天然气掺氢发动机平均值模型建模与验证

【摘要】：随着汽车工业快速发展,传统内燃机汽车带来了一系列能源和环境问题。HCNG发动机具有超低排放、高效率两大突出优点,是传统内燃机的理想替代方案。发动机电控系统的研发,普遍应用基于模型的“V型”开发模式,燃气发动机异于燃油发动机,针对传统燃油发动机的模型不能直接用于燃气发动机,建立专门针对HCNG发动机的仿真模型具有重要的学术和工程应用价值。本文针对燃气发动机进气子系统、燃气子系统和动力子系统进行了试验研究、公式拟合以及平均值模型建模与仿真。本文进行了天然气发动机试验,研究了流经节气门的混合气流量、进气歧管压力、转速、节气门开度等几个参数间的关系,得到了3个经验公式,在稳态工况下将计算结果与实验数据进行了对比。针对HCNG发动机0、20%、55%三种掺氢比,通过试验研究得到了与潍柴天然气发动机一致的进气规律。将其中两个拟合公式各项系数构造为与掺氢比有关的函数,用该函数预测30%掺氢比时拟合公式的系数,将系数代入拟合公式后的计算结果与实验数据吻合较好。研究发现:在相同发动机转速条件下,有效扭矩与进入气缸的混合气流量存在着较明显的线性关系,Pman?ηe和Pman?n呈近似线性关系,拟合关系式的一次项系数和转速相关联。本文构建了HCNG发动机各子系统模型,完成了HCNG发动机平均值模型整体建模。仿真结果表明:HCNG发动机平均值开环模型误差大、调节时间长;平均值模型采用PID控制器闭环控制,运用工程整定法得到PID控制参数,仿真时调节时间缩短,误差减小。本文分别进行了CNG、20%HCNG、55%HCNG发动机外特性工况闭环模型仿真,并将20%HCNG发动机动态工况仿真结果与实验数据进行对比,稳态和动态仿真结果表明,本文建立的HCNG发动机平均值模型仿真结果比较合理,具有重要的学术和工程应用价值。 【关键词】：天然气掺氢 平均值模型 PID控制 多项式拟合
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U464
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 主要符号对照表8-10
• 第1章 引言10-21
• 1.1 选题背景10-15
• 1.1.1 汽车工业快速发展10-11
• 1.1.2 汽车工业发展带来的问题11-13
• 1.1.3 燃气汽车的发展13-14
• 1.1.4 研究燃气发动机模型的意义14-15
• 1.2 燃气发动机平均值模型研究现状15-19
• 1.3 本文主要研究内容19-21
• 第2章 实验系统及方案21-26
• 2.1 实验发动机21-23
• 2.2 测量系统23-24
• 2.3 掺氢系统24
• 2.4 实验内容24-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第3章 HCNG发动机进气子系统实验与建模26-51
• 3.1 增压燃气发动机进气系统26-27
• 3.2 潍柴天然气发动机进气试验与拟合研究27-34
• 3.2.1 流经节气门处混合气流量27-29
• 3.2.2 进气歧管压力29-30
• 3.2.3 最大进气歧管压力30-31
• 3.2.4 经验公式验证31-34
• 3.3 东风HCNG发动机进气试验与拟合研究34-48
• 3.3.1 CNG发动机进气经验公式拟合34-37
• 3.3.2 20%HCNG发动机进气经验公式拟合37-39
• 3.3.3 55%HCNG发动机进气经验公式拟合39-41
• 3.3.4 HCNG发动机最大进气歧管压力41
• 3.3.5 30%HCNG发动机实验验证41-44
• 3.3.6 进入气缸的混合气流量44-48
• 3.4 HCNG发动机进气子系统建模48-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第4章 HCNG发动机燃气子系统实验与建模51-57
• 4.1 HCNG燃气平均分子式51-52
• 4.2 当量可燃天然气流量52-53
• 4.3 过量空气系数53-55
• 4.4 HCNG发动机燃气子系统建模55-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第5章 HCNG发动机动力子系统实验与建模57-68
• 5.1 有效效率与进气歧管压力的关系58-59
• 5.2 有效效率与转速的关系59-63
• 5.3 有效效率经验公式拟合63-66
• 5.4 HCNG发动机动力子系统建模66-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第6章 模型仿真与实验验证68-78
• 6.1 开环模型仿真验证68-69
• 6.2 PID闭环模型仿真验证69-72
• 6.3 外特性稳态工况仿真验证72-75
• 6.4 动态工况仿真验证75-76
• 6.5 本章小结76-78
• 第7章 总结与展望78-80
• 7.1 全文总结78-79
• 7.2 工作展望79-80
• 参考文献80-83
• 致谢83-85
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果85

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