汽油機(jī)加速瞬態(tài)工況燃燒規(guī)律及控制方法研究結(jié)題摘要

汽車在實(shí)際使用中，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于怠速、起動(dòng)、加速和減速等瞬態(tài)工況，造成的環(huán)境污染更加嚴(yán)重。為滿足日益嚴(yán)格的汽車排放法規(guī)，空燃比必須控制在三效催化器最有效的區(qū)域內(nèi)。在瞬態(tài)工況下，由于節(jié)氣門突變、氧傳感器傳輸延遲時(shí)間等諸多因素的存在使得空燃比控制出現(xiàn)偏差，從而大大影響三效催化轉(zhuǎn)化效率。 本項(xiàng)目主要針對(duì)進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射汽油機(jī)瞬態(tài)工況下空燃比的波動(dòng)進(jìn)行研究，構(gòu)建了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣子模型、油膜動(dòng)態(tài)子模型及動(dòng)力輸出子模型，進(jìn)而形成完整的空燃比均值模型；并且該均值模型是非線性模型，具有精度高、表達(dá)式簡(jiǎn)單，能夠適應(yīng)空燃比控制過程的實(shí)時(shí)性要求。在進(jìn)氣子模型中，本項(xiàng)目采用混沌優(yōu)化RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)進(jìn)氣流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，將進(jìn)氣流量預(yù)測(cè)模型引入到瞬態(tài)工況空燃比反饋控制策略中有利于提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。對(duì)瞬態(tài)工況油膜動(dòng)態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了汽油機(jī)瞬態(tài)工況油膜參數(shù)的混沌徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)模型，并對(duì)油膜模型參數(shù)進(jìn)行在線辨識(shí)；有效地提高了油膜參數(shù)辨識(shí)精確度，為汽油機(jī)瞬態(tài)工況精確地油膜補(bǔ)償提供了有力的根據(jù)。分析空燃比偏差產(chǎn)生的原因，并且提出了基于油膜參數(shù)辨識(shí)模型的燃油動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模型，有效地解決了油膜濕壁效應(yīng)引起的瞬態(tài)空燃比偏差難題，為提高瞬態(tài)空燃比控制的精確度奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。最后針對(duì)實(shí)際瞬態(tài)空燃比控制過程中，氧傳感器存在傳輸時(shí)滯，常規(guī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢，無法適用于實(shí)時(shí)性要求極高的瞬態(tài)空燃比控制等問題，設(shè)計(jì)了基于非線性組合預(yù)測(cè)模型的混沌優(yōu)化復(fù)合自適應(yīng)反饋控制器，有效地提高控制系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)性，解決了氧傳感器反饋信號(hào)存在延時(shí)等諸多的問題，減少了汽油機(jī)電控系統(tǒng)開發(fā)過程中標(biāo)定試驗(yàn)的工作量，提高了汽油機(jī)瞬態(tài)空燃比控制的精確度、實(shí)時(shí)性及魯棒性，使反饋控制策略成功地應(yīng)用于瞬態(tài)空燃比控制中。 本項(xiàng)目采用了試驗(yàn)仿真與臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證的方法對(duì)本控制策略進(jìn)行有效地驗(yàn)證；試驗(yàn)結(jié)果表明了本項(xiàng)目建立的空燃比控制模型具有較高的精確度且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠滿足空燃比實(shí)時(shí)控制的要求。為提高汽油機(jī)燃油利用率，降低排放量提供新的原理和方法，具有較大的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

