詞:煙度消耗率開度

        樓狄明,李響,郭石磊,2,譚丕強,胡志遠

        (1.同濟大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804;2.聯(lián)合汽車電子有限公司,上海 201206)

        柴油機具有燃油消耗低、輸出扭矩大、可靠性好等優(yōu)點,因而廣泛應(yīng)用于交通運輸、工程機械等領(lǐng)域[1]。NOx是柴油機主要排放物之一,如何有效控制NOx排放是目前柴油機排放控制的研究重點[2-3]。

        廢氣再循環(huán)技術(shù)(Exhaust Gas Recycling,EGR)是降低柴油機NOx排放的有效方法之一[4-5]。但采用EGR技術(shù)會引起其他問題:燃燒過程變緩,HC排放升高;空燃比降低,PM排放和煙度升高[6-7]。且在部分工況下,增壓柴油機的增壓壓力高于排氣壓力,不能有效進行廢氣再循環(huán)??勺兘孛鏈u輪增壓器(Variable Geometry Turbocharger,VGT)可提高渦輪增壓柴油機的瞬態(tài)響應(yīng)性,并改善EGR的上述不足[8-10]。VGT/EGR系統(tǒng)擴大了EGR的適用范圍,附加成本低;通過VGT/EGR系統(tǒng)的優(yōu)化與匹配,可在保證柴油機動力性和經(jīng)濟性的同時,滿足日趨嚴格的排放限值[11-12]。

        鑒于上述分析,基于臺架試驗結(jié)果,通過建立數(shù)學(xué)模型和評價標準,對各個工況點下的VGT閥門開度和EGR閥門開度進行綜合優(yōu)化,為EGR與VGT的耦合優(yōu)化提供參考。

        1 試驗設(shè)計

        試驗樣機為配備VGT與EGR的某高壓共軌重型柴油機,其主要參數(shù)見表1。試驗所用燃料為國Ⅴ柴油,其具體理化指標如表2所示。

        表1 柴油機主要參數(shù)

        表2 燃料主要理化指標

        試驗研究所使用的試驗設(shè)備主要包括AVL PUMA發(fā)動機試驗臺架、AVL APA4F4電渦流測功機、AVL-735動態(tài)油耗儀、AVL-i60氣體測試儀、AVL-PEUS多組分排放儀以及ETAS INCA標定系統(tǒng)等。發(fā)動機臺架裝置示意見圖1。

        圖1 發(fā)動機臺架裝置示意

        選取ESC循環(huán)十三工況的3個代表轉(zhuǎn)速A,B,C,分別在25%,50%,75%和100%負荷,進行柴油機的性能與排放試驗。通過ETAS標定系統(tǒng)調(diào)整VGT和EGR閥門開度,EGR閥門開度分別為0,25%,50%,75%和100%,VGT閥門開度分別為40%,50%和65%。VGT閥門開度定義噴嘴環(huán)葉片轉(zhuǎn)過角度最小,渦輪有效流通截面最大為0開度;噴嘴環(huán)葉片轉(zhuǎn)過角度最大,渦輪有效流通截面最小為100%開度。

        2 數(shù)學(xué)模型和評價標準

        鑒于VGT/EGR系統(tǒng)對柴油機排放特性的綜合影響,在進行ESC十三工況的穩(wěn)態(tài)正交試驗后,通過建立一定的評價標準,在各個工況下進行VGT閥門開度和EGR閥門開度的選取和優(yōu)化。

        引入變量i,j,k,xk(i,j),ak,并定義如下:

        1)i為工況點序號,i=1,2,…11,12;

        2)j為不同EGR和VGT閥門開度組合對應(yīng)的試驗點,j=1,2,…14,15;

        3)k為評價參數(shù),k=1,2,3,4,分別對應(yīng)于NOx體積分數(shù)、燃油消耗率、煙度和CO體積分數(shù);

        4)xk(i,j)為第i個工況、第j個EGR和VGT閥門開度組合對應(yīng)的評價參數(shù)k的值;

