柴油/天然气双燃料发动机的主动燃烧控制与测量研究

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，构建便于实施的关键燃烧中间工作点控制和主动燃烧控制的控制模型。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。基于同时测量多个发动机缸体振动加速度信号，重构发动机气缸燃烧压力关键特征和燃烧放热关键特征。采用环比方法而不是绝对值方法重构燃烧特征。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。建立包含涡轮增压器在内的发动机控制与主要故障识别的实时模型，研究基于进气温度、进气压力、动态废气再循环的高可靠性主动燃烧控制。开发多频率非线性调制算法，对近红外可调谐半导体激光器的频率进行调制，实现非接触式同时测量发动机排放废气中的一氧化碳和二氧化碳的动态浓度与瞬间温度，为燃烧控制和故障分析提供关键信息。

项目背景：柴油发动机添加天然气供给装置就变为柴油/天然气双燃料掺烧发动机。双燃料发动机有显著的经济性，还有不依赖废气后处理措施仅通过缸内燃烧组织就能使发动机满足严格排放标准的潜力。但由于燃烧方式改变，导致双燃料发动机可靠性远不如纯柴油发动机。本项目从燃烧机理建模着手，定量分析双燃料发动机可靠性下降的主要原因，并通过探索双燃料发动机的燃烧控制策略、燃烧过程关键工作点的测量，寻找从本质上解决双燃料发动机可靠性问题的方法，使双燃料发动机同时满足性能、可靠性、经济性、排放这些相互矛盾的要求。.主要研究内容：①研制兼具本质可靠和低排放特性的共轨柴油/天然气双燃料发动机主动掺烧电子控制系统。②基于GT-Power仿真软件与FIRE仿真软件分别建立柴油/天然气双燃料发动机的基于机理的仿真模型。③基于机理仿真数据，离线训练模式分类器，采用商业可行的传感器测量作为模式分类器的输入变量，解决发动机热负荷、机械负荷安全边界的模式识别难题。④从保证发动机可靠性和满足排放要求出发，研究掺烧发动机不同工况的最优燃烧方式，研究以模式识别结果为反馈量解决柴油替代率实时优化问题。⑤构建基于发动机气缸充气前馈自适应模型，优化双燃料发动机动态空燃比控制。⑥在线识别双燃料发动机的天然气组分浓度。.重要结果：①研制成功能主动控制柴油喷射的掺烧ECU和柴油喷嘴物理仿真器，使双燃料掺烧电控系统进入试装样车的阶段，为将来的推广应用与进一步试验研究打好基础，技术处于国内先进水平。②基于柴油与天然气的化学反应动力学模型，构建了双燃料发动机的燃烧机理模型，为深入研究不同燃烧方式与柴油喷射控制策略提供了平台。③纠正了“发动机爆震导致双燃料发动机可靠性问题”的传统错误观点，提出采用模式识别方法实时判断发动机热负荷、机械负荷安全边界，为保障发动机可靠性找到新的技术路线。④提出针对发动机不同工况采用不同燃烧方式，并确定燃烧方式切换面的优化策略，具体实现掺烧发动机的主动燃烧控制算法。⑤提出基于声学原理研制天然气组分车用传感器，并结合发动机运行数据分析，实现燃料组分浓度的在线测量。.关键数据：申请了3个发明专利，有6篇EI收录论文，另有4篇SCI论文处于审稿状态。.科学意义：搞清楚了双燃料发动机可靠性下降的本质原因，提出基于模式识别方法的可靠性测量和燃烧策略，系统解决可靠性问题。