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基于信号处理的氢燃料发动机优化控制

王丽君  
【摘要】:环保意识增强和石油资源短缺促使在世界范围内寻找―清洁能源‖的持续升温,氢能以其清洁、高效、可再生等特点受到了广泛关注,正在登上21世纪能源舞台,并有望成为主角,人们对其发展前景充满了期待。氢作为内燃机的燃料有众多优越性使其成为最有前景的替代能源之一。但是,由于氢燃料与石油燃料的物化特性有着明显的差异,在氢燃料发动机工作过程中容易出现早燃、回火等异常燃烧和发动机功率下降问题,解决异常燃烧与提高氢发动机的功率之间的矛盾是推动氢发动机研究进展与技术进步的关键。 本文综述了国内外氢能及氢燃料汽车的研究历程及技术状况,燃料电池汽车的发展及技术水平,简要分析了氢燃料内燃机的特点与发展关键,提出氢燃料内燃机汽车将先于燃料电池电动汽车进入市场。表明对氢燃料汽车发动机的研究具有重要的科学意义和应用前景。 论文中进行了氢燃料发动机电控试验系统设计和电控系统软硬件开发,提出了协调解决异常燃烧与提高氢发动机功率,改善燃烧效率的优化控制思想与策略。为研究氢燃料发动机的燃烧特征与优化控制提供了实验基础。 在氢发动机多方面参量的权衡和优化控制方面,进行了深入的实验研究,主要包括汽油机加氢后发动机排放特性及动力性、经济性的关系,加氢量与工况变化间的关系,喷射正时、点火正时、压缩比、过量空气系数等重要运转参数与氢发动机燃烧规律的关系,给出了详实的实验数据,提出优化控制喷氢时刻和点火时刻对改善发动机性能起着关键作用。以上成果对于发动机优化控制有重要参考价值。 深入研究了氢发动机早燃、回火、燃烧循环变动等异常燃烧机理,氢发动机的异常燃烧之间的关系,指出早燃和回火一般发生在以外部混合气形成方式的氢发动机上。回火在较浓混合气浓度和较稀混合气浓度的工况下都可能发生,早燃可以向回火转换,氢燃料发动机的燃烧循环变动现象比其它燃料发动机较为明显。综述了氢发动机的异常燃烧抑制技术。 在解决氢发动机早燃和回火的技术难题方面,提出了一种优化调整点火正时角度及进气管喷水量的新方法,不仅较好地解决了这一问题,而且兼顾氢发动机动力性及经济性。 在氢发动机燃烧过程的建模与优化控制方面,首次引入非线性控制系统状态空间分析方法,并将其与质量传递、能量传递等热力学分析方法相结合,在此基础上给出了氢燃料发动机非线性燃烧控制系统的状态空间模型,并讨论了状态空间表达式的线性化、能控性、稳定性等问题。成功地实现了状态空间模型与氢发动机主要运转参数及性能指标表达的最优控制模型间的等价转换,本项理论成果对于发动机的优化控制,特别是解决异常燃烧与提高氢发动机的功率之间的矛盾,奠定了重要的理论分析与实验研究基础。 在燃烧控制模型的优化设计方面,针对在多工况、多目标、多变量、多约束的情况下求解点火正时、喷氢正时等最优化设计问题,首次将非线性规划理论和多目标遗传算法相结合,成功地将多目标优化控制转变为单目标的优化控制,为解决氢燃料发动机多工况、多目标、多变量、多约束的优化控制问题的集成化开辟了新途径。 在氢发动机的异常燃烧诊断方面,首次提出用提升小波变换和经验模态分解方法对早燃这种异常燃烧进行分析和研究,为早燃的早期诊断提供有用的信息。通过将Harr小波变换与提升小波变化对比,发现二者变换结果相近,能够较准确地表征原始信号的特征,但提升小波变换具有不依赖傅里叶变换,结构、算法更简单,计算速度快,计算时无需额外的存储开销等优点。鉴于经验模态分解与建立在先验性的谐波基函数的傅里叶分解和基于小波基函数的小波分解方法相比,具有直观、后验和自适应的特点,本章又采用经验模态分解方法对正常燃烧与早燃信号进行对比分析,结果表明:EMD可以方便将把燃烧压力信号特征在不同的分辨率下显示出来,相对于小波变换,能更准确的反映原始信号的特性,为早燃的早期诊断及鉴别提供了有价值的依据。 在氢发动机的测试手段方面,设计了一套基于LabVIEW的氢发动机传感器信号检测系统,该系统可以方便地实现被测信号的监测、分析、处理、显示和存贮,解决了传统的发动机测试系统无法实现的传感器信号的图形显示和分析等问题,具有较高的实用价值。


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