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氢燃料发动机燃烧与优化控制

杨振中  
【摘要】: 大气污染日趋加剧和石油资源短缺使人们比以往任何时候都清醒地意识到寻找替代的“清洁燃料”的紧迫性。氢能以其广泛存在性、永久再生性、清洁性、用途广泛性以及做为汽车发动机的众多优越性是最有前途的替代能源之一。因此,系统深入地研究氢燃料发动机不仅是一项开创性的工作,而且也无疑将为氢燃料汽车的实用化进程奠定基础。 本文综述了现有氢能的开发应用,以及氢燃料在汽车发动机上的应用技术水平。以氢燃料发动机的理论循环为基础,进行了各工作过程状态参数的计算分析,得出了描述理论循环动力性和经济性,即平均指示压力和热效率的表达式。定量地分析了有关参数对平均指示压力和热效率的影响,并与汽油机进行了理论循环参数的对比。为氢发动机实际循环的动力性和经济性的改善指明了方向。 随着计算技术的不断发展和计算机硬件水平的不断提高,内燃机的燃烧模拟计算得到了迅速的发展。燃烧模型研究已成为研究发动机燃烧过程的方便而有力的工具。但是,对氢燃料发动机燃烧模型的研究尚处于空白。本文从氢燃料的物化特性和燃烧特征着手,通过分析氢空气混合气燃烧的湍流火焰结构和燃烧化学反应动力学,基于双区燃烧模型,建立了包括双区热力学、准维湍流卷吸燃烧、湍流火焰传播速度、氢空气混合气燃烧化学反应动力学以及传热损失等模块的燃烧模型,并给出了相应的计算方法。该燃烧模型可以对有关状态参数、放热率和组分浓度等进行预测分析。预测结果与实测结果的对比表明该模型具有较好的适用性。 迄今为止,国外对氢燃烧发动机的研究方兴未艾,国内也对氢-汽油混合燃料发动机进行了有关研究,但并不多见。而对纯氢发动机全面系统的研究尚有待于深入进行。本文在对氢-汽油混合燃料发动机试验研究的基础上,系统地研究了氢发动机混合气形成方式,结构参数和运转参数对氢发动机混合气形成和燃烧的影响。剖析了氢发动机的异常燃烧机理和NO_经X产生的机理,总结了异常燃烧和NO_X的抑制技术。指出了采用内部混合气形成方式且高压喷射的氢发动机,有利于提高充气效率和压缩比,从而改善发动机的动力性和经济性;有利于扩展发动机正常工作的浓度范围;并且有利于实现稀薄混合气快速燃烧,从而可以有效地抑制早燃、回火及爆燃等异常燃烧和NO_X排放量。试验指出了发动机的点火正时、喷射正时及喷氢量对发动机的性能、异常燃烧、NO_X排放量有很大影响。对它们进行优化控制是全面改进氢发动机性能的关键技术。 汽油机的电控技术水平日臻完善,传统控制方法的不断发展,智能控制技术的日趋活跃,均为氢燃料发动机的优化控制奠定了基础。但是氢发动机的优化控制技术研究工作开展的甚少。本文给出了氢发动机的优化控制策略,提出了在不同工况区,选择不同性能指标做为主要性能指标,同时兼顾其他性能指标的优化思想。建立了以点火提前角、喷氢提前角和喷氢量为控制变量,分别以动力性、经济性为性能指标泛函,以模糊神经网络模型为求解工具的最优控制模型。通过系统软硬件的设计,实现了以模糊神经网络控制器和点火提前角转速自适应控制器串联组成的开闭环相结合的双模式控制方式用以对控制变量进行分级控制(粗控和精控)。用改进的模糊神经网络模型进行了仿真研究。仿真计算结果表明网络运行时间较短,并与试验研究结果的对比分析给出了最佳点火提前角计算值的均方差为0.381℃A,最大绝对误差小于1℃A,最大相对误差小于5%,可见计算精度较高。从而也表明了用该模糊神经网络求解本文提出的氢发动机的最优控制模型的可行性和优越性。


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