船用天然气发动机控制系统设计开发及试验研究

摘要

当前，资源短缺和环境污染问题已成为威胁人类生存和发展的两大难题。近年来，我国北方大范围雾霾肆虐，严重危害居民的身体健康，车辆和船舶等运输机械的排放问题受到关注，国家陆续出台了一系列严格的排放法规政策。在此背景下，选用清洁高效的天然气作为发动机的替代燃料成为解决当前问题的有效途径。我国有着数量庞大的内河船舶，然而这些内河船舶的经济性和排放性能都很差。船用天然气发动机能有效解决以上两个问题，因此成为当前船用发动机的研究热点。
　　为解决船用天然气发动机的控制问题，本文选用以2135G柴油机为基础改造的天然气发动机为研究对象。对发动机的配气系统进行了改造，采用进气歧管多点喷射的喷气方式，每个气缸由独立的燃气喷射阀和电子节气门提供燃气和空气，实现两个气缸的独立控制。然后根据发动机的需求，对天然气发动机燃气供给部件和空气供给部件进行了匹配选型，完成了天然气发动机试验平台的改造。
　　根据天然气发动机试验台的传感器信号类型和执行器驱动方式完成了控制系统硬件电路的设计。硬件电路由单片机最小系统、输入信号调理和执行器驱动三部分组成。然后，遵循模块化和分层的设计思想完成了控制系统的软件设计，软件的主要功能是在硬件电路的基础上，根据控制策略对燃气喷射阀，电子节气门和点火线圈进行控制，以实现对发动机空燃比，转速和点火的控制。
　　在起动阶段，本文对燃气喷射脉宽对发动机起动性能的影响进行了试验研究，试验结果表明：随着喷射脉宽的不断增大，发动机起动速度显著加快；同时随着燃气喷射脉宽的加大，发动机起动完成后的稳定转速逐渐减小。为了验证控制系统的控制效果，本文在稳态工况和瞬态工况下分别进了试验研究，试验结果表明：稳态工况，在900r/min和1000r/min的50N*m及100N*m负荷下，发动机转速波动率均低于0.3％，空燃比稳定在0.98~1.02的范围内，满足控制要求。瞬态工况下，发动机在1000r/min突加50N*m负荷，发动机转速的瞬态调速率为2.1％，稳定时间为4.6s；在1000r/min突卸50N*m负荷，发动机转速的瞬态调速率为2.0％，稳定时间为4.1s，达到了控制要求。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 天然气发动机的发展现状

1.3 天然气发动机的特点

1.4 天然气发动机的分类

1.5 天然气发动机关键技术

1.6 天然气发动机空燃比控制策略研究

1.7 本文的主要工作

第2章 天然气发动机配气系统及控制系统设计

2.1天然气发动机配气系统设计

2.2 天然气发动机控制系统总体设计

2.3 本章小结

第3章 天然气发动机控制系统硬件设计

3.1单片机最小系统及引脚分配

3.2输入信号调理单元电路设计

3.3 执行器驱动单元电路设计

3.4 硬件设计实物图

3.5 本章小结

第4章 天然气发动机控制系统软件设计

4.1控制软件方案设计

4.2 软件总体结构设计

4.3 基础软件层软件设计

4.4 应用软件层软件设计

4.5 本章小结

第5章 天然气发动机试验研究

5.1 试验台架介绍

5.2 电子节气门控制实验研究

5.3 天然气发动机起动阶段控制试验研究

5.4 天然气发动机控制系统控制性能试验研究

5.5 本章小结

结论与展望

1.全文总结

2.工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