均质压燃光学发动机电控系统设计及仿真研究

【摘要】发动机在众多领域为人类提供能量和动力，但在另一方面发动机尾气对人们赖以生存的空气和水资源污染越来越严重，影响了人们的生活习惯。针对这一难题与挑战，研究人员通过利用不同的测试方法对发动机不同的燃烧策略进行探索与研究。发动机均质压燃(HomogeneousChargeCompressionIgnition,HCCI)模式综合了柴油机和汽油机的优点，具有高效率低排放的特点，是未来发动机研究的主要方向。发动机内部废气再循环(ExhaustGasRecirculation,EGR)策略是实现发动机HCCI燃烧模式的重要手段。利用光学测试技术研究发动机HCCI燃烧模式对于解决发动机尾气污染及全球能源危机具有重要的理论和现实意义。本文利用改造后的单缸柴油机作为HCCI光学发动机试验平台，HCCI光学发动机平台主要由发动机、电控系统、激光器、ICCD等部分组成。通过HCCI光学发动机试验平台实现利用光学测试系统对发动机不同的EGR策略下的HCCI燃烧模式进行测试，控制发动机运行转速稳定。针对HCCI光学发动机特点及要求，对发动机转速控制策略进行了仿真研究；设计并开发了一套满足试验的要求的电控系统；进行了HCCI光学发动机基本试验。针对HCCI光学发动机对转速的高精度要求，对转速控制策略进行仿真研究。使用Matlab/simulink软件搭建发动机进气模型、正时模型、动力输出模型、氧传感器模型、喷油器模型等，最后组成一个整体发动机模型达到实现模拟发动机运行过程的目的。研究了PID控制策略和模糊PID参数自整定控制策略并搭建了PID控制器模型和模糊PID参数自整定控制策略模型。为了方便模型仿真和更改模型中参数，控制策略模型和发动机模型联合建立发动机转速控制仿真平台，在人机界面中实现模型所有参数在线可调和具有对仿真结果保存与处理的功能。在仿真平台中利用这两种控制策略对已经建立好的发动机模型进行控制仿真，对发动机外加干扰，仿真两种控制策略的控制能力。结果表明，由于模糊PID参数自整定控制策略可以根据发动机实际运行情况实时按照模糊控制器内设定好的控制规则调节PID三个参数输出量，所以模糊PID参数自整定控制策略具有对外加干扰调节能力强，超调量小，调节时间短的优点。设计了HCCI光学发动机电子控制系统。选用Intel80C196单片机作为系统的核心芯片，由于控制芯片不能直接处理传感器输出的信号，设计了发动机的压缩上止点、温度信号、氧传感器等输入电路；由于控制芯片输出的控制信号不能直接驱动大功率执行器，搭建了输出电路控制电磁阀、火花塞、喷油器、激光器等执行器。对各个电路进行仿真后印刷电路板，最后编写程序实现控制发动机以负气门重叠、排气门晚关、排气门二次开启燃烧策略运行，通过内部EGR策略实现了发动机HCCI燃烧模式。HCCI光学发动机试验平台调试及试验。在原机上安装火花塞实现点火助燃功能、更改发动机压缩比避免爆震现象、改变原有配气机构实现全可变气门正时、设计加长活塞实现光学活塞玻璃和45°反射镜的安装，安装电控系统设计所需传感器与执行器。标定电控系统延时，由于本系统选用的激光器工作频率为10Hz，所以发动机理想转速为1200rpm，1ms发动机转过7.2°CA，系统延时对发动机性能影响较大。对电控系统延时情况多次标定表明，进气门开启延时为6ms，进气门关闭延时为9.5ms，排气门开启延时约为6.5ms，排气门关闭延时约为9.8ms，对应的进气门开启和关闭延时曲轴转角分别为43.2°CA和68.4°CA；排气门开启和关闭时的延时曲轴转角分别为46.8°CA和70.56°CA。电控系统软件中需要对控制过程中各个延时以发动机曲轴角度的形式进行补偿。电控系统控制发动机通过负气门重叠策略、排气门晚关策略和排气门二次开启策略实现HCCI燃烧模式，通过模糊PID参数自整定策略控制发动机转速，确保发动机转速稳定在1200rpm左右，保证激光器以10Hz的频率稳定运行。最后电控系统在上止点前7°CA触发激光测试系统分别测试原机相位燃烧模式和负气门重叠策略燃烧模式。试验结果表明，负气门重叠策略下，发动机从排气道内吸回大量废气，高温废气能够加热缸内新鲜工质实现压燃点火方式。
【作者】王德福；
【导师】高印寒；
【作者基本信息】吉林大学，测试计量技术及仪器，2014，硕士
【关键词】光学测试；HCCI燃烧；电子控制系统；模糊PID；NVO策略；

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