汽油機加速瞬態(tài)工況燃燒規(guī)律及控制方法研究項目摘要

首先建立完善的汽油機加速瞬態(tài)工況動態(tài)模型，包括進排氣特征模型、油膜蒸發(fā)模型等。然后模擬汽油機實際工作時的加速狀態(tài)，對其燃燒特性進行試驗研究。研究汽油機加速瞬態(tài)工況下的運轉參數及其變化率與燃燒參數的關系；探討燃燒參數的瞬態(tài)特性；研究汽油機加速瞬態(tài)工況下的進氣、噴油及放熱的動態(tài)響應；研究汽油機加速瞬態(tài)工況下排放指標的最敏感參數（空燃比）的變化規(guī)律以及油膜變化對其影響規(guī)律。最后針對實際瞬態(tài)空燃比控制過程中，氧傳感器存在傳輸時滯，常規(guī)神經網絡收斂速度慢，無法適用于實時性要求極高的瞬態(tài)空燃比控制等問題，設計基于混沌優(yōu)化的復合自適應神經網絡控制器優(yōu)化汽油機加速瞬態(tài)空燃比，進而研究汽油機加速瞬態(tài)工況下的燃燒規(guī)律，證實其控制方法的有效性。該項目旨在為尋找汽油機加速瞬態(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，為提高汽油機燃油利用率，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用價值。

汽車在實際使用中，發(fā)動機經常處于怠速、起動、加速和減速等瞬態(tài)工況，造成的環(huán)境污染更加嚴重。為滿足日益嚴格的汽車排放法規(guī)，空燃比必須控制在三效催化器最有效的區(qū)域內。在瞬態(tài)工況下，由于節(jié)氣門突變、氧傳感器傳輸延遲時間等諸多因素的存在使得空燃比控制出現偏差，從而大大影響三效催化轉化效率。 本項目主要針對進氣道多點噴射汽油機瞬態(tài)工況下空燃比的波動進行研究，構建了發(fā)動機進氣子模型、油膜動態(tài)子模型及動力輸出子模型，進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、表達式簡單，能夠適應空燃比控制過程的實時性要求。在進氣子模型中，本項目采用混沌優(yōu)化RBF神經網絡對進氣流量進行預測，將進氣流量預測模型引入到瞬態(tài)工況空燃比反饋控制策略中有利于提高控制系統(tǒng)的實時性。對瞬態(tài)工況油膜動態(tài)效應進行了詳細分析，提出了汽油機瞬態(tài)工況油膜參數的混沌徑向基神經網絡辨識模型，并對油膜模型參數進行在線辨識；有效地提高了油膜參數辨識精確度，為汽油機瞬態(tài)工況精確地油膜補償提供了有力的根據。分析空燃比偏差產生的原因，并且提出了基于油膜參數辨識模型的燃油動態(tài)補償模型，有效地解決了油膜濕壁效應引起的瞬態(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的基礎。最后針對實際瞬態(tài)空燃比控制過程中，氧傳感器存在傳輸時滯，常規(guī)神經網絡收斂速度慢，無法適用于實時性要求極高的瞬態(tài)空燃比控制等問題，設計了基于非線性組合預測模型的混沌優(yōu)化復合自適應反饋控制器，有效地提高控制系統(tǒng)的自學習、自適應性，解決了氧傳感器反饋信號存在延時等諸多的問題，減少了汽油機電控系統(tǒng)開發(fā)過程中標定試驗的工作量，提高了汽油機瞬態(tài)空燃比控制的精確度、實時性及魯棒性，使反饋控制策略成功地應用于瞬態(tài)空燃比控制中。 本項目采用了試驗仿真與臺架試驗驗證的方法對本控制策略進行有效地驗證；試驗結果表明了本項目建立的空燃比控制模型具有較高的精確度且結構簡單，能夠滿足空燃比實時控制的要求。為提高汽油機燃油利用率，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用價值。

內燃機在瞬態(tài)加速時的噪聲比同負荷、同轉速的穩(wěn)態(tài)工況高幾個分貝。本研究以直噴式柴油機為對象，建立燃燒噪聲的二級影響模型，從瞬態(tài)工況對燃燒過程氣體動力載荷、高頻壓力震蕩等方面的影響入手，定量揭示瞬態(tài)工況對燃燒噪聲的影響機理。本項目以燃燒學、空氣動力學、聲學理論為指導，為低噪聲燃燒過程優(yōu)化和內燃機降噪技術提供了新理論和技術。