首先建立完善的汽油機(jī)加速瞬態(tài)工況動(dòng)態(tài)模型，包括進(jìn)排氣特征模型、油膜蒸發(fā)模型等。然后模擬汽油機(jī)實(shí)際工作時(shí)的加速狀態(tài)，對(duì)其燃燒特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究汽油機(jī)加速瞬態(tài)工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)及其變化率與燃燒參數(shù)的關(guān)系；探討燃燒參數(shù)的瞬態(tài)特性；研究汽油機(jī)加速瞬態(tài)工況下的進(jìn)氣、噴油及放熱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；研究汽油機(jī)加速瞬態(tài)工況下排放指標(biāo)的最敏感參數(shù)（空燃比）的變化規(guī)律以及油膜變化對(duì)其影響規(guī)律。最后針對(duì)實(shí)際瞬態(tài)空燃比控制過程中，氧傳感器存在傳輸時(shí)滯，常規(guī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢，無法適用于實(shí)時(shí)性要求極高的瞬態(tài)空燃比控制等問題，設(shè)計(jì)基于混沌優(yōu)化的復(fù)合自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器優(yōu)化汽油機(jī)加速瞬態(tài)空燃比，進(jìn)而研究汽油機(jī)加速瞬態(tài)工況下的燃燒規(guī)律，證實(shí)其控制方法的有效性。該項(xiàng)目旨在為尋找汽油機(jī)加速瞬態(tài)燃燒規(guī)律、優(yōu)化瞬態(tài)空燃比和降低排放奠定理論基礎(chǔ)，為提高汽油機(jī)燃油利用率，降低排放量提供新的原理和方法，具有較大的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

內(nèi)燃機(jī)在瞬態(tài)加速時(shí)的噪聲比同負(fù)荷、同轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)工況高幾個(gè)分貝。本研究以直噴式柴油機(jī)為對(duì)象，建立燃燒噪聲的二級(jí)影響模型，從瞬態(tài)工況對(duì)燃燒過程氣體動(dòng)力載荷、高頻壓力震蕩等方面的影響入手，定量揭示瞬態(tài)工況對(duì)燃燒噪聲的影響機(jī)理。本項(xiàng)目以燃燒學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、聲學(xué)理論為指導(dǎo)，為低噪聲燃燒過程優(yōu)化和內(nèi)燃機(jī)降噪技術(shù)提供了新理論和技術(shù)。

