天然气掺氢发动机平均值模型建模与验证

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1、天然气掺氢发动机平均值模型建模与验证(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：汽车工程系学科：：动力工程及工程热物理研究生：熊兴旺指导教师:赵淑莉副教授二○一五年五月ModelingandValidationofHCNGMeanValueEngineModelThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsbyXiongXingwangThesisSup

2、ervisor:ViceProfessorZhaoShuliMay,2015摘要摘要随着汽车工业快速发展，传统内燃机汽车带来了一系列能源和环境问题。HCNG发动机具有超低排放、高效率两大突出优点，是传统内燃机的理想替代方案。发动机电控系统的研发，普遍应用基于模型的“V型”开发模式，燃气发动机异于燃油发动机，针对传统燃油发动机的模型不能直接用于燃气发动机，建立专门针对HCNG发动机的仿真模型具有重要的学术和工程应用价值。本文针对燃气发动机进气子系统、燃气子系统和动力子系统进行了试验研究、公式拟合以及平均值模型建模与仿真。本文进行了天然气发动机试验，研究了流经节气门的混合气流量、进气歧管压力、转

3、速、节气门开度等几个参数间的关系，得到了3个经验公式，在稳态工况下将计算结果与实验数据进行了对比。针对HCNG发动机0、20%、55%三种掺氢比，通过试验研究得到了与潍柴天然气发动机一致的进气规律。将其中两个拟合公式各项系数构造为与掺氢比有关的函数，用该函数预测30%掺氢比时拟合公式的系数，将系数代入拟合公式后的计算结果与实验数据吻合较好。研究发现：在相同发动机转速条件下，有效扭矩与进入气缸的混合气流量存在着较明显的线性关系，Pman∙ηe和Pman∙n呈近似线性关系，拟合关系式的一次项系数和转速相关联。本文构建了HCNG发动机各子系统模型，完成了HCNG发动机平均值模型整体建模。仿真结果表

4、明：HCNG发动机平均值开环模型误差大、调节时间长；平均值模型采用PID控制器闭环控制，运用工程整定法得到PID控制参数，仿真时调节时间缩短，误差减小。本文分别进行了CNG、20%HCNG、55%HCNG发动机外特性工况闭环模型仿真，并将20%HCNG发动机动态工况仿真结果与实验数据进行对比，稳态和动态仿真结果表明，本文建立的HCNG发动机平均值模型仿真结果比较合理，具有重要的学术和工程应用价值。关键词：天然气掺氢；平均值模型；PID控制；多项式拟合IAbstractAbstractAseriesofenergyandenvironmentalproblemswerebroughtbycon

5、ventionalcombustion-enginedvehiclesduetofastdevelopmentoftheautomobileindustry.Withtheadvantageoflowemissionsandhighefficiency,HCNG(HydrogenenrichedCompressedNaturalGas)engineistheidealalternativetoconventionalinternalcombustionengine.Nowadays,developmentofECUismostlybasedonmodelandsimulation,which

6、iscalledthe"VType"method.Gasengineisdifferentfromtraditionaloilfueledengine.Sothesophisticatedmeanvaluemodelsdevelopedforoilfueledengineisnotfitforgasengine’ssimulations.It’sofgreatvaluetodevelopameanvaluemodeldedicatedforHCNGengine.AimedattheHCNGengineintakesubsystem,gasfuelsubsystem,powersubsyste

7、m,experimentresearch,formulasfitting,modelingandsimulationareincludedinthisthesis..ExperimentonaCNGenginewasconducted.Basedonthecorrelationbetweenair-gasfuelmixtureflowrate,manifoldabsolutepressure,enginesp