通過該項目的系統(tǒng)研究，深入認識了柴油機穩(wěn)態(tài)工況、瞬態(tài)工況的排氣顆粒數量及粒徑分布規(guī)律；系統(tǒng)探索了柴油機燃用生物柴油、低硫柴油、低芳烴柴油、GTL 合成柴油的排氣顆粒質量及組分特性、顆粒數量及粒徑分布規(guī)律；對柴油轎車瞬態(tài)工況的排氣顆粒數量及粒徑分布規(guī)律進行了探索。 (1) 穩(wěn)態(tài)工況：柴油機排氣顆粒數量的粒徑分布呈現明顯的單峰或雙峰對數分布形態(tài)，較小粒徑的核態(tài)顆粒數量與較大粒徑的聚集態(tài)顆粒數量存在“蹺蹺板”現象。在大多數情況下，隨著負荷增加，核態(tài)顆粒數量逐漸下降，聚集態(tài)顆粒數量呈上升趨勢。聚集態(tài)顆粒數量與排氣煙度變化存在較高程度的正相關性。(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)顆粒數量也有所降低。低芳烴含量則導致以碳煙顆粒為主的聚集態(tài)顆粒數量減少，也有利于降低SOF 排放，促使核態(tài)顆粒數量降低。(b)隨生物柴油配比增加，在絕大多數工況下，降低了聚集態(tài)顆粒的數量，增加了核態(tài)顆粒的數量。(c)隨GTL柴油配比增加，核態(tài)顆粒數量和聚集態(tài)顆粒數量大都下降。(3) 瞬態(tài)工況：(a)減轉矩工況下，聚集態(tài)顆粒數量下降，核態(tài)顆粒數量持續(xù)上升。噴油量突減與缸內空燃比迅速增加，導致煙度和聚集態(tài)顆粒數量迅速下降，缸內溫度降低，顆粒成核作用增強，核態(tài)顆粒數量持續(xù)上升。(b)增轉矩工況下，噴油量瞬時突增導致缸內局部油氣混合質量急劇惡化，以碳煙顆粒為主的聚集態(tài)顆粒數量上升，而核態(tài)顆粒數量則在瞬態(tài)初期突然增加出現峰值后迅速下降。因為后期缸內溫度不斷提高，SOF排放量減少導致核態(tài)顆粒數量下降。(c)增轉速工況下，低轉矩時轉速突增，其核態(tài)顆粒數量迅速上升；中轉矩時轉速突增，油氣混合的質量瞬時惡化，從而導致以碳煙顆粒為主的聚集態(tài)顆粒持續(xù)上升；高轉矩時轉速突增，缸內本來就處于局部瞬時混合氣過濃狀態(tài)，導致瞬時出現了更高的煙度值。(d)柴油轎車在NEDC 循環(huán)加速階段，排氣總顆粒數量增大，聚集態(tài)顆粒和核態(tài)顆粒數量均有所升高；在NEDC 循環(huán)減速階段，聚集態(tài)顆粒數量降低，但核態(tài)顆粒數量卻有所升高且占主導地位。 針對以上研究成果，已發(fā)表或錄用相關論文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。

排氣顆粒數量正在成為未來汽車法規(guī)控制的對象，而車用柴油機實際運行時多處于瞬態(tài)工況，研究柴油機瞬態(tài)工況顆粒數量排放及粒徑分布規(guī)律，用于排氣顆粒數量的控制研究，具有重要科學意義和應用價值。本項目以柴油機瞬態(tài)工況的排氣顆粒數量為主要對象，進行顆粒數量排放及粒徑分布規(guī)律的基礎科學研究。重點研究柴油機兩類典型瞬態(tài)工況（轉矩瞬變和轉速瞬變）的顆粒數量排放特性?；诓煌矐B(tài)工況模式（轉矩和轉速瞬變工況的遞增和遞減模式，不同轉矩變化率和不同轉速變化率）的柴油機性能和燃燒特性，探索瞬態(tài)工況下空燃比和燃燒參數對排氣顆粒數量及粒徑分布特性的影響規(guī)律。研究柴油機燃用不同硫含量燃油的瞬態(tài)顆粒數量排放及粒徑分布特性，揭示燃油硫含量對瞬態(tài)工況顆粒數量排放特性的影響機制。本項目旨在促進柴油機瞬態(tài)排氣顆粒特性的基礎研究，深入認識瞬態(tài)工況的排氣顆粒數量及粒徑分布規(guī)律，為柴油機瞬態(tài)工況排氣顆粒的危害控制提供理論基礎和科學依據。