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预混点燃式气体燃料发动机建模及仿真研究

作　者: 杨瑜
导　师: 滕勤
学　校: 合肥工业大学
专　业: 动力机械与工程
关键词: 预混点燃式气体燃料发动机建模仿真
分类号: TK431
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 252次
引　用: 4次
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内容摘要

开发气体燃料发动机电控系统对于充分利用能源,改善能源结构,保护全球环境,具有极为重要的意义。开发适用于预混点燃式气体燃料发动机的电控仿真系统,可以为基于模型的控制策略的研究及其电控系统的开发提供一个平台。本文采用机理分析与系统辨识相结合的方法,对预混点燃式气体燃料发动机进行了深入细致的建模研究。首先,为了准确地提取发动机的性能参数,在自行设计的热式空气质量流量(MAF)传感器标定实验台上进行了传感器静动态标定实验,建立了热膜式和热线式MAF传感器静态多项式组合模型,及热膜式MAF传感器的动态非线性模型——Hammerstein组合模型和线性神经网络模型。其次,在真空泵流量实验台上完成了预混点燃式气体燃料发动机进气系统的流量特性研究,建立了空气阀、燃气阀及“混合器+节气门”子系统的流量系数模型并分析了其工作流量特性;建立了发动机外围进气系统的动态模型。然后,在发动机实验台上进行了大量燃用压缩天然气和LPG时的稳态工况实验,以及燃用LPG时的发动机动态响应实验。根据稳态及动态实验数据,建立了相应的进气歧管压力模型,曲轴动力学模型,充量系数模型,进气歧管压力预测模型,转速预测模型,空燃比预测模型,排放预测模型,指示热效率模型,调速器系统模型。通过燃用压缩天然气时的排放预测模型模拟分析了发动机的排放性能。最后,将各个子模型组合在一起,建立了基于MATLAB—SIMULINK的整机系统仿真模型。利用该模型对部分发动机燃用LPG时的稳态工况进行了仿真,并与实验结果进行了对比。分别以节气门突变作为激励和负载突变作为扰动,较好地对发动机燃用LPG时的动态工况进行了仿真,并与实测数据进行了对比。研究结果表明,系统仿真模型能较好地模拟预混点燃式气体燃料发动机的稳态及动态性能。该模型具有一定的通用性,适用于燃用LPG和压缩天然气时的性能仿真。当燃用不同的燃气时,只需对其中的一些参量(如理论空燃比等)及子模型的修正系数进行微调即可。可以利用系统仿真模型进行一系列仿真实验,更深入地研究系统各参数的变化规律,优化控制参数,为研究合适的控制策略,实现实时仿真控制系统与ECU联调,设计真正的智能化电控单元奠定了基础。

全文目录

第一章引言  16-25
  1.1 气体燃料发动机的技术研究  16-18
  1.2 气体燃料发动机仿真技术的发展概况  18-20
  1.3 本课题背景和任务  20-21
  1.4 本论文的研究内容与方法  21-23
  1.5 本论文的结构  23-25
第二章预混点燃式气体燃料发动机及相关理论简介  25-36
  2.1 S195柴油机改装后的预混点燃式气体燃料发动机简介  25-26
  2.2 预混点燃式气体燃料发动机双门电控开发的总体思路  26-27
  2.3 本文所需的主要的相关辨识与控制理论  27-36
    2.3.1 系统辨识的主要内容包括  28
    2.3.2 主要的系统辨识方法  28-34
      2.3.2.1 线性系统辨识  29-30
      2.3.2.2 非线性系统辨识  30-34
    2.3.3 前馈—反馈控制  34-36
第三章预混点燃式气体燃料发动机进气系统研究  36-47
  3.1 预混点燃式气体燃料发动机进气系统流量特性的标定实验  36-39
    3.1.1 实验装置及原理  36
    3.1.2 实验目的及过程  36-37
    3.1.3 空气阀、燃气阀和节气门开度的标定  37-39
  3.2 空气阀、燃气阀的流量特性研究  39-45
    3.2.1 空气阀、燃气阀流量系数的计算  39-41
    3.2.2 空气阀、燃气阀流量系数模型  41-42
    3.2.3 空气阀、燃气阀的工作流量特性分析  42-45
  3.3 混合器十节气门流量系数模型  45-47
第四章预混点燃式气体燃料发动机建模  47-77
  4.1 发动机模型研究现状  47-49
  4.2 空气阀、燃气阀和“混合器+节气门”模型  49-59
    4.2.1 调节阀的节流原理  49
    4.2.2 空气阀的数学模型  49-50
    4.2.3 燃气阀的数学模型  50
    4.2.4 “混合器十节气门”模型研究  50-59
      4.2.4.1 节气门—流量的动态响应  51-53
      4.2.4.2 动态响应模型研究  53-59
  4.3 进气歧管模型  59-64
    4.3.1 充量系数模型研究  59-63
      4.3.1.1 充量系数模型的辨识  60-63
    4.3.2 进气歧管压力预测模型  63-64
  4.4 动力输出子系统模型  64-66
    4.4.1 曲轴动力学模型  64-65
    4.4.2 指示热效率模型  65-66
  4.5 转速预测模型  66-67
  4.6 空燃比预测模型  67-71
    4.6.1 空燃比的机理模型  67-69
    4.6.2 空燃比的实验模型  69
    4.6.3 燃气的理论空燃比的计算  69-70
    4.6.4 空燃比模型研究  70-71
  4.7 稳态排放预测模型  71-75
  4.8 动态时滞特性初步研究  75-77
第五章预混点燃式气体燃料发动机系统仿真模型研究  77-98
  5.1 主要传感器及执行器模型研究  77-89
    5.1.1 主要传感器建模  77-85
      5.1.1.1 热式MAF传感器静态建模  77-80
      5.1.1.2 热膜式MAF传感器动态非线性建模  80-85
    5.1.2 主要执行器建模  85-89
      5.1.2.1 调速器系统模型  85-87
      5.1.2.2 步进电机系统模型  87-89
  5.2 预混点燃式气体燃料发动机系统仿真模型  89-92
  5.3 仿真结果分析  92-96
    5.3.1 燃用LPG的稳态性能仿真  92-93
    5.3.2 燃用LPG的动态性能仿真  93-96
      5.3.2.1 节气门突变激励下的动态性能仿真  93-95
      5.3.2.2 负载突变扰动下的动态性能仿真  95-96
  5.4 控制仿真模型架构示意图  96-98
第六章总结与展望  98-100
参考文献  100-102

预混点燃式气体燃料发动机建模及仿真研究

内容摘要

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