基于共軌系統(tǒng)的柴油引燃式天然氣發(fā)動機控制與優(yōu)化研究

【摘要】：柴油引燃式天然氣發(fā)動機是解決柴油機排放問題和提高燃料經(jīng)濟性的重要途徑。但是，柴油引燃式天然氣發(fā)動機存在中小負荷有效效率低、燃料經(jīng)濟性差、碳氫排放高等問題，并且只能使用固定氣源天然氣。這主要是由于現(xiàn)有柴油引燃式天然氣發(fā)動機缺乏對混合氣空燃比的有效控制手段和采用單一的燃料噴射策略。對此，本課題改進現(xiàn)有發(fā)動機系統(tǒng)構(gòu)型，引入新的控制手段，開發(fā)了分布式柴油引燃式天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)硬件和軟件，并對柴油引燃天然氣模式下小負荷的發(fā)動機性能進行了優(yōu)化。 通過柴油引燃式天然氣發(fā)動機系統(tǒng)需求分析，提出了由電控高壓共軌柴油供給系統(tǒng)、進氣道單點混合天然氣供給系統(tǒng)、具備電子節(jié)氣門的空氣系統(tǒng)三者構(gòu)成的柴油引燃式天然氣發(fā)動機系統(tǒng)構(gòu)型。 分布式柴油引燃式天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)由柴油引燃式天然氣發(fā)動機控制系統(tǒng)和電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)二者構(gòu)成。前者用于發(fā)動機狀態(tài)實時采集和控制，以及空燃比閉環(huán)控制；后者用于節(jié)氣門位置的實際控制；二者之間通過CAN總線進行實時通訊。 柴油引燃式天然氣發(fā)動機控制系統(tǒng)采用基于轉(zhuǎn)矩的控制體系，協(xié)調(diào)控制柴油噴射、天然氣噴射、節(jié)氣門目標開度；空燃比閉環(huán)控制采用適合發(fā)動機實時控制的基于變參數(shù)PID控制器的閉環(huán)控制算法，取得了較好的控制效果。電子節(jié)氣門位置控制采用基于變參數(shù)PID控制器的閉環(huán)控制算法，試驗結(jié)果表明，節(jié)氣門位置穩(wěn)態(tài)誤差不超過1%，瞬態(tài)響應較快且超調(diào)量較小。 以過量空氣系數(shù)作為反饋信號，以天然氣體積熱值作為特征參數(shù)，建立天然氣組分識別方法。提出了以保持混合氣熱值不變?yōu)榭刂颇繕说慕M分自適應控制方法，包括基于組分識別結(jié)果的組分適應開環(huán)控制方法和通過空燃比閉環(huán)控制實現(xiàn)的組分適應閉環(huán)控制方法。 以在經(jīng)濟性最優(yōu)條件下降低碳氫和NOx排放為目標，以聯(lián)合控制節(jié)氣門開度和柴油噴射策略為控制手段，在中小負荷下對柴油引燃式天然氣發(fā)動機進行性能優(yōu)化，研究了不同節(jié)氣門開度和柴油噴射策略對發(fā)動機燃燒和性能的影響。試驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)柴油引燃式天然氣發(fā)動機相比，采用本課題提出的柴油引燃式天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)，可以在中小負荷顯著提高有效效率和燃料經(jīng)濟性、降低碳氫排放、維持NOx排放基本不變。 【關(guān)鍵詞】：柴油引燃式天然氣發(fā)動機 節(jié)氣門 空燃比 組分適應 性能優(yōu)化
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TK46
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 主要符號對照表8-11
• 第1章 引言11-32
• 1.1 課題背景與意義11-19
• 1.1.1 內(nèi)燃機的技術(shù)進化11-14
• 1.1.2 均質(zhì)充量壓燃技術(shù)14-15
• 1.1.3 清潔代用燃料15-17
• 1.1.4 柴油引燃式天然氣發(fā)動機17-18
• 1.1.5 課題提出18-19
• 1.2 課題研究現(xiàn)狀19-28
• 1.2.1 天然氣組分適應控制19-25
• 1.2.2 柴油引燃式天然氣發(fā)動機性能優(yōu)化25-28
• 1.3 課題研究內(nèi)容和方法28-32
• 第2章 柴油引燃式天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)硬件設(shè)計32-47
• 2.1 發(fā)動機系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計32-39
• 2.1.1 系統(tǒng)需求分析32-34
• 2.1.2 系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計34-39
• 2.2 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計39-45
• 2.2.1 柴油引燃式天然氣發(fā)動機控制器硬件設(shè)計39-43
• 2.2.2 電子節(jié)氣門控制器硬件設(shè)計43-44
• 2.2.3 印刷電路板設(shè)計44-45
• 2.3 本章小結(jié)45-47
• 第3章 柴油引燃式天然氣發(fā)動機電控系統(tǒng)軟件設(shè)計47-57
• 3.1 柴油引燃天然氣模式控制軟件框架47-48
• 3.2 電子節(jié)氣門控制軟件48-52
• 3.2.1 電子節(jié)氣門控制算法48-51
• 3.2.2 電子節(jié)氣門控制效果51-52
• 3.3 空燃比閉環(huán)控制軟件52-56
• 3.3.1 空燃比閉環(huán)控制算法52-54
• 3.3.2 空燃比閉環(huán)控制效果54-56
• 3.4 本章小結(jié)56-57
• 第4章 天然氣組分自適應控制57-63
• 4.1 天然氣組分識別57-60
• 4.1.1 天然氣特征參數(shù)與反饋變量的選取57-58
• 4.1.2 天然氣組分識別方法58-60
• 4.2 天然氣組分適應60-62
• 4.2.1 天然氣組分適應開環(huán)控制60-61
• 4.2.2 天然氣組分適應閉環(huán)控制61-62
• 4.3 本章小結(jié)62-63
• 第5章 柴油引燃式天然氣發(fā)動機性能優(yōu)化63-88
• 5.1 試驗條件與燃料參數(shù)63-64
• 5.1.1 試驗對象與設(shè)備63
• 5.1.2 試驗燃料63-64
• 5.2 空燃比對發(fā)動機性能的影響64-74
• 5.2.1 節(jié)氣門開度對空燃比的影響65
• 5.2.2 對燃燒的影響65-68
• 5.2.3 對經(jīng)濟性的影響68-70
• 5.2.4 對排放性能的影響70-74
• 5.3 柴油靈活噴射策略74-86
• 5.3.1 一段噴油定時的影響75-78
• 5.3.2 第二段噴油定時的影響78-81
• 5.3.3 第一段噴油比例的影響81-84
• 5.3.4 噴射策略對小負荷性能的影響84-86
• 5.4 本章小結(jié)86-88
• 第6章 總結(jié)與展望88-92
• 6.1 研究工作總結(jié)88-89
• 6.2 研究成果以及與國內(nèi)外研究成果的對比89-90
• 6.3 展望與建議90-92
• 參考文獻92-96
• 致謝96-98
• 個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術(shù)論文與研究成果98

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