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原文传递天然气发动机燃烧非线性动力学特性及混沌预测控制研究

论文题名：	天然气发动机燃烧非线性动力学特性及混沌预测控制研究
关键词：	船舶天然气发动机;燃烧特性;非线性动力学;混沌控制
摘要：	发展高效清洁的天然气发动机技术是优化能源消费结构和满足日趋严格的排放法规要求的有效途径，也是船舶发动机技术未来发展的主要方向之一。采用稀燃技术能进一步提高天然气发动机热效率并降低排放。由于天然气发动机具有压燃困难、火焰传播速度较慢、最佳工作范围窄等特点，在稀燃条件下，非正常燃烧现象加剧，特别是接近工作界限时，经常出现失火、不完全燃烧及爆震等非正常燃烧现象，导致发动机运行稳定性恶化。目前对多影响因素交互作用导致的燃烧不稳定性内在动力学演化机理尚不清楚，无法对天然气发动机燃烧进行有效控制，以保证其安全、稳定、高效燃烧。因此，揭示燃烧不稳定性的机理，从复杂的燃烧不稳定演化过程中，提取多影响因素对其内在的确定性动力学影响规律，然后进行特征识别、动力学建模和非线性预测，最终实现基于混沌理论的燃烧控制，是从根本上实现燃烧优化控制的手段，对于扩展天然气发动机稳定工作范围、提高其动力性和经济性、降低排放具有较高的学术价值和工程应用价值。　　在船用柴油机的基础上，通过设计和研制基于缸压的燃烧闭环控制系统，完成了电控多点喷射天然气发动机的开发，建立了发动机试验系统，为开展课题研究奠定了良好条件。论文主要研究工作包括: 　　(1)搭建天然气发动机试验系统。在柴油机的基础上，针对天然气发动机的特点，对燃烧室、进气系统、燃气供给系统、点火系统的结构进行优化设计，搭建扭矩测试、空燃比测试、缸压采集、排放测试、监控和标定等发动机测试系统，基于模块化设计思想开发天然气发动机控制系统，并设计开发电磁阀、电子节气门、点火等关键执行部件的驱动控制器，对空燃比和爆震等关键模块进行了控制，建立了天然气发动机燃烧闭环控制系统。为天然气发动机燃烧特性、非线性动力学特性、混沌预测和优化控制研究奠定坚实的硬件条件。　　(2)天然气发动机燃烧特性试验研究。选取发动机的特定工况进行分析，重点研究λ、SSI、GIT对天然气发动机燃烧特性的影响规律，揭示缸压、HRR、排温、CCVIMEP和IMEP平均值等常规燃烧特征参数的变化规律，为开展非线性动力学特性分析和混沌预测提供理论支持。　　(3)天然气发动机燃烧非线性动力学特性研究。针对燃烧非线性动力学研究缺乏定量、多因素相关性的问题，从多因素相关性、量化分析的角度，研究不同λ、SIT、GIT工况下的燃烧动力学规律，并与典型的周期和混沌系统的动力学特性进行对比分析，揭示发动机燃烧过程内部隐藏的动力学规律及多循环之间的关联性。　　(4)建立在线实时混沌预测模型。针对在线实时混沌预测模型缺乏的问题，结合天然气发动机燃烧特性和非线性动力学特性，建立UWT-LLE-RBF神经网络混沌预测模型，提出“开窗预测法”，保证了在线预测和控制的实时性，对燃烧过程相空间中相点的相互作用及前后燃烧循环之间随机性和确定性共存的混沌特性实现了预测，在线实时预测平均误差控制在5％以内。　　(5)混沌预测控制策略研究。在理论分析和试验研究的基础上，针对天然气发动机燃烧控制困难的问题，开展联合闭环控制策略和混沌预测控制策略的研究，设计了多反馈参数的混沌预测控制器，控制过程中综合考虑IMEP、pmax和Φpmax的影响，并引入混沌量化指标LLE，控制系统输出协调控制SIT和循环喷气量。研究表明，多反馈参数的混沌预测控制策略有效地改善了λ＞1.4时天然气发动机燃烧稳定性，在稀燃极限λ=1.9时，相对于开环控制，CCVIMEP降低幅度为74.37％。
作者：	丁顺良
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	马修真;宋恩哲
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文