[00770878]车用氢燃料发动机燃烧过程的优化控制方法研究

能源结构变革与环境恶化问题的关注度日益增强。氢燃料以其在能源和环保两方面的独特优势及用于汽车发动机的良好性能被认为是最具前景的未来汽车的主导燃料。该项目受国家自然科学基金等纵向课题资助，在国内率先开展了氢燃料发动机燃烧与优化控制方法的研究工作10余年，在该领域具有广泛的学术影响。研究工作与成果主要有：理论方面：①从氢燃料的物化特性和燃烧特征着手，分析燃烧的湍流火焰结构和燃烧化学反应动力学，建立了包括准维湍流卷吸燃烧、湍流火焰传播速度、燃烧化学反应动力学以及传热损失等模块的燃烧模型。研究了结构参数和运转参数对氢发动机混合气形成和燃烧的影响。揭示了氢发动机的混合气形成与燃烧特征的时空分布与演变规律。②对主要运转参数（点火正时、当量比和转速）、喷氢参数（喷氢正时、喷氢量）、喷射系统（喷射角度、喷嘴面积、喷射压力）及喷射方式（多次喷射、分路及分截面喷射）组合方案下的异常燃烧（早燃、回火）进行了研究，揭示了它们产生、发展与转化机制。③基于燃烧化学反应动力学，通过分析氢发动机的状态参数和运转参数等与链式反应、燃烧反应速率、火焰传播速度的关系。进一步揭示了氢发动机异常燃烧的发展机理及转化机制。为解决异常燃烧与提高功率的矛盾奠定了理论与技术基础。④提出氢发动机的优化控制方法，建立起分段多目标最优控制模型。通过对氢发动机动力性、经济性及排放特性等多个目标的优化过程并行化和随运转工况的动态调整，将分变量、分目标、分工况的优化控制问题集成实现为单目标的优化控制方法。⑤将质量传递、能量传递等热力学分析方法与非线性控制系统状态空间分析方法相结合，建立氢发动机的非线性燃烧控制数学模型，从机理上深层次揭示氢发动机燃烧和能量传递与运转参数、状态参数、性能指标之间的内在联系，为通过优化控制运转参数，改变缸内状态参数，改善性能指标和解决异常燃烧问题奠定理论分析与实验研究基础。技术方面：①建立起开闭环相结合的双模式控制系统，实现对控制变量的分级控制(粗控和细控）为氢发动机的复杂化控制问题及提高控制精度建立了新方法。②将分目标、分工况的控制集成为单目标的优化控制技术，为解决氢发动机优化目标的多样化和复杂化控制问题及提高控制精度奠定了技术基础。③研发了完全具有自主知识产权的4代氢发动机专用电控系统（获得授权国家发明专利3项）。试验方面：①建立起国内为数不多的氢发动机试验系统。②揭示了不同运转参数与结构参数下的燃烧特性。项目在SCI/EI期刊源论文22篇，其中8篇代表性论文在《Int.J of Hydrogen Energy》上发表(SCI与EI双收录)。该期刊为Top期刊，多年为JCR SCI一区与中科院分区SCI一区期刊（经中国科学院文献情报中心查新，2008-2012年间均为SCI一区期刊）。出版专著2部。研究结果得到国内外学术界和同行广泛关注。