        5)ak為評價參數(shù)k的權(quán)值,∑ak=1。

        考慮到各評價參數(shù)之間單位或量級的不同,建立如下數(shù)學(xué)模型:

        1) 計算在第i個工況,不同評價參數(shù)k在各個EGR和VGT閥門開度組合下的最大值yk(i),即

        yk(i)=Max(xk(i,j))。

        2) 在第i個工況,對各個EGR和VGT閥門開度組合下的評價參數(shù)值xk(i,j)與yk(i)的比值進行加權(quán)求和,即

        3) 計算z(i,j)的最小值,最小值對應(yīng)的j即為工況i下所要選擇的EGR和VGT閥門開度組合。

        在基于柴油機經(jīng)濟性和排放對各個工況點的EGR閥門開度和VGT閥門開度進行選取時,鑒于需求不同,評價標準也不是唯一的?;谝陨蠑?shù)學(xué)模型,共建立3種評價標準:

        1) 由于柴油機排放中NOx與顆粒物存在著顯著的trade-off關(guān)系,故選擇NOx排放和煙度作為評價指標。

        2) 由于在試驗過程中發(fā)動機未加裝后處理裝置,各個工況下煙度值較高??紤]到顆粒物排放可以通過機外凈化手段進行降低,同時柴油機引入EGR后燃油消耗率升高,故選擇NOx排放和燃油消耗率作為評價指標。

        3) 柴油機由于富氧燃燒,排放中的CO和HC較低,但仍為主要排放污染物之一,為綜合考慮發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性能,選擇NOx和CO排放、煙度以及燃油消耗率作為評價指標。

        各評價標準選取的評價指標及評價指標權(quán)值如表3所示。

        表3 3種評價標準

        基于以上制定的評價標準,將各工況點、各EGR和VGT閥門開度組合下的試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)學(xué)模型中,得到各工況點選取的EGR閥門開度、VGT閥門開度及min(z(i,j))(見表4)。

        表4 各工況點選取的EGR和VGT閥門開度

        續(xù)表

        為了方便對各個評價標準下的優(yōu)化結(jié)果進行分析比較,將NOx體積分數(shù)、燃油消耗率、煙度和CO體積分數(shù)作為3種評價標準的比較參數(shù)。以各工況點下,NOx體積分數(shù)、燃油消耗率、煙度和CO體積分數(shù)的最大值為基準,對各評價標準下選取的EGR和VGT閥門開度組合對應(yīng)的評價參數(shù)進行分析比較。

        下文中所涉及的符號釋義如下:

        aNOx為NOx排放在其基準值中的占比;a煙度為煙度在其基準值中的占比;a油耗率為油耗率在其基準值中的占比;aCO為CO排放在其基準值中的占比。

        3 試驗結(jié)果與分析

        各評價標準下優(yōu)化結(jié)果的評價參數(shù)對比如圖2所示。從圖中可見:

        1) 在NOx排放方面,3種評價標準的優(yōu)化結(jié)果中,標準三的aNOx在各個工況點都處于較高水平,在A25,A50,…C100各工況點下,aNOx分別為26.2%,60.2%,48.5%,52.1%,94.7%,62.7%,37.1%,24.0%,54.4%,57.2%,31.1%和29.5%;而標準二的aNOx在各工況點均處于較低水平,aNOx分別為24.7%,31.6%,21.0%,22.6%,38.9%,22.7%,8.9%,7.5%,27.7%,14.0%,14.1%和14.8%;標準一的aNOx在標準二和標準三之間。

        2) 在煙度方面,標準二由于未考慮煙度,其優(yōu)化結(jié)果的a煙度明顯高于其他兩種評價標準,部分工況選取的EGR和VGT閥門開度對應(yīng)的煙度值為該工況下的最大值,在A25,A50,…C100各工況點下,a煙度分別為55.1%,100%,100%,100%,100%,100%,100%,100%,86.2%,100%,81.0%和88.1%;標準一和標準三的a煙度明顯低于標準二,且標準三的a煙度更低。

