双燃烧模式柴油机空气系统管理策略的仿真研究

摘要

双燃烧模式柴油机的预混合压燃(PCI)燃烧和传统燃烧模式对喷油参数和缸内气体状态有不同要求。其瞬态过程，尤其是模式切换过程的燃烧，主要取决于对喷油参数和缸内气体状态的控制。本文基于气缸压力来反馈控制喷油参数，采用基于模型的空气系统控制方法直接控制进气状态，进而间接控制缸内气体状态，从而控制双燃烧模式柴油机瞬态过程的燃烧。
　　 试验研究了PCI燃烧的燃烧排放特性，表明PCI燃烧需要一定的过量氧气系数和EGR率。为了充分利用喷油参数的快速性，开发了基于气缸压力的燃烧闭环控制系统，通过喷油参数闭环控制CA50和IMEP。
　　 以具有节气门和EGR阀的双燃烧模式单缸机为研究对象，采用基于模型的PID控制和滑模控制等方法来控制其瞬态过程的进气状态。仿真结果表明，构造的以过量氧气系数和EGR率为反馈参数的PI控制器，以进气压力和进气废气分数为反馈参数的PI控制器，或以进气压力和进气废气分数为控制目标的滑模控制器，均能实现对模式切换过程进气状态的有效控制。单缸机空气系统控制策略的研究，为双燃烧模式多缸机瞬态过程的研究提供了一定基础。
　　 以具有VGT、高压EGR回路和节气门的双燃烧模式柴油机为研究对象，采用PID控制和滑模控制等方法来控制其瞬态过程的进气状态。在研究了混合PI控制器和混合滑模控制器的基础上，提出了一种适用于全工况范围的滑模控制器，以进气压力、排气压力和进气废气分数为控制目标，极大地简化了控制器结构。仿真结果表明，控制器能有效控制瞬态过程，尤其是模式切换过程的进气状态。

目录

摘要

符号和缩写说明

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 PCI燃烧对缸内状态的要求

1．3 双燃烧模式柴油机及其控制

1．4 柴油机空气系统控制的研究

1．5 研究思路

1．5．1 总体思路

1．5．2 控制系统结构

第2章 PCI燃烧特性的研究和基于气缸压力的燃烧闭环控制系统的开发

2．1 PCI燃烧特性的研究

2．2 基于气缸压力的燃烧闭环控制系统的开发

2．3 本章小结

第3章 单缸柴油机空气系统控制的模拟研究

3．1 单缸柴油机平均值模型的建立

3．1．1 八阶平均值模型

3．1．2 两阶平均值模型

3．1．3 四阶平均值模型

3．2 PI(λo，Xegr)控制器设计

3．2．1 控制系统结构

3．2．2 系统特性分析

3．2．3 控制率的设计

3．3 PI(ρ1，F1)控制器设计

3．3．1 控制系统结构

3．3．2 系统特性分析

3．3．3 控制率设计

3．4 PI(Wc，Wegr)控制器设计

3．4．1 控制系统结构

3．4．2 系统特性分析

3．4．3 控制率设计

3．5 SMC(p1，p2)设计

3．5．1 控制系统结构

3．5．2 P1s和P2s的获取

3．5．3 控制率的获取

3．5．4 控制效果

3．6 SMC(p1，F1)设计

3．6．1 控制系统结构

3．6．3 控制率的获取

3．6．4 控制效果

3．7 五种控制器的比较

3．8 观测器设计

3．8．1 观测器的必要性

3．8．2 系统的能控性和能观性

3．8．3 卡曼观测器设计

3．9 采用EGR阀和背压阀的单缸机系统特性分析

3．10 本章小结

第4章 多缸柴油机空气系统控制的模拟研究

4．1 多缸柴油机平均值模型的建立

4．2 混合PI(λo，Xegr)控制器设计

4．2．1 控制系统结构

4．2．2 标定工作点的选择

4．2．3 控制增益的获取

4．2．4 控制效果

4．3 混合PI(p1，F1)控制器设计

4．3．1 控制增益的获取

4．3．2 控制效果

4．4 混合滑模控制器(H-SMC)设计

4．4．1 控制系统结构

4．4．2 控制率的获取

4．4．3 控制效果

4．5 通用滑模控制器(U-SMC)设计

4．5．1 控制系统结构

4．5．2 控制率的获取

4．5．3 控制效果

4．6 控制器的比较

4．7 本章小结

第5章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

5．3 创新点说明

参考文献

附录A EGR-VGT控制方法

附录B

B．1 控制系统(图3-25)的系统特性分析

B．2 控制系统(图3-29)的系统特性分析

附录C 采用EGR阀和背压阀的单缸机系统特性

附录D 内模控制和滑模控制的原理

D．1 内模控制器的原理

D．2 输入输出线性化

D．3 滑模控制的原理

致谢

博士后工作期间发表的论文