通過該項(xiàng)目的系統(tǒng)研究，深入認(rèn)識(shí)了柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)工況、瞬態(tài)工況的排氣顆粒數(shù)量及粒徑分布規(guī)律；系統(tǒng)探索了柴油機(jī)燃用生物柴油、低硫柴油、低芳烴柴油、GTL 合成柴油的排氣顆粒質(zhì)量及組分特性、顆粒數(shù)量及粒徑分布規(guī)律；對(duì)柴油轎車瞬態(tài)工況的排氣顆粒數(shù)量及粒徑分布規(guī)律進(jìn)行了探索。 (1) 穩(wěn)態(tài)工況：柴油機(jī)排氣顆粒數(shù)量的粒徑分布呈現(xiàn)明顯的單峰或雙峰對(duì)數(shù)分布形態(tài)，較小粒徑的核態(tài)顆粒數(shù)量與較大粒徑的聚集態(tài)顆粒數(shù)量存在“蹺蹺板”現(xiàn)象。在大多數(shù)情況下，隨著負(fù)荷增加，核態(tài)顆粒數(shù)量逐漸下降，聚集態(tài)顆粒數(shù)量呈上升趨勢(shì)。聚集態(tài)顆粒數(shù)量與排氣煙度變化存在較高程度的正相關(guān)性。(2) 燃料特性：(a)隨燃油硫含量、芳烴含量的降低，核態(tài)顆粒和聚集態(tài)顆粒數(shù)量大都同步下降，低硫含量減少了以核態(tài)顆粒形態(tài)排出的硫酸鹽類，以碳煙顆粒為主的聚集態(tài)顆粒數(shù)量也有所降低。低芳烴含量則導(dǎo)致以碳煙顆粒為主的聚集態(tài)顆粒數(shù)量減少，也有利于降低SOF 排放，促使核態(tài)顆粒數(shù)量降低。(b)隨生物柴油配比增加，在絕大多數(shù)工況下，降低了聚集態(tài)顆粒的數(shù)量，增加了核態(tài)顆粒的數(shù)量。(c)隨GTL柴油配比增加，核態(tài)顆粒數(shù)量和聚集態(tài)顆粒數(shù)量大都下降。(3) 瞬態(tài)工況：(a)減轉(zhuǎn)矩工況下，聚集態(tài)顆粒數(shù)量下降，核態(tài)顆粒數(shù)量持續(xù)上升。噴油量突減與缸內(nèi)空燃比迅速增加，導(dǎo)致煙度和聚集態(tài)顆粒數(shù)量迅速下降，缸內(nèi)溫度降低，顆粒成核作用增強(qiáng)，核態(tài)顆粒數(shù)量持續(xù)上升。(b)增轉(zhuǎn)矩工況下，噴油量瞬時(shí)突增導(dǎo)致缸內(nèi)局部油氣混合質(zhì)量急劇惡化，以碳煙顆粒為主的聚集態(tài)顆粒數(shù)量上升，而核態(tài)顆粒數(shù)量則在瞬態(tài)初期突然增加出現(xiàn)峰值后迅速下降。因?yàn)楹笃诟變?nèi)溫度不斷提高，SOF排放量減少導(dǎo)致核態(tài)顆粒數(shù)量下降。(c)增轉(zhuǎn)速工況下，低轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)速突增，其核態(tài)顆粒數(shù)量迅速上升；中轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)速突增，油氣混合的質(zhì)量瞬時(shí)惡化，從而導(dǎo)致以碳煙顆粒為主的聚集態(tài)顆粒持續(xù)上升；高轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)速突增，缸內(nèi)本來就處于局部瞬時(shí)混合氣過濃狀態(tài)，導(dǎo)致瞬時(shí)出現(xiàn)了更高的煙度值。(d)柴油轎車在NEDC 循環(huán)加速階段，排氣總顆粒數(shù)量增大，聚集態(tài)顆粒和核態(tài)顆粒數(shù)量均有所升高；在NEDC 循環(huán)減速階段，聚集態(tài)顆粒數(shù)量降低，但核態(tài)顆粒數(shù)量卻有所升高且占主導(dǎo)地位。 針對(duì)以上研究成果，已發(fā)表或錄用相關(guān)論文24篇（已發(fā)表SCI 期刊論文2 篇；已發(fā)表EI 期刊論文8篇；已錄用EI 期刊論文4篇），在審SCI 期刊論文5篇、EI 期刊論文3篇。

排氣顆粒數(shù)量正在成為未來汽車法規(guī)控制的對(duì)象，而車用柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)多處于瞬態(tài)工況，研究柴油機(jī)瞬態(tài)工況顆粒數(shù)量排放及粒徑分布規(guī)律，用于排氣顆粒數(shù)量的控制研究，具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。本項(xiàng)目以柴油機(jī)瞬態(tài)工況的排氣顆粒數(shù)量為主要對(duì)象，進(jìn)行顆粒數(shù)量排放及粒徑分布規(guī)律的基礎(chǔ)科學(xué)研究。重點(diǎn)研究柴油機(jī)兩類典型瞬態(tài)工況（轉(zhuǎn)矩瞬變和轉(zhuǎn)速瞬變）的顆粒數(shù)量排放特性?；诓煌矐B(tài)工況模式（轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速瞬變工況的遞增和遞減模式，不同轉(zhuǎn)矩變化率和不同轉(zhuǎn)速變化率）的柴油機(jī)性能和燃燒特性，探索瞬態(tài)工況下空燃比和燃燒參數(shù)對(duì)排氣顆粒數(shù)量及粒徑分布特性的影響規(guī)律。研究柴油機(jī)燃用不同硫含量燃油的瞬態(tài)顆粒數(shù)量排放及粒徑分布特性，揭示燃油硫含量對(duì)瞬態(tài)工況顆粒數(shù)量排放特性的影響機(jī)制。本項(xiàng)目旨在促進(jìn)柴油機(jī)瞬態(tài)排氣顆粒特性的基礎(chǔ)研究，深入認(rèn)識(shí)瞬態(tài)工況的排氣顆粒數(shù)量及粒徑分布規(guī)律，為柴油機(jī)瞬態(tài)工況排氣顆粒的危害控制提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。