        3) 在燃油消耗率方面,3種評價標準的優(yōu)化結(jié)果中a油耗率相差不大,均在74.8%以上,其中標準二的a油耗率略高于其他兩種評價標準。

        4) 在CO排放方面,大部分工況下標準二的aCO明顯高于其他兩種評價標準的優(yōu)化結(jié)果,在A25,A50,…C100各工況點下,aCO分別為100%,88.7%,66.7%,25.3%,97.3%,100%,100%,100%,78.4%,100%,83.9%和86.6%;標準三的aCO處于較低水平,分別為74.3%,36.7%,14.0%,12.6%,41.2%,10.5%,10.7%,8.5%,44.6%,11.5%,30.8%和18.6%;標準一的aCO在標準二和標準三之間。

        從上述分析可知,由于各評價標準的優(yōu)化目標不同,各工況點選取的EGR和VGT閥門開度及其對應(yīng)的NOx體積分數(shù)、煙度、燃油消耗率和CO體積分數(shù)均不相同。以折中NOx排放和煙度為目標的評價標準一,其NOx體積分數(shù)、煙度、燃油消耗率和CO體積分數(shù)均處于中等水平;以優(yōu)化NOx排放和燃油消耗率為目標的評價標準二,其NOx體積分數(shù)處于較低水平,燃油消耗率與其他兩種評價標準相當,而煙度和CO體積分數(shù)則明顯高于其他兩種評價標準;綜合考慮NOx排放、煙度、燃油消耗率和CO體積分數(shù)的評價標準三,其NOx體積分數(shù)明顯高于標準一和標準二,CO體積分數(shù)較低,煙度和燃油消耗率與其他兩種評價標準相當。試驗研究所用發(fā)動機并未加裝后處理裝置,考慮到標準一的優(yōu)化結(jié)果中各評價參數(shù)均處于中等水平,且EGR降低柴油機NOx排放后,可通過加裝SCR使NOx排放進一步降低,還可以通過加裝DOC,DPF等后處理裝置使CO排放和煙度顯著降低,故基于評價標準一對EGR和VGT閥門開度組合進行優(yōu)化。

        全試驗工況下,優(yōu)選的EGR和VGT閥門開度如圖3所示。從圖中可見,隨著轉(zhuǎn)速的升高,EGR閥門開度逐漸減小,且相同轉(zhuǎn)速下,EGR閥門開度先增大后減??;中等負荷下,VGT閥門開度較小,隨著轉(zhuǎn)速的升高,閥門開度逐漸增大。

        圖2 各評價標準下的優(yōu)化結(jié)果

        圖3 優(yōu)選的EGR和VGT閥門開度

        全試驗工況下,優(yōu)化后的NOx排放、煙度、燃油消耗率和CO排放如圖4所示。從圖中可見,NOx排放整體較低,但大負荷及高轉(zhuǎn)速工況下,NOx排放顯著升高;中等負荷下,尾氣煙度極低,但低速大負荷工況下煙度迅速升高;燃油消耗率整體較低,高速小負荷工況下油耗率顯著提高;中高轉(zhuǎn)速下,CO排放較低,低速大負荷工況下CO尾氣排放嚴重。

        圖4 優(yōu)化后的評價參數(shù)

        4 結(jié)論

        a) 標準一相比于其他方案,各評價參數(shù)均處于中等水平;標準二的NOx排放處于較低水平,而煙度和CO排放較高;標準三NOx排放較高,而CO排放較低;

        b) 基于標準一對EGR和VGT閥門開度進行優(yōu)化,結(jié)果表明:相同轉(zhuǎn)速下,隨著負荷的增大,EGR閥門開度先增大后減?。恢械蓉摵上?,VGT閥門開度較小,轉(zhuǎn)速較高時,閥門開度增大;

        c) 標準一的優(yōu)化結(jié)果整體較優(yōu),但大負荷和高轉(zhuǎn)速工況的NOx排放及低速大負荷工況的CO排放問題嚴重,且在低速大負荷工況下煙度急劇升高。為緩解以上問題,需通過調(diào)節(jié)噴油正時對柴油機的性能作進一步優(yōu)化。

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