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汽油-氢气双喷射发动机控制研究

朱国冬  
【摘要】:氢气具有优良的理化特性,其空燃比远高于汽油,能够在更为稀薄的混合气下燃烧,可以使发动机始终保持较好的燃烧状态而不发生失火。文章在GDI发动机的基础上,构建汽油-氢气缸内复合喷射控制系统,开发缸内压力实时采集系统软件,借助于电控系统标定平台,进行原机ECU和喷氢辅助控制ECU参数的在线标定试验,实现汽油-氢气双喷射发动机控制研究。文章主要研究内容如下:(1)构建了氢气直喷系统。该直喷系统主要包括氢气发生器、数字式质量流量计、共轨、喷射器、带孔的火花塞和氢气喷射控制单元等系统部件,通过带孔火花塞使氢气直接喷入缸内,基于原汽油机曲轴与凸轮轴传感器信号控制氢气喷射,形成汽油-氢气缸内直喷的双喷射发动机。为了准确计量氢气喷射量,通过试验分别确定不同压力和不同转速下喷氢流量与喷射脉宽之间的关系,并建立相应的初始map。(2)开发了缸内压力实时采集系统,基于压力传感器、电荷放大器、高速同步数据采集卡和计算机组成的硬件系统,采用LabVIEW语言开发了数据采集系统软件,实现缸内压力实时同步采集、数据存储和曲线绘制等功能。利用Matlab/Simulink分别建立了平均指示有效压力IMEP的计算模型和计算程序,可根据测量的缸压进行IMEP的离线和在线计算。(3)面向控制参数标定的试验设计。针对怠速和部分负荷工况两个典型工况设计了试验方案,前者以怠速转速和过量空气系数为保持目标,确定不同喷氢压力下的最佳喷氢时刻。后者在负荷和转速不变的条件下,以过量空气系数为被控参数,以喷氢脉宽为调节变量,确定稀燃状态下稳定燃烧的最佳掺氢比。(4)复合喷射系统控制参数的标定。以节油为目标,以排放为约束,基于能量平衡原则,在不同的发动机工况下,按照目标空燃比,通过控制喷油量和氢气喷射量来调节掺氢比,通过改变喷油正时和喷氢正时以及点火提前角,来实现可控燃烧。根据缸内压力、扭矩、总排温、油耗量、排放等试验数据的综合分析,寻求最佳控制参数。通过数据分析,在怠速工况下,100°为复合喷射系统的最佳喷氢正时;在部分负荷工况下,过量空气系数在1.0-1.5时的最佳掺氢比分别为1.99%、2.18%、3.51%、3.51%、3.56%和5.10%。


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