基于共轨系统的柴油引燃式天然气发动机控制与优化研究

【摘要】：柴油引燃式天然气发动机是解决柴油机排放问题和提高燃料经济性的重要途径。但是，柴油引燃式天然气发动机存在中小负荷有效效率低、燃料经济性差、碳氢排放高等问题，并且只能使用固定气源天然气。这主要是由于现有柴油引燃式天然气发动机缺乏对混合气空燃比的有效控制手段和采用单一的燃料喷射策略。对此，本课题改进现有发动机系统构型，引入新的控制手段，开发了分布式柴油引燃式天然气发动机电控系统硬件和软件，并对柴油引燃天然气模式下小负荷的发动机性能进行了优化。 通过柴油引燃式天然气发动机系统需求分析，提出了由电控高压共轨柴油供给系统、进气道单点混合天然气供给系统、具备电子节气门的空气系统三者构成的柴油引燃式天然气发动机系统构型。 分布式柴油引燃式天然气发动机电控系统由柴油引燃式天然气发动机控制系统和电子节气门控制系统二者构成。前者用于发动机状态实时采集和控制，以及空燃比闭环控制；后者用于节气门位置的实际控制；二者之间通过CAN总线进行实时通讯。 柴油引燃式天然气发动机控制系统采用基于转矩的控制体系，协调控制柴油喷射、天然气喷射、节气门目标开度；空燃比闭环控制采用适合发动机实时控制的基于变参数PID控制器的闭环控制算法，取得了较好的控制效果。电子节气门位置控制采用基于变参数PID控制器的闭环控制算法，试验结果表明，节气门位置稳态误差不超过1%，瞬态响应较快且超调量较小。 以过量空气系数作为反馈信号，以天然气体积热值作为特征参数，建立天然气组分识别方法。提出了以保持混合气热值不变为控制目标的组分自适应控制方法，包括基于组分识别结果的组分适应开环控制方法和通过空燃比闭环控制实现的组分适应闭环控制方法。 以在经济性最优条件下降低碳氢和NOx排放为目标，以联合控制节气门开度和柴油喷射策略为控制手段，在中小负荷下对柴油引燃式天然气发动机进行性能优化，研究了不同节气门开度和柴油喷射策略对发动机燃烧和性能的影响。试验结果表明，与传统柴油引燃式天然气发动机相比，采用本课题提出的柴油引燃式天然气发动机电控系统，可以在中小负荷显著提高有效效率和燃料经济性、降低碳氢排放、维持NOx排放基本不变。 【关键词】：柴油引燃式天然气发动机 节气门 空燃比 组分适应 性能优化
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK46
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 主要符号对照表8-11
• 第1章 引言11-32
• 1.1 课题背景与意义11-19
• 1.1.1 内燃机的技术进化11-14
• 1.1.2 均质充量压燃技术14-15
• 1.1.3 清洁代用燃料15-17
• 1.1.4 柴油引燃式天然气发动机17-18
• 1.1.5 课题提出18-19
• 1.2 课题研究现状19-28
• 1.2.1 天然气组分适应控制19-25
• 1.2.2 柴油引燃式天然气发动机性能优化25-28
• 1.3 课题研究内容和方法28-32
• 第2章 柴油引燃式天然气发动机电控系统硬件设计32-47
• 2.1 发动机系统构型设计32-39
• 2.1.1 系统需求分析32-34
• 2.1.2 系统构型设计34-39
• 2.2 电控系统硬件设计39-45
• 2.2.1 柴油引燃式天然气发动机控制器硬件设计39-43
• 2.2.2 电子节气门控制器硬件设计43-44
• 2.2.3 印刷电路板设计44-45
• 2.3 本章小结45-47
• 第3章 柴油引燃式天然气发动机电控系统软件设计47-57
• 3.1 柴油引燃天然气模式控制软件框架47-48
• 3.2 电子节气门控制软件48-52
• 3.2.1 电子节气门控制算法48-51
• 3.2.2 电子节气门控制效果51-52
• 3.3 空燃比闭环控制软件52-56
• 3.3.1 空燃比闭环控制算法52-54
• 3.3.2 空燃比闭环控制效果54-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第4章 天然气组分自适应控制57-63
• 4.1 天然气组分识别57-60
• 4.1.1 天然气特征参数与反馈变量的选取57-58
• 4.1.2 天然气组分识别方法58-60
• 4.2 天然气组分适应60-62
• 4.2.1 天然气组分适应开环控制60-61
• 4.2.2 天然气组分适应闭环控制61-62
• 4.3 本章小结62-63
• 第5章 柴油引燃式天然气发动机性能优化63-88
• 5.1 试验条件与燃料参数63-64
• 5.1.1 试验对象与设备63
• 5.1.2 试验燃料63-64
• 5.2 空燃比对发动机性能的影响64-74
• 5.2.1 节气门开度对空燃比的影响65
• 5.2.2 对燃烧的影响65-68
• 5.2.3 对经济性的影响68-70
• 5.2.4 对排放性能的影响70-74
• 5.3 柴油灵活喷射策略74-86
• 5.3.1 一段喷油定时的影响75-78
• 5.3.2 第二段喷油定时的影响78-81
• 5.3.3 第一段喷油比例的影响81-84
• 5.3.4 喷射策略对小负荷性能的影响84-86
• 5.4 本章小结86-88
• 第6章 总结与展望88-92
• 6.1 研究工作总结88-89
• 6.2 研究成果以及与国内外研究成果的对比89-90
• 6.3 展望与建议90-92
• 参考文献92-96
• 致谢96-98
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果98

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