汽油机油膜动态效应及瞬态空燃比控制的研究

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1、华中科技大学硕士学位论文汽油机油膜动态效应及瞬态空燃比控制的研究姓名：舒咏强申请学位级别：硕士专业：动力机械及工程指导教师：李顶根20090525华中科技大学硕士学位论文1）当燃油组分中轻馏分越多，气态的燃油越多；2）喷射角度对准进气门时，液态燃油及油膜质量教少；3）冷却水温度越高、喷射时间越提前，气态的燃油越多。随着控制理论的不断发展，电喷汽油机空燃比控制的研究也得到了较大发展，基于模型的控制技术在发动机空燃比控制中得到了应用。Onder等人[20]在一个等温均值模型的基础上采用线性二次调节器控制理论对空燃比进行控制研究，空燃比控制试

2、验结果表明怠速工况下实际空燃比控制偏差在±5%之内。但是采用线性二次调节器控制需要十分精确的物理模型，且在系统模型不确定时，此法鲁棒性较差。AlOlimat等人[21]在进气道油膜蒸发动态模型的基础上，采用模糊控制理论设计了一个自校正调节器对空燃比进行控制，仿真结果表明采用该自校正调节器的空燃比控制偏差在理论空燃比的±0.5%范围之内。ElbertHendricks等人[22]构建了一种基于进气“充、排气”效应的进气量非线性观测器，通过在CFI和MPI发动机上的空燃比控制实验显示，运行在闭环状态下的非线性观测器比开环（前馈）更不易受影响

3、。Shinsuke等人[23]研究了基于实际进气预测的空燃比控制策略，还研究了不同工况条件下的油膜动态效应的补偿策略，并结合空燃比控制试验证明了该控制策略的可行性。CesareAlippi等人[24]分析了燃烧的非线性以及空燃比对发动机小扰动的敏感性等问题，在此基础之上开发了一种基于神经网络的模型控制，并通过发动机的仿真结果证实了该神经网络模型的有效性。国内，汽油机瞬态空燃比控制的研究近年来才开始起步，目前大都是在国家自然科学基金支持下展开相关研究。具有代表性的有：天津大学谢晖等人开展的车用汽油机闭环反馈控制方法的基础研究，长沙理工大学

4、的吴义虎等人开展的基于信息融合的汽油机过渡工况空燃比控制方法研究[25][26][27]。1.4课题研究内容从上述国内外对进气道多点喷射的油膜现象及瞬态空燃比分析控制的研究来看，燃油喷射雾化过程对油膜形成的影响、油膜形状及质量分布对蒸发的影响、进气道及气道口气流等环境参数对油膜蒸发的影响、油膜动态蒸发过程对瞬态空燃比控制的影响是进气道多点喷射瞬态空燃比控制精度无法进一步提高的本质原因，也是研究重点。为此本课题以某进气道多点喷射汽油机为研究对象，从进气道油膜动态效应入手展开研究，主要研究内容如下：1)油膜形成与蒸发过程分析5华中科技大学硕

5、士学位论文对进气道喷油及油膜形成过程仿真模拟，研究油膜形成过程、油膜形状及质量分布影响因素以及对混合气形成时间、品质的影响；分析喷射参数（包括喷射锥角、喷射高度、喷嘴直径、喷油脉宽、喷射压力）、进气道壁面条件（包括壁温以及壁面粗糙度）、进气条件（包括进气流速）等因素对油膜形成及蒸发的具体影响。2)油膜动态效应建模以及模型参数辨识研究油膜动态效应建模，并结合系统辨识理论以及瞬态油膜模型特点，展开油膜模型参数辨识算法的研究。最小二乘法是一种较为常用的辨识算法，针对瞬态油膜模型特点可衍生出多种辨识算法，包括考虑随机误差相关性的夏氏偏差修正法，

6、分别就两种辨识算法优缺点分析，在此基础之上制定辨识算法获取油膜模型参数。3)瞬态空燃比控制策略研究建立进气相关模型，验证进气模型，并对进气过程瞬态工况下“充、排气”效应进行仿真研究；仿真分析油膜动态效应对喷油的影响，在此基础上建立油膜补偿模型，对模型参数仿真标定，并结合油膜模型展开基于神经网络模型的喷油脉宽预测以及瞬态空燃比控制地研究。6华中科技大学硕士学位论文2附壁油膜形成过程模拟分析电控多点喷射汽油机混合气形成方式为进气道预混，由于喷射压力较低（喷射压力250kPa~400kPa），雾化效果较差。通常由喷油器喷出燃油直接雾化部分仅仅

7、占喷油量的10%~20%，其余大部分碰撞或是沉积至进气道壁面，形成附壁油膜。附壁油膜的动态效应极大地影响着对喷油量的控制，进而影响瞬态工况空燃比控制精度，对瞬态空燃比控制的重要意义不言而喻。对进气道喷射及附壁油膜的精确模拟有助于从其本质分析附壁油膜形成、形状及质量分布以及蒸发等重要问题。附壁油膜形成过程的模拟，包括对燃油喷射、雾化、破碎、碰撞、沉积以及蒸发的模拟。本章以某进气道多点喷射汽油机为研究对象，对其进气道建模并结合CFD模拟分析软件Fluent对进气道内喷油及附壁油膜形成过程进行模拟，并比较不同喷射参数、壁面条件以及进气条件对油

8、膜形状质量分布及蒸发的影响。1.4三维模型与模拟计算模型2.1.1进气道三维模型进气道三维造型采用UG软件建立，所建立的进气道模型为双进气道形式。第一计算模型为无进气流动，进气门为关闭；为后续研究进气过程对