本發(fā)明屬于氫內(nèi)燃機(jī)，尤其是涉及一種兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的控制策略優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、目前，氫能是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、產(chǎn)業(yè)升級和能源轉(zhuǎn)型的綠色可再生能源之一。同時，氫氣作為零碳燃料，可替代傳統(tǒng)化石燃料，降低燃料燃燒后的含碳污染物。因此，氫內(nèi)燃機(jī)替代傳統(tǒng)化石燃料內(nèi)燃機(jī)具有良好前景。

2、與進(jìn)氣道噴射氫內(nèi)燃機(jī)相比，缸內(nèi)直噴氫內(nèi)燃機(jī)的新鮮空氣不占據(jù)進(jìn)氣道體積，容積效率更高，且缸內(nèi)直噴氫內(nèi)燃機(jī)借助高噴射壓力，噴射脈寬短，可實現(xiàn)靈活的噴射策略，避免異常燃燒、提升有效熱效率(bte,brake?thermal?efficiency)。但是缸內(nèi)直噴的最高燃燒壓力增加，燃燒溫度升高，導(dǎo)致氮氧化物(nox,nitrogen?oxide)的排放量增加增多，因此bte與nox之間存在著矛盾關(guān)系。采用合理的多次噴射可以平衡bte和nox之間的矛盾關(guān)系，多次噴射策略包括一次噴射起始相位(soi，start?ofinjection)、二次噴射結(jié)束相位(seoi，second?end?ofinjection)，二次噴射比例(simp，split?injection?massproportion)和點火時刻(ig，ignitiontiming)等參數(shù)。每個控制變量標(biāo)定所需要的試驗工作量大，缺少合理的優(yōu)化方法有效降低試驗工作量。本研究結(jié)合爬坡試驗、響應(yīng)面曲線、方差分析提供一種兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的控制策略優(yōu)化方法，同時減少試驗次數(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的控制策略優(yōu)化方法，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的在平衡有效熱效率與氮氧化物的關(guān)系時所需的試驗工作量大的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的控制策略優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、步驟1、根據(jù)氫內(nèi)燃機(jī)的匹配需求及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，確定需要達(dá)到的有效熱效率bte的目標(biāo)值和氮氧化物nox排放量限值，同時設(shè)置氫內(nèi)燃機(jī)噴射系統(tǒng)的噴射參數(shù)；

4、步驟2、對噴射控制參數(shù)和點火參數(shù)(ig，ignitiontiming)進(jìn)行單因素爬坡試驗，其中噴射控制參數(shù)包括一次噴射起始相位參數(shù)(soi，start?ofinjection)、二次噴射結(jié)束相位參數(shù)(seoi，second?end?ofinjection)，二次噴射比例參數(shù)(simp，split?injectionmass?proportion)；

5、步驟3、待運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后讀取測功機(jī)測試得到bte數(shù)值和nox濃度數(shù)值，獲得單因素爬坡試驗的優(yōu)化區(qū)間；

6、步驟4、根據(jù)步驟3得到的優(yōu)化區(qū)間，在minitab中基于響應(yīng)面分析法的中心組合設(shè)計，設(shè)計試驗工況；

7、步驟5、根據(jù)步驟4設(shè)計得到的工況，開展氫內(nèi)燃機(jī)有效熱效率和nox排放試驗測試工作，獲得不同噴射控制參數(shù)和點火參數(shù)下的bte和nox數(shù)據(jù)；

8、步驟6、將試驗獲得的bte和nox數(shù)據(jù)輸入到minitab軟件，建立完全二階的響應(yīng)面優(yōu)化方程；

9、步驟7、通過方差分析，判斷bte和nox的響應(yīng)面優(yōu)化方程各項的p-value值，進(jìn)行擬合精度檢驗；

10、步驟8、根據(jù)擬合精度后得到新的響應(yīng)面優(yōu)化方程，在響應(yīng)優(yōu)化器中設(shè)置bte和nox的權(quán)重，通過擬合精度后得到的新響應(yīng)面優(yōu)化方程得到新噴射控制參數(shù)和點火參數(shù)；

