稀燃天然气发动机燃烧系统动力学特性与混沌预测研究

Lean-burn natural gas engine has the advantages of high thermal efficiency and low NOx emissions, so it is considered to be one of the most important techniques to meet the increasingly strict fuel economy and emission regulations requirements. However, combustion stability is very sensitive to initial conditions, small-scale fluctuations of boundary parameters can lead to serious combustion cyclic variations, combustion systems exhibit complex chaos characteristics, and internal non-linear dynamics evolvement mechanism of combustion system is not clear at present. Using the orthogonal test and regression analysis method, interaction mechanism of boundary parameter random, small scale fluctuation and combustion system will be studied in this project. Based on chaos theory and nonlinear dynamic data analysis technology, characteristics identification of complicated dynamic