天然气/汽油两用燃料发动机燃料切换的优化控制

摘要

随着汽车工业的高速发展及汽车保有量的急剧增加，汽车造成的环境污染及石油危机问题日益突出，促使人们去寻找可以代替石油的清洁能源。作为车用动机代用燃料，压缩天然气CNG(Compressed Natural Gas)可有效地缓和这一矛盾。天然气/汽油两用燃料发动机以其排放性能良好、改装方便、使用灵活的优点受到人们的重视。
　　 一般在低负荷下使用纯天然气作为发动机的燃料，中、高负荷下采用汽油作为发动机燃料。目前的两用燃料发动机都是在原有汽油发动机的基础上改装的，其起动方式依然采用的是汽油起动方式，利用汽油起动后切换到天然气，并且目前CNG加气站数量有限，因此对于两用燃料发动机来说，存在纯汽油燃料工况向纯天然气燃料工况以及纯天然气燃料工况向纯汽油燃料工况的切换过程，发动机在此过程中转速波动大、排放恶化。
　　 为避免两用燃料发动机在由纯汽油工况向纯天然气工况切换过程中出现的转速大幅度波动现象和节约发动机燃料成本，本文在国内外相关研究的基础上，对天然气/汽油两用燃料发动机进行了性能研究。分析了两用燃料发动机性能恶化的原因和油气切换过程，分析了切换过程中引起速度波动的原因，并综合考虑发动机的动力性和经济性，提出了油气切换过程优化控制的目标函数，并依据变分法和发动机的相关理论与实践知识，建立了油气切换过程的简化数学模型。
　　 发动机是一个具有时滞性、不确定性、严重非线性、时变性的系统，对其施以控制就需要一种高级、快速、可靠、有效的控制方法。本文通过建立发动机的控制模型，并对比了各控制算法，在比较详细地分析了神经网络预测控制算法基础上，运用神经网络预测控制对两用燃料发动动机油气切换过程的燃料进行调节，实现了此过程的优化控制。运用MATLAB对模型和切换程的优化控制进行了仿真，并对仿真结果进行了分析，说明了模型和控制算法的有效性和实用性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2汽车发展引发的能源危机

1.3汽车代用燃料

1.3.1各种代用燃料性能评价

1.3.2代用燃料的选择

1.4天然气发动机的发展状况

1.4.1天然气在发动机上的应用形式与特点

1.4.2天然气汽车的主要优点

1.4.3气体燃料供给系统的发展及趋势

1.4.4两用燃料发动机的关键技术

1.5目前两用燃料发动机存在的问题及研究热点

1.6课题研究意义及论文的主要内容

2天然气/汽油两用燃料发动机油气切换系统

2.1天然气/汽油两用燃料发动机的性能分析

2.2两用燃料发动机系统

2.2.1两用燃料发动机的燃料供给系统

2.2.2油气切换系统

2.3油气切换方式

2.4两用燃料发动机油气切换过程

2.5本章小结

3两用燃料发动机油气切换过程的数学模型

3.1变分法及最优控制

3.1.1欧拉方程

3.1.2横截条件

3.1.3勒让德条件

3.2发动机转速与油耗的关系

3.3数学模型的建立

3.4模型的仿真

3.5本章小结

4优化控制的实现

4.1控制算法的选择

4.2预测控制的基本原理

4.2.1预测控制的基本思想

4.2.2预测控制的基本特征

4.2.3预测控制的优点

4.2.4预测控制在应用中的一些问题

4.3神经网络基础

4.3.1人工神经网络概述

4.3.2 BP神经网络的基本原理

4.4基于BP神经网络的预测控制系统

4.4.1神经网络预测控制的一般结构

4.4.2 BP神经网络预测控制

4.5两用燃料发动机油气切换的神经网络预测控制

4.5.1两用燃料发动机的控制模型

4.5.2两用燃料发动机的控制算法仿真

4.6两用燃料发动机的仿真分析

4.6.1模型辨识

4.6.2仿真结果

4.7本章小结

5结束语

5.1结论

5.2存在的问题和展望

致 谢

参考文献

附录：作者在攻读学位期间发表的论文目录