船用天然气发动机转速与空燃比协调控制研究

摘要

当前针对船用天然气发动机的新技术突破很大部分集中在对电控系统的研究，尽管近年来大量仿真软件简化了开发设计流程，但是天然气发动机作为一种多变量、耦合性强、参数实时变化的被控对象，仅依靠仿真建模无法获得完全真实的数据。因此，本研究针对玉柴YC6K天然气发动机，设计开发了完整电控系统，对软硬件底层驱动和发动机管理系统都进行了详细设计，并实际配机完成了一系列实验以验证控制系统。在此基础上通过实验深入研究了天然气发动机转速与空燃比之间的协调关系及控制方式。
　　空燃比是天然气发动机核心参数之一，如何在各工况下保持适当空燃比以确保充分燃烧满足排放与经济性要求是控制系统研究的关键之一。不同于车用发动机完全基于扭矩的控制，船用发动机需实现各工况下的转速要求，即控制发动机在满足经济性排放性的前提下，依据车钟输入的目标转速实现一定调速动力性。因此本文针对天然气发动机空燃比与转速两个关键控制要素展开研究，并通过实验分析两者协调控制的耦合关系，并提出新的控制策略再结合实验验证得出一定规律。
　　本研究开发的天然气发动机控制器能够对节气门开度，点火提前角，喷射脉宽等实现精确独立控制，可在不同工况下完成转速与空燃比协调控制。实验证明，应用自调整PID空燃比闭环策略可以较好的保证稳态时空燃比的稳定性，通过实验标定了前馈MAP使得空燃比控制取得较好的瞬态响应。经过实验，先将目标空燃比设为定值即当量值，通过改变负载得到不同工况的实际空燃比，再将数据标入MAP作为新的目标值，以此完善了控制策略。最后通过突加突卸负荷和设定转速目标值两种方式在瞬态工况下测试了控制效果，通过实验研究了该型天然气发动机转速与空燃比的控制规律，并验证了控制系统的动力性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2天然气发动机国内外技术简介

1．2．1气体燃料发动机简介

1．2．2国外天然气发动机技术

1．2．3国内天然气发动机技术

1．3本文选题的背景和意义

1．4本文主要研究工作

第2章发动机控制系统硬件需求及电路设计

2．1系统需求及整体设计

2．1．1船用天然气发动机系统需求分析

2．1．2天然气发动机系统结构

2．1．3燃气喷射方式分析

2．2天然气发动机控制器设计

2．2．1控制器架构与功能划分

2．2．2微控制器选型

2．1．3硬件电路总体布局

2．1．4电源及最小系统

2．3信号调理电路设计

2．3．1开关量调理电路

2．3．2曲轴及凸轮传感器信号调理电路

2．3．3模拟信号采集电路

2．4电子节气门驱动电路设计

2．5燃气喷射阀驱动电路设计

2．6点火电路与氧传感器电路

2．7本章小节

第3章天然气发动机控制系统基础软件设计

3．1软件整体方案与集成开发环境简述

3．1．1天然气发动机控制系统软件方案

3．1．2开发与调试环境

3．1．3标定软件和Bootloader

3．2发动机正时控制软件设计

3．2．1正时控制任务目标

3．2．2曲轴信号处理

3．2．3凸轮信号处理

3．2．4曲轴与凸轮信号匹配处理

3．2．5点火提前角与喷射延迟角计算

3．3燃气喷射阀驱动程序

3．4点火驱动程序

3．5节气门驱动程序

3．6本章小节

第4章天然气发动机转速及空燃比控制策略

4．1船用发动机基本控制策略

4．1．1天然气发动机控制策略概述

4．1．2起动控制

4．1．3怠速闭环控制框架

4．2空燃比的控制

4．2．1氧传感器(EGO)测量原理

4．2．2空燃比控制原理

4．2．3空燃比闭环要素

4．2．4不同工况空燃比控制策略研究

4．3气体燃料发动机空燃比控制算法

4．3．1发动机经典控制算法

4．3．2气体燃料发动机控制器设计

4．3．3模糊控制器具体设计

4．4自调整PID与前馈复合策略

4．5本章小结

第5章天然气发动机试验研究

5．1实验台架介绍

5．1．1发动机基本参数

5．1．2控制系统及台架搭建

5．1．3试验仪器介绍

5．2数据处理

5．3试验研究及结果分析

5．3．1起动过程试验研究

5．3．2空燃比前馈MAP图的测定

5．3．3瞬态工况节气门控制验证

5．3．4稳态工况空燃比闭环控制效果验证

5．3．5瞬态工况空燃比与调速特性实验

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文以及取得的科研成果

致谢