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基于模型的天然气发动机转矩控制研究的中期报告

摘要：

本研究基于模型的方法，探讨了天然气发动机转矩控制的设计与优化。首先，建立了天然气发动机的数学模型，考虑了多种因素的影响，如燃烧室的容积、进气阻力、燃烧参数等。然后通过对模型进行仿真计算，得到了发动机的转速和转矩随时间的变化情况，并进行了参数调整，使模拟结果更加准确。最后，提出了一种自适应控制策略，能够根据实时的工况条件进行转矩控制。通过对模拟结果的分析，证明了该策略的有效性。

关键词：天然气发动机；模型；转矩控制；自适应控制

Abstract：

Inthisstudy,amodel-basedapproachisemployedtoexplorethedesignandoptimizationoftorquecontrolfornaturalgasengines.First,amathematicalmodelofthenaturalgasengineisestablished,takingintoaccountvariousfactorssuchasthevolumeofthecombustionchamber,intakeresistance,andcombustionparameters.Then,throughsimulationcalculationofthemodel,thevariationofenginespeedandtorquewithtimeisobtained,andparameteradjustmentiscarriedouttomakethesimulationresultsmoreaccurate.Finally,anadaptivecontrolstrategyisproposedtoachievetorquecontrolaccordingtoreal-timeoperatingconditions.Theeffectivenessofthestrategyisdemonstratedthroughanalysisofsimulationresults.

Keywords:naturalgasengine;model;torquecontrol;adaptivecontrol

一、问题描述

天然气作为清洁能源之一，具有环保、高效等优点，越来越受到人们的重视。天然气发动机作为其中的主要应用之一，其燃烧过程的控制和优化显得尤为重要。本研究将基于模型的方法，探讨天然气发动机的转矩控制问题，旨在提高发动机的效率和性能。

二、模型建立

1、基本假设与符号说明

（1）假设流体为理想气体，满足理想气体状态方程。

（2）假设发动机的运动状态为稳态。

（3）假设发动机内部的燃烧过程为均相反应，且符合完全燃烧模型。

符号说明：

V：燃烧室体积（m^3）

p：气压（Pa）

T：温度（K）

m：燃料质量流量（kg／s）

n：空气（或氧气）的质量流量（kg／s）

νf：燃料的摩尔体积（m^3／mol）

νa：空气的摩尔体积（m^3／mol）

LHV：燃料的低位发热值（J／kg）

ηc：压缩机和风扇的总效率

ηt：涡轮机和传动装置的总效率

2、数学模型的建立

根据能量守恒定律和摩尔定律，可以得到天然气发动机的数学模型：

（1）燃烧室内的气体温度和压力

pV=nRT

其中，R为气体常数。

（2）燃料燃烧释放的热量

Qr=m×LHV

（3）进气压缩

p2V2=p1V1×ηc

其中，p1、V1为进气口处的压力和体积，p2、V2为燃烧室内的压力和体积，ηc为压缩机和风扇的总效率。

（4）动力输出

T=ηt×(mLHV/νf?nνa)

其中，ηt为涡轮机和传动装置的总效率，νf为燃料的摩尔体积，νa为空气的摩尔体积。

（5）燃料流量

m=T/（LHV×ηt/νf?νa×n/νf）

三、模拟计算和参数调整

基于上述数学模型，可结合Matlab等工具进行仿真计算和分析。通过对模拟结果的分析，可以进行参数调整，使得模拟结果更加准确。

四、自适应控制策略

在实际工作中，发动机的工况条件经常会发生变化，因此需要一种自适应控制策略，能够根据实时的工况条件进行转矩控制。具体控制策略如下：

（1）根据当前的工况条件（如车速、转速、环境温度等），计算出所需的转矩。

（2）根据当前发动机的实际转速和转矩，计算出发动机的效率和性能指标。

（3）根据实际效率和性能指标与期望指标的差距，调整发动机的控制参数，使其更加接近期望值。

五、结果分析

通