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稀燃天然气发动机燃烧循环变动特性及动力学特征研究

姚宝峰  
【摘要】:深入开展稀燃天然气发动机燃烧循环变动的特征参数相关性、运转因素影响规律及动力学特征研究,对于建立、完善稀燃天然气发动机燃烧循环变动数学模型及控制策略,进一步提高天然气发动机的经济性、排放性具有十分重要的理论意义和工程实用价值。 本文工作在一台稀燃天然气发动机平台上开展,首先基于多通道同步数据采集技术、直接存储器访问数据传输技术及虚拟仪器技术,开发了天然气发动机燃烧循环变动数据采集与分析系统,能够进行多通道大数据量不间断记录,满足燃烧循环变动统计特性与动力学特征分析及燃烧放热分析需要。 在此基础上通过相关系数的计算,研究了稀燃天然气发动机部分负荷工况下与压力相关的燃烧循环变动特征参数间的相关性。缸内压力峰值与缸内压力升高率峰值、缸内压力峰值与其出现时刻之间有很强的线性相关关系;而平均指示压力与缸内压力峰值、平均指示压力与缸内压力峰值出现时刻及平均指示压力与缸内压力升高率峰值这几对参数的相关性受运转参数变化的影响明显。 随后,通过计算平均指示压力变动系数研究了点火时刻对燃烧循环变动特性的影响,确定了不同工况下平均指示压力变动系数最小值所在的点火时刻,在此基础上研究了当量比、转速及节气门开度等运转参数对燃烧循环变动特性的影响。结果表明:平均指示压力变动系数随当量比、转速及节气门开度的变化均存在“敏感”区间与“不敏感”区间,连接两区间的“拐点”值随运转参数的变化而变化。对比分析了各运转参数对平均指示压力变动系数及缸内压力峰值变动系数的影响,在当量比较大、转速较低或节气门开度较大的工况下缸内压力峰值变动系数对运转参数的变化更为敏感,在小当量比、高转速或小节气门开度工况下二者表征的燃烧循环变动特性规律相似度高。 通过引入相空间重构、庞加莱映射及返回映射等非线性动力学分析方法,研究了稀燃天然气发动机燃烧循环变动的动力学特征。结果表明,使用微分坐标系将一维的缸内压力时间序列重构在三维的相空间中可以有效地将多循环缸内燃烧过程随曲轴转角变化的发展充分的展开,多角度的庞加莱映射表现出多循环燃烧过程既包含随机特性也包含确定性。平均指示压力序列的返回映射的分析结果显示,在大当量比、低转速或大节气门开度的工况下,燃烧循环变动过程主要呈现随机性;随混合气当量比、节气门开度的降低或转速的升高,燃烧循环变动过程中不仅包含随机性并且包含不断增强的确定性,具有混沌特征。


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