天然气/柴油双燃料发动机油气切换的优化控制

【摘要】： 随着汽车工业的高速发展及汽车保有量的急剧增加,汽车造成的环境污染和石油危机问题日益突出,促使人们去寻找可以代替石油的清洁能源。作为车用发动机代用燃料,压缩天然气CNG(Compressed Natural Gas)可有效地缓和这一矛盾。天然气/柴油双燃料发动机以其排放性能良好、改装方便、使用灵活的优点正受到人们的重视。 天然气/柴油双燃料发动机在低负荷工况下的动力性、经济性及排放性恶化。为了改善发动机低负荷的性能,在低负荷工况下燃用纯柴油是一种较好的解决方法。这就存在一个从纯柴油工况向双燃料工况切换的过程,若不对此过程进行有效的控制,则发动机在此过程中转速波动大、排放恶化。 为避免双燃料发动机在由纯柴油工况向双燃料工况切换过程中出现的转速大幅度波动现象和节约发动机燃料成本,本文在国内外相关研究的基础上,对天然气/柴油双燃料发动机进行了性能研究。分析了双燃料发动机低负荷性能恶化的原因和油气切换过程,找出了切换过程中引起速度波动的原因;根据现有的燃料供给系统,改进了油气切换系统;根据实际情况,综合考虑发动机的动力性和经济性,提出了油气切换过程优化控制的目标函数;依据变分法和发动机的相关理论与实践知识,建立了油气切换过程的数学模型。 发动机是一个具有时滞性、不确定性、严重非线性、时变性的系统,对其实施控制就需要一种高级、快速、可靠、有效的控制方法。本文通过研究对比各种控制算法和发动机的控制模型,在比较详细地分析预测控制算法基础上,运用广义预测控制GPC(Generalized Predictive Control)对双燃料发动动机油气切换过程的燃料进行调节,实现了此过程的优化控制。运用MATLAB对模型和切换过程的优化控制进行了仿真并对仿真结果进行了分析,说明了模型和控制算法的有效性和实用性。 【关键词】：双燃料发动机 油气切换 变分法 模型 广义预测控制
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：U464
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-7
• 1 绪论7-17
• 1.1 引言7
• 1.2 汽车发展引发的能源危机7-8
• 1.3 汽车代用燃料8-10
• 1.3.1 各种代用燃料性能评价8-9
• 1.3.2 代用燃料的选择9-10
• 1.4 天然气发动机的发展状况10-14
• 1.4.1 天然气在发动机上的应用形式与特点10-11
• 1.4.2 天然气发动机的主要优点11-13
• 1.4.3 气体燃料供给系统的发展及趋势13-14
• 1.4.4 天然气发动机的关键技术14
• 1.5 目前天然气发动机的研究热点14-15
• 1.6 课题研究意义及论文的主要内容15-17
• 2 天然气/柴油双燃料发动机油气切换系统17-24
• 2.1 天然气/柴油双燃料发动机的性能分析17
• 2.2 改善双燃料发动机低负荷性能的措施17-18
• 2.3 双燃料发动机的燃料供给系统18-20
• 2.4 油气切换系统20-21
• 2.5 双燃料发动机油气切换过程研究21-22
• 2.6 双燃料发动机对油气切换的要求22-23
• 2.7 本章小结23-24
• 3 双燃料发动机油气切换过程的数学模型24-35
• 3.1 变分法及最优控制24-26
• 3.1.1 欧拉方程24-25
• 3.1.2 横截条件25-26
• 3.1.3 勒让德条件26
• 3.2 发动机转速与油耗的关系26-27
• 3.3 数学模型的建立27-30
• 3.4 模型的仿真30-34
• 3.5 本章小结34-35
• 4 优化控制的实现35-53
• 4.1 控制算法的选择35-36
• 4.2 预测控制的基本机理36-39
• 4.2.1 预测模型36-37
• 4.2.2 滚动优化37-38
• 4.2.3 反馈校正38-39
• 4.3 广义预测控制原理39-46
• 4.3.1 广义预测控制基本算法39-42
• 4.3.2 广义预测控制基本算法的改进42-44
• 4.3.3 广义预测控制控制参数的选择44-46
• 4.4 双燃料发动机油气切换的预测控制46-49
• 4.4.1 双燃料发动机的控制模型46-48
• 4.4.2 双燃料发动机的控制算法仿真48-49
• 4.5 双燃料发动机的仿真分析49-52
• 4.6 本章小结52-53
• 5 结束语53-55
• 5.1 结论53
• 5.2 存在的问题和展望53-55
• 致谢55-56
• 参考文献56-58
• 附录58

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