基于dSPACE的天然气发动机实时模型搭建与半物理仿真研究
发布时间：2021-10-16 08:17
作为一种新型的清洁能源,天然气已经在各个行业被广泛使用,尤其是发动机行业。发动机电控技术的发展不仅能够提高发动机动力性、经济性、可靠性和更能够改善发动机的排放性能。因此,开发具有市场竞争力的发动机电子控制单元成为了当前的主流研究目标。现代控制系统的“V模式”开发是发动机研发重要环节之一,其中针对ECU的硬件在环测试环节,发动机模型的准确性、动态响应特性和实时性是影响控制器控制效果和发动机性能的关键。本文在分析了目前主流天然气发动机控制系统硬件在环仿真的相关技术的基础上,搭建了一套较为完善的硬件在环仿真系统,包括半物理仿真实验台、天然气发动机实时模型、信号处理模块以及半物理仿真实验上位机监控界面。利用Simulink软件采用模块化思想建立的基于硬件在环实时仿真天然气发动机零维分缸容积法模型,在满足精度要求的前提下,提高优化了模型的仿真速度,并根据控制器的控制需求,能够反映出不同工况下天然气发动机的缸内参数变化以及燃烧放热率的变化,使模型能够满足电控系统对不同控制策略的开发。本文针对天然气发动机建模方法进行研究,采用分缸容积法原理利用Simulink软件对天然气发动机进行模型的搭建。在实时...
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
995年、2005年、2015年石油资源储量分布
哈尔滨工程大学硕士学位论文2图1.22016年天然气探明储量分布图由储量分布以及年消耗量来看，石油依然是全球的第一大燃料，并且也是传统内燃机的主要燃料之一，然而石油却是不可再生能源。目前，世界上大部分船舶发动机仍然以传统的内燃机作为动力来源，船舶发动机成为“喝油”大户之一。另外，由于全球石油资源的不平均分布，约60%的石油资源储存在政治动荡的国家和地区[5]，因此导致原油价格受世界性重大事件影响而经常出现较大范围的波动。因此，降低内燃机对石油燃料的依赖程度成为内燃机产业的首要目标。我国天然气资源探明程度低，并且发展潜力巨大。根据新一轮油气资源评估和全国油气资源动态评价，我国常规天然气资源量为52万亿m，最终可采天然气资源量约32万亿m。2017年，在我国新疆塔里木地区新发现一批储量巨大的天然气田。我国在12年12月3日正式颁发了《天然气发展"十二五"规划》。制定的目的是有效的扩大天然气使用规模，促进天然气产业健康、有序发展。相信未来我国的天然气产业发展潜力巨大。因此开发船用天然气发动机及其控制系统符合能源危机的需要。1.1.2排放法规船舶运输是世界上历史最悠久的运输方式之一，由于它的成本低廉、运输数量大、运送距离长等优势特点，在运输行业中从始至终都占据着重要位置。据统计，目前全球至少70％的货物的运输方式是通过船舶运输来实现的[6]。随着航运业的不断发展，船用柴油机的废气排放对大气环境的污染日益加剧。据不完全统计，全球海运船舶每年的NO排放量占全球每年总NO排放量的18％到30%。我国内河船舶每年的NO和SO的排放量高达100万吨。预计到2020年，全球航运业将需要4.0×10t的燃料柴油，温室气体的排放量将在目前的排放基础上再增加75%[7]。因此，船舶的废气减排标?
