内混式多点喷射工业燃气发动机电控系统的研究与开发

论文摘要

中国经济的快速发展加剧了国内能源需求,由于石油能源的不可再生性,替代能源的研究愈发重要。以天然气、沼气和煤层气为代表的气体能源成为短期内最有效的替代燃料。本文针对工业燃气发动机的特点和使用要求,研究和开发了一套适用于多点喷射燃气发动机的电控系统。首先,本文对工业燃气发动机控制系统进行了分析,构建了控制系统的基本框架。在控制系统的开发过程中,使用了基于模型的设计开发方法,让设计者将主要精力集中在数学模型的建立和验证上,不必过分关心硬件的变化和底层代码的编写,提高了开发效率。本文将控制系统分为四个核心模型:过量空气系数模型、恒转速控制模型、燃气喷射阀驱动模型和发动机基本保护模型,并分别进行了深入的研究。在过量空气系数模型中,使用速度—密度法进行空气和燃气流量的预测,并对该算法加以改进,同时加入了过量空气系数的闭环修正。在恒转速控制模型中,应用了一种具有更好稳定性和响应速度的PID控制算法。在燃气喷射阀驱动模型中,通过采用电流自适应算法尽可能降低驱动电流,从而延长了喷射阀的使用寿命。核心控制模型建立完成后,本文利用发动机平均值模型,从软件和硬件在环两方面对控制模型进行验证。试验结果表明,模型控制输出稳定,且在外界的连续扰动下,仍然能控制发动机模型稳定运行,控制模型及其算法可靠。最终将所开发的电控系统在一台12V190发动机上进行试验验证,稳态和瞬态试验结果表明,发动机空燃比及转速的控制精度和动态响应速度均能满足控制要求,证明本文开发的ECU控制系统适用于工业燃气发动机。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 工业用发动机技术的研究现状
• 1.2.1 常规能源工业用发动机技术研究现状
• 1.2.2 工业用内燃机替代能源及其适用性分析
• 1.2.3 工业用燃气发动机技术发展
• 1.3 内混式多点喷射燃气发动机控制系统
• 1.4 课题引出
• 第二章 控制系统设计
• 2.1 系统设计框架
• 2.1.1 发动机控制系统
• 2.1.2 控制系统分层模型
• 2.1.3 电控单元模型设计流程
• 2.2 传感器介绍
• 2.2.1 曲轴位置传感器
• 2.2.2 上止点位置传感器
• 2.2.3 宽域型氧传感器
• 2.3 电控单元硬件开发
• 2.3.1 通用型CPU
• 2.3.2 电源接口电路设计
• 2.3.3 上止点及曲轴位置传感器接口电路
• 2.3.4 其它传感器接口电路
• 2.4 基于模型设计的电控单元控制软件开发
• 2.4.1 基于模型的设计开发环境
• 2.4.2 模型到目标代码的自动生成
• 2.5 本章小结
• 第三章 核心控制模块程序及其算法研究
• 3.1 过量空气系数控制模型和算法研究
• 3.1.1 燃气发动机的过量空气系数
• 3.1.2 精确控制过量空气系数的算法研究
• 3.1.3 过量空气系数的闭环控制模型和算法
• 3.2 恒转速控制模型和算法
• 3.3 喷射电磁阀驱动电流的自适应算法
• 3.4 喷射电磁阀开启持续期的控制
• 3.5 发动机基本监控保护控制
• 3.6 本章小结
• 第四章 控制系统软硬件的模拟验证
• 4.1 软件在环的模拟验证
• 4.1.1 发动机的平均值数学模型
• 4.1.2 恒转速控制模型验证
• 4.1.3 过量空气系数控制模型的验证
• 4.1.4 发动机保护控制模型的验证
• 4.2 硬件在环的模拟验证
• 4.2.1 发动机硬件接口模拟
• 4.2.2 燃气喷射阀驱动模型验证
• 4.2.3 其它控制模型的验证
• 4.3 本章小结
• 第五章 控制系统的发动机试验验证
• 5.1 燃气发动机试验系统
• 5.1.1 试验台架以及测试设备
• 5.2 燃气发动机控制系统验证方案
• 5.2.1 发动机稳态试验方案
• 5.2.2 发动机瞬态试验方案
• 5.3 燃气发动机控制系统验证试验结果及分析
• 5.3.1 发动机稳态试验结果及分析
• 5.3.2 发动机瞬态试验结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结及展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