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基于燃气与空气协同的船用气体燃料发动机动态特性研究
| 论文题名： | 基于燃气与空气协同的船用气体燃料发动机动态特性研究 |
| 关键词： | 船用天然气发动机;动态特性;控制策略;模糊控制 |
| 摘要： | 随着交通运输行业的不断发展，石油资源被不断开采和过度利用，能源危机和环境污染问题日益严峻，探索和利用清洁可替代能源成为世界各国发展的主题。天然气以其储量丰富、清洁环保等优点逐渐成为替代燃料的首选。船用天然气发动机在稳态过程运行稳定、性能良好，但瞬态特性较差。虽然，多点喷射天然气发动机能够改善各缸燃料分配一致性、能够对负荷变化做出相对较快的响应，但是对燃气与空气协同控制要求较高，因此开展船用多点喷射天然气发动机燃气与空气协同机制和控制策略研究，对于改善发动机动态响应特性、经济性和排放性能具有十分重要的意义。 本文利用GT-Power软件搭建天然气发动机一维整机模型，在模型试验验证的基础上，计算了点火正时、喷气正时和过量空气系数对发动机性能的影响，进而确定最佳取值范围;通过相关性量化分析表明:过量空气系数对发动机动力性和经济性的影响更为显著，应作为主要研究目标，将点火正时和喷气正作为次要研究目标，并确定最佳取值分别为20℃ABTDC和390℃A。以提高发动机动力性和经济性为优化目标，对主要研究目标过量空气系数进行优化，结果表明:在不同工况下存在最佳过量空气系数，使发动机综合性能较好，并将结果制成性能MAP图;为了提高发动机负载突加减过程的动态响应，改善转速波动问题，基于燃气喷射量与空气充量的协同，设计了修正节气门开度和修正燃气喷射量的控制策略;结果表明，发动机负载突加时，修正燃气喷射量的控制策略能有效降低加速时转速偏差峰值，相较于基础控制策略峰值下降了55.68％，同时转速稳定时间下降了25.70％;而在减载过程修正节气门开度的控制策略使转速偏差略有下降。 为了进一步改善发动机的动态响应，将模糊控制算法替换原经典PID控制，通过联合仿真的方法实现控制算法升级，并对发动机转速闭环效果进行对比分析，结果表明，采用模糊PID控制后，在100％负荷下，发动机加载过程在两处转速偏差峰值分别下降了36.86％和68.53％，稳定时间缩减了16.81％;在减载过程转速偏差下降了33.52％;稳定时间几乎无变化。在50％负荷下，发动机加载过程转速偏差下降了21.51％，稳定时间减小了10.83％;减载过程转速偏差下降了29.21％，稳定时间差别较小。由此可见基于模糊控制算法的控制策略能够有效改善了天然气发动机的动态特性。 |
| 作者： | 聂昊鹏 |
| 专业： | 动力工程及工程热物理 |
| 导师： | 杨立平 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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