哈尔滨工程大学硕士学位论文6流强度以及合理组织天然气分布可以拓展天然气的稀燃极限和降低燃烧循环变动，且有利于抑制爆震。与进气道喷射相比，缸内直喷还可以降低扫气过程中燃料的损失和强化对燃烧过程的控制[26]。但是，缸内直喷需要特定的天然气喷嘴以克服缸内压力，特别是对于压缩比高和要求上止点附近喷射的发动机[27]。进气道喷射和缸内直喷的示意图如图1.3所示。图1.3进气道喷射和缸内直喷示意图2.压燃式天然气发动机单一燃料的压缩着火天然气发动机主要有两种工作方式，即均质混合压缩着火和分层混合压缩着火[32]。在天然气的均质混合压缩着火方式中，在着火前已经在缸内形成均质混合气，当缸内温度超过天然气-空气混合气的自燃温度时，混合气发生压缩自燃，这种燃烧方式属于天然气的均质充量压缩着火（HCCI）。天然气的HCCI燃烧主要通过进气道喷射形成均质混合气，其燃烧过程呈现出两阶段燃烧的特征[33]。由于天然气的自燃温度较高，因此需要采用较高的压缩比、进气加热、高EGR率、低散热燃烧室或者电热塞来实现单一天然气的HCCI燃烧[32]。天然气的均质混合压缩着火燃烧方式可以实现较高的热效率和较低的NOx排放，但是HC和CO排放较高，主要通过氧化催化器进行改善。与汽油和柴油等燃料的HCCI燃烧类似，天然气的HCCI燃烧也存在着火和燃烧速率难以控制以及发动机运行工况范围过窄等问题[34-35]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]2015年世界能源供需解读——基于《BP世界能源统计年鉴》[J]. 代晓东,王潇潇,毕晓光,杨景斌,印树明,梁月. 天然气与石油. 2017(01)
[2]欧Ⅵ天然气发动机关键技术研究[J]. 马义,王晓辉,李红洲,窦慧莉. 车用发动机. 2016(02)
[3]直喷天然气发动机稀薄燃烧特性的仿真试验[J]. 黄丫,林学东,李德刚,顾静静,侯玉晶. 吉林大学学报(工学版). 2015(03)
[4]排放法规和船舶燃料的发展及其对船用发动机油的影响[J]. 侯仲淼,郑金花. 石油商技. 2012(03)
[5]天然气直喷发动机当量比与稀薄燃烧对比研究[J]. 邹博文,李开国,李静波,罗福强. 小型内燃机与摩托车. 2011(03)
[6]缸内直喷天然气发动机的开发[J]. 邹博文,李静波,李开国,葛晓成. 汽车技术. 2011(05)
[7]船用柴油机电控系统半物理仿真平台开发研究[J]. 宋恩哲,宋百玲,马修真. 哈尔滨工程大学学报. 2010(09)
[8]HCCI技术应用于大型天然气发动机的潜力[J]. Gerhard Kogler,王凤. 国外内燃机车. 2008(06)
[9]压缩着火天然气发动机的技术现状与展望[J]. 张德福. 天津航海. 2008(02)
[10]单燃料天然气发动机缸内直喷技术研究[J]. 郭辉,刘新田,黄虎,张振东. 上海工程技术大学学报. 2008(01)
硕士论文
[1]天然气发动机排放特性及控制研究[D]. 许自顺.山东大学 2017
[2]天然气发动机缸内预混燃烧循环变动的研究[D]. 马志振.合肥工业大学 2017
[3]基于PSCAD的双机双桨综合电力推进系统建模与仿真[D]. 赵鑫.哈尔滨工程大学 2013
[4]柴油机工作过程的Simulink建模仿真研究[D]. 王纪元.大连理工大学 2008
[5]基于Simulink的柴油机及其控制系统的建模与仿真研究[D]. 刘孟祥.湖南大学 2001
本文编号：3439460
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
995年、2005年、2015年石油资源储量分布
哈尔滨工程大学硕士学位论文2图1.22016年天然气探明储量分布图由储量分布以及年消耗量来看，石油依然是全球的第一大燃料，并且也是传统内燃机的主要燃料之一，然而石油却是不可再生能源。目前，世界上大部分船舶发动机仍然以传统的内燃机作为动力来源，船舶发动机成为“喝油”大户之一。另外，由于全球石油资源的不平均分布，约60%的石油资源储存在政治动荡的国家和地区[5]，因此导致原油价格受世界性重大事件影响而经常出现较大范围的波动。因此，降低内燃机对石油燃料的依赖程度成为内燃机产业的首要目标。我国天然气资源探明程度低，并且发展潜力巨大。根据新一轮油气资源评估和全国油气资源动态评价，我国常规天然气资源量为52万亿m，最终可采天然气资源量约32万亿m。2017年，在我国新疆塔里木地区新发现一批储量巨大的天然气田。我国在12年12月3日正式颁发了《天然气发展"十二五"规划》。制定的目的是有效的扩大天然气使用规模，促进天然气产业健康、有序发展。相信未来我国的天然气产业发展潜力巨大。因此开发船用天然气发动机及其控制系统符合能源危机的需要。1.1.2排放法规船舶运输是世界上历史最悠久的运输方式之一，由于它的成本低廉、运输数量大、运送距离长等优势特点，在运输行业中从始至终都占据着重要位置。据统计，目前全球至少70％的货物的运输方式是通过船舶运输来实现的[6]。随着航运业的不断发展，船用柴油机的废气排放对大气环境的污染日益加剧。据不完全统计，全球海运船舶每年的NO排放量占全球每年总NO排放量的18％到30%。我国内河船舶每年的NO和SO的排放量高达100万吨。预计到2020年，全球航运业将需要4.0×10t的燃料柴油，温室气体的排放量将在目前的排放基础上再增加75%[7]。因此，船舶的废气减排标?