11、步驟9、基于擬合精度后得到的新響應(yīng)面優(yōu)化方程的新噴射控制參數(shù)和點火參數(shù)，開展驗證試驗，若獲得的試驗值位于新響應(yīng)面優(yōu)化方程的95％置信區(qū)間內(nèi)，則認(rèn)為該新響應(yīng)面優(yōu)化方程有效，執(zhí)行下一步，否則返回執(zhí)行步驟7；

12、步驟10、根據(jù)步驟9中得到的有效的響應(yīng)面優(yōu)化方程獲得兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的標(biāo)定參數(shù)。

13、優(yōu)選的，步驟1中氫內(nèi)燃機(jī)噴射系統(tǒng)的噴射參數(shù)包括噴射壓力、噴射脈寬，其中噴射脈寬根據(jù)發(fā)動機(jī)的目標(biāo)功率反求得到，噴射壓力取決于發(fā)動機(jī)設(shè)計與車載氫氣噴嘴的壓力上限，噴射壓力的取值范圍為：6-12mpa。

14、優(yōu)選的，有效熱效率bte的計算表達(dá)式如下：

15、

16、式中，p為測得的氫內(nèi)燃機(jī)當(dāng)前輸出功率，單位為kw；mh為測得的氫氣質(zhì)量流量，單位為kg/h。

17、優(yōu)選的，通過控制變量法對噴射控制參數(shù)和點火參數(shù)進(jìn)行單因素爬坡試驗。

18、優(yōu)選的，步驟3中單因素爬坡試驗的優(yōu)化區(qū)間具體為：以出現(xiàn)的拐點為中心值，一次噴射起始相位參數(shù)選取中心值前后±10°ca為優(yōu)化區(qū)間；二次噴射結(jié)束相位參數(shù)選取中心值前后±10°ca為優(yōu)化區(qū)間；二次噴射比例參數(shù)選取中心值前后±15％為優(yōu)化區(qū)間；點火參數(shù)選取中心值前后±2°ca為優(yōu)化區(qū)間。

19、優(yōu)選的，步驟6中建立的完全二階的響應(yīng)面優(yōu)化方程的表達(dá)式如下：

20、

21、式中，y表示bte或nox的響應(yīng)變量，b0表示常量，b1、b2,...,bk是系數(shù)，x1,x2,...,xk是對應(yīng)的噴射控制參數(shù)和點火參數(shù)的項，∈是誤差項。

22、優(yōu)選的，步驟7中通過方差分析，判斷bte和nox的p-value值，進(jìn)行擬合精度檢驗的具體內(nèi)容為：若p-value<0.05時，認(rèn)為該項是對bte和nox影響顯著的變量，則保留p-value<0.05的項及p-value<0.05的復(fù)合項所對應(yīng)的單項；否則刪除對應(yīng)的項。

23、優(yōu)選的，步驟8中根據(jù)擬合精度后得到新響應(yīng)面優(yōu)化方程的表達(dá)式如下：

24、

25、式中，y新表示bte或nox的新響應(yīng)面優(yōu)化方程的響應(yīng)變量，b0表示常量，b1、b2,...,bm是新系數(shù)，x1,x2,...,xm是對應(yīng)的新噴射控制參數(shù)和點火參數(shù)的項，∈是誤差項，m<k。

26、優(yōu)選的，通過調(diào)整后擬合精度的值判斷新響應(yīng)面優(yōu)化方程的準(zhǔn)確性，其中調(diào)整后擬合精度的計算表達(dá)式如下：

27、r2＝1-sse/sst

28、

29、

30、

31、式中，r2為擬合精度，為調(diào)整后擬合精度，sse是殘差平方和，反映了由隨機(jī)誤差引起的響應(yīng)觀察值的不均勻程度，yi是第i個響應(yīng)觀測值，是模型對第i個響應(yīng)觀測值的響應(yīng)預(yù)測值，n是觀測值的數(shù)量，sst是總平方和，反映了響應(yīng)觀察值的不均勻程度，是n次試驗響應(yīng)觀測值的平均值，p為響應(yīng)面模型項數(shù)；其中，若則需要重新開展氫內(nèi)燃機(jī)試驗；否則認(rèn)為新響應(yīng)面優(yōu)化方程具有準(zhǔn)確性。

