煤层气发动机空燃比控制关键技术研究

论文摘要

煤层气发动机在运行过程中经常因为煤层气浓度、压力、温度等参数变化以及煤层气发动机工况的改变而引起空燃比波动,造成发动机运行不稳定、甚至熄火。因此,开展煤层气发动机空燃比控制关键技术研究,对保障发动机稳定运行,提高煤层气的利用效率,降低煤层气排放造成的污染程度,以及推进节能减排工作具有重大的现实意义和实际应用价值。本文首先针对煤层气参数及煤层气发动机工况变化所引起的空燃比波动问题,对煤层气发动机燃气混合器进行了结构优化设计。优化过程中根据流体力学原理建立了混合器煤层气阀模型,并对其流量特性进行了研究分析,同时采用分段线性建模方法设计了具有准线性流量特性的燃气混合器煤层气阀。提高了空燃比控制响应速度,确保了空燃比控制的准确性和实时性。其次,在借鉴现有燃油发动机平均值模型的基础上,结合所研究的预混式煤层气发动机结构特点,建立了包括燃气形成子系统、进气子系统和曲轴动力输出子系统三个部分的预混式煤层气发动机平均值模型,并利用Simulink软件建立了仿真模型,为后续煤层气发动机空燃比控制策略的仿真研究奠定了坚实基础。再次,为减小煤层气中甲烷浓度变化及供气管道甲烷浓度传感器存在的大时滞问题对空燃比控制产生的不利影响,提出了一种合理的煤层气发动机供气系统流量控制方案。通过供气管道合理设计和布置,减小了甲烷传感器大时滞造成的不利影响。在此基础上建立了煤层气供气系统流量控制模型,并对基于增量式PID和模糊PID的煤层气供气系统流量控制策略进行了研究和仿真。一定程度上抑制了煤层气组分变化对空燃比控制造成的影响,为煤层气发动机的稳定运行奠定了基础。最后,在分析煤层气发动机空燃比控制特点的基础上,针对发动机工况变化导致的空燃比波动问题,提出了一种适合预混式煤层气发动机的空燃比分工况差别控制方案。根据该控制方案分别对基于增量式PID控制和模糊PID控制的煤层气发动机过渡工况及稳定工况的空燃比控制策略进行了研究,并利用所建煤层气发动机模型对其空燃比控制过程进行了仿真研究,取得了良好的控制效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及其研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 燃气发动机国外研究状况
• 1.2.2 燃气发动机国内研究状况
• 1.3 论文的内容主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 煤层气发动机燃气混合器优化设计
• 2.1 煤层气发动机燃气混合器结构及功能
• 2.2 长方形煤层气阀建模与流量特性分析
• 2.2.1 长方形煤层气阀建模
• 2.2.2 长方形煤层气阀流量特性分析
• 2.3 准线性流量特性阀型线设计
• 2.3.1 煤层气阀小开度段型线设计
• 2.3.2 煤层气阀大开度段型线设计
• 2.4 煤层气阀口优化后流量特性仿真分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 煤层气发动机仿真模型构建
• 3.1 煤层气发动机建模概述
• 3.2 燃气形成子系统建模
• 3.3 进气子系统建模
• 3.3.1 节气门处燃气流量模型
• 3.3.2 进气歧管模型
• 3.3.3 气缸充气效率模型
• 3.4 曲轴动力输出子系统建模
• 3.4.1 曲轴动力学模型
• 3.4.2 发动机热效率
• 3.4.3 过量空气系数模型
• 3.5 基于Simulink的煤层气发动机平均值模型
• 3.6 本章小结
• 第四章 煤层气供气系统建模与控制策略研究
• 4.1 煤层气供气系统流量控制方案
• 4.2 煤层气供气管道优化设计
• 4.3 煤层气供气系统流量控制建模
• 4.3.1 进气量调节器理论流量决策机理模型建立
• 4.3.2 流量控制蝶阀建模
• 4.3.3 蝶阀控制步进电机建模
• 4.4 煤层气供气系统流量控制策略研究
• 4.4.1 增量式PID控制策略研究
• 4.4.2 模糊PID控制策略研究
• 4.4.3 模糊PID控制器设计
• 4.5 系统仿真与结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 煤层气发动机空燃比控制策略研究
• 5.1 煤层气发动机空燃比控制方案
• 5.1.1 煤层气发动机空燃比控制特点
• 5.1.2 空燃比控制方案
• 5.2 基于增量式PID的空燃比控制策略
• 5.2.1 过渡工况增量式PID控制策略
• 5.2.2 稳定工况增量式PID控制策略
• 5.3 基于模糊PID控制的空燃比策略
• 5.3.1 过渡工况模糊PID控制策略
• 5.3.2 稳定工况模糊PID控制策略
• 5.4 系统仿真与结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参与的科研项目