哈尔滨工程大学硕士学位论文6流强度以及合理组织天然气分布可以拓展天然气的稀燃极限和降低燃烧循环变动，且有利于抑制爆震。与进气道喷射相比，缸内直喷还可以降低扫气过程中燃料的损失和强化对燃烧过程的控制[26]。但是，缸内直喷需要特定的天然气喷嘴以克服缸内压力，特别是对于压缩比高和要求上止点附近喷射的发动机[27]。进气道喷射和缸内直喷的示意图如图1.3所示。图1.3进气道喷射和缸内直喷示意图2.压燃式天然气发动机单一燃料的压缩着火天然气发动机主要有两种工作方式，即均质混合压缩着火和分层混合压缩着火[32]。在天然气的均质混合压缩着火方式中，在着火前已经在缸内形成均质混合气，当缸内温度超过天然气-空气混合气的自燃温度时，混合气发生压缩自燃，这种燃烧方式属于天然气的均质充量压缩着火（HCCI）。天然气的HCCI燃烧主要通过进气道喷射形成均质混合气，其燃烧过程呈现出两阶段燃烧的特征[33]。由于天然气的自燃温度较高，因此需要采用较高的压缩比、进气加热、高EGR率、低散热燃烧室或者电热塞来实现单一天然气的HCCI燃烧[32]。天然气的均质混合压缩着火燃烧方式可以实现较高的热效率和较低的NOx排放，但是HC和CO排放较高，主要通过氧化催化器进行改善。与汽油和柴油等燃料的HCCI燃烧类似，天然气的HCCI燃烧也存在着火和燃烧速率难以控制以及发动机运行工况范围过窄等问题[34-35]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]2015年世界能源供需解读——基于《BP世界能源统计年鉴》[J]. 代晓东,王潇潇,毕晓光,杨景斌,印树明,梁月. 天然气与石油. 2017(01)
[2]欧Ⅵ天然气发动机关键技术研究[J]. 马义,王晓辉,李红洲,窦慧莉. 车用发动机. 2016(02)
[3]直喷天然气发动机稀薄燃烧特性的仿真试验[J]. 黄丫,林学东,李德刚,顾静静,侯玉晶. 吉林大学学报(工学版). 2015(03)
[4]排放法规和船舶燃料的发展及其对船用发动机油的影响[J]. 侯仲淼,郑金花. 石油商技. 2012(03)
[5]天然气直喷发动机当量比与稀薄燃烧对比研究[J]. 邹博文,李开国,李静波,罗福强. 小型内燃机与摩托车. 2011(03)
[6]缸内直喷天然气发动机的开发[J]. 邹博文,李静波,李开国,葛晓成. 汽车技术. 2011(05)
[7]船用柴油机电控系统半物理仿真平台开发研究[J]. 宋恩哲,宋百玲,马修真. 哈尔滨工程大学学报. 2010(09)
[8]HCCI技术应用于大型天然气发动机的潜力[J]. Gerhard Kogler,王凤. 国外内燃机车. 2008(06)
[9]压缩着火天然气发动机的技术现状与展望[J]. 张德福. 天津航海. 2008(02)
[10]单燃料天然气发动机缸内直喷技术研究[J]. 郭辉,刘新田,黄虎,张振东. 上海工程技术大学学报. 2008(01)
硕士论文
[1]天然气发动机排放特性及控制研究[D]. 许自顺.山东大学 2017
[2]天然气发动机缸内预混燃烧循环变动的研究[D]. 马志振.合肥工业大学 2017
[3]基于PSCAD的双机双桨综合电力推进系统建模与仿真[D]. 赵鑫.哈尔滨工程大学 2013
[4]柴油机工作过程的Simulink建模仿真研究[D]. 王纪元.大连理工大学 2008
[5]基于Simulink的柴油机及其控制系统的建模与仿真研究[D]. 刘孟祥.湖南大学 2001
本文编号：3439460
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dongligc/3439460.html
