柴油-天然气双燃料发动机主动燃烧控制与安全边界在线识别研究

High pressure common rail diesel engine became dual fuel engine after blending natural gas. Operating point control and active combustion control model were established, based on single-zone combustion mechanism model of dual fuel engine. Forecast model of cylinder -by-cylinder inflatable quality and pneumatic components of dual fuel engine was established. combustion pressure key characteristics and combustion heat release key characteristic of engine was restructured, based on the vibration acceleration signal of multiple engine cylinder. Natural gas composition was identified online according to the combustion key characteristics. Active combustion control of high reliability was researched based on replacement rate, inlet temperature, inlet pressure, fuel injection law. NOX emission was used to measure combustion model because the NOX emission value is associated with the thermal load. The pattern recognition was used to characterize the thermal load security boundary value of piston. The combustion model was modified by vibration signals, which is associated with mechanical load. Mechanics load safety boundary was indirect identified based on the reference model. It can provide key information for active combustion control.

在高压共轨柴油发动机基础上掺烧天然气使发动机变为双燃料发动机。根据双燃料发动机的单区燃烧机理模型，构建便于实施的燃烧过程关键点控制和主动燃烧控制模型，建立预测发动机逐缸充气质量和充气成分的动态气路模型，基于发动机缸体振动信号，重构发动机气缸燃烧压力和燃烧放热关键特征。根据燃烧关键特征在线识别燃料成分等影响系统可靠性的因素。研究基于替代率、进气温度、进气压力、喷油规律的高可靠性主动燃烧控制。测量与发动机热负荷有关的NOX排放值来修正燃烧模型，通过模式识别来表征活塞热负荷安全边界值。基于与机械负荷有关的振动信号对燃烧模型进行修正，通过参考模型间接识别机械负荷安全边界，为主动燃烧控制提供关键信息。

在内燃机燃料中，天然气以其良好的排放、资源丰富等优点受到高度重视。柴油-天然气双燃料掺烧发动机对比单燃料天然气发动机和纯柴油发动机有明显优势，但是双燃料发动机在全球没有得到广泛运用，主要原因是这种双燃料发动机可靠性不过关，针对以上因素做了如下工作：.(1)建立柴油-天然气双燃料发动机工作过程仿真模型，通过仿真观察双燃料掺烧发动机控制参数对燃烧规律的影响，观察台架试验中难以直接测量的燃烧过程关键现象与表征变量。.(2)建立柴油-天然气双燃料发动机燃烧室三维立体模型，通过仿真观察不同工况下，双燃料发动机的排放情况，以保证发动机排放不超标。.(2)建立柴油-天然气双燃料掺烧发动机活塞的有限元模型，研究控制参数、燃烧模式对双燃料发动机活塞热负荷的影响规律。寻找实时在线模式识别热负荷安全边界的方法。.(3)建立柴油-天然气双燃料掺烧发动机活塞组件的有限元模型，研究控制参数对双燃料发动机活塞热机耦合的影响规律。寻找实时在线识别活塞机械应变是否超出安全边界的方法。.(4)发动机虽然没有产生爆震，但热负荷可能超过安全边界值，而热负荷的在线实时测量非常困难。NOX排放值与热负荷之间有相关性，因此本论文提出了基于NOX排放值，通过模式识别来表征活塞热负荷安全边界的方法，从而保证发动机可靠性。.(5)发动机同样无爆震产生，但是发动机活塞热机耦合时的应力场和变形场超过了安全边界值，以目前技术实时在线测量应力场和变形场是不可能的，因此本项目提出了以控制参数、燃烧方式来表征热机耦合时的应力场和变形场，基于参考模型间接识别机械负荷安全边界,从而保证发动机可靠性。