32、因此，本發(fā)明采用上述一種兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的控制策略優(yōu)化方法，基于響應(yīng)面模型優(yōu)化設(shè)計方法能夠建立氫內(nèi)燃機(jī)有效熱效率和氮氧化物排放量與噴射控制參數(shù)和點火參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，然后進(jìn)行擬合精度從而生成新響應(yīng)面優(yōu)化方程，通過新響應(yīng)面優(yōu)化方程可減少試驗次數(shù)，從而為氫內(nèi)燃機(jī)的性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。

33、下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

技術(shù)特征：

1.一種兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的控制策略優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的控制策略優(yōu)化方法，其特征在于：步驟1中氫內(nèi)燃機(jī)噴射系統(tǒng)的噴射參數(shù)包括噴射壓力、噴射脈寬，其中噴射脈寬根據(jù)發(fā)動機(jī)的目標(biāo)功率反求得到，噴射壓力取決于發(fā)動機(jī)設(shè)計與車載氫氣噴嘴的壓力上限，噴射壓力的取值范圍為：6-12mpa。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的控制策略優(yōu)化方法，其特征在于，有效熱效率bte的計算表達(dá)式如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的控制策略優(yōu)化方法，其特征在于：通過控制變量法對噴射控制參數(shù)和點火參數(shù)進(jìn)行單因素爬坡試驗。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的控制策略優(yōu)化方法，其特征在于，步驟3中單因素爬坡試驗的優(yōu)化區(qū)間具體為：以出現(xiàn)的拐點為中心值，一次噴射起始相位參數(shù)選取中心值前后±10°ca為優(yōu)化區(qū)間；二次噴射結(jié)束相位參數(shù)選取中心值前后±10°ca為優(yōu)化區(qū)間；二次噴射比例參數(shù)選取中心值前后±15％為優(yōu)化區(qū)間；點火參數(shù)選取中心值前后±2°ca為優(yōu)化區(qū)間。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的控制策略優(yōu)化方法，其特征在于，步驟6中建立的完全二階的響應(yīng)面優(yōu)化方程的表達(dá)式如下：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的控制策略優(yōu)化方法，其特征在于，步驟7中通過方差分析，判斷bte和nox的p-value值，進(jìn)行擬合精度檢驗的具體內(nèi)容為：若p-value<0.05時，認(rèn)為該項是對bte和nox影響顯著的變量，則保留p-value<0.05的項及p-value<0.05的復(fù)合項所對應(yīng)的單項；否則刪除對應(yīng)的項。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的控制策略優(yōu)化方法，其特征在于，步驟8中根據(jù)擬合精度后得到新響應(yīng)面優(yōu)化方程的表達(dá)式如下：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的控制策略優(yōu)化方法，其特征在于：通過調(diào)整后擬合精度的值判斷新響應(yīng)面優(yōu)化方程的準(zhǔn)確性，其中調(diào)整后擬合精度的計算表達(dá)式如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的控制策略優(yōu)化方法，屬于氫內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域，步驟1、確定BTE目標(biāo)值和NO<subgt;x</subgt;排放量限值；步驟2、對噴射控制參數(shù)和點火參數(shù)進(jìn)行單因素爬坡試驗；步驟3、讀取測試得到BTE數(shù)值和NO<subgt;x</subgt;濃度數(shù)值獲得優(yōu)化區(qū)間；步驟4、設(shè)計試驗工況；步驟5、開展氫內(nèi)燃機(jī)試驗，獲得不同噴射控制參數(shù)和點火參數(shù)下的BTE和NO<subgt;x</subgt;數(shù)據(jù)；步驟6、建立完全二階的響應(yīng)面優(yōu)化方程；步驟7、判斷BTE和NO<subgt;x</subgt;的P?value值，進(jìn)行擬合精度檢驗；步驟8、得到新的響應(yīng)面優(yōu)化方程，在響應(yīng)優(yōu)化器中設(shè)置BTE和NO<subgt;x</subgt;的權(quán)重，得到新噴射控制參數(shù)和點火參數(shù)；步驟9、基于新噴射控制參數(shù)和點火參數(shù)，開展驗證試驗；步驟10、獲得兼顧氫內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放性的標(biāo)定參數(shù)。

技術(shù)研發(fā)人員：張詩蔚,孫柏剛,羅慶賀,尹浩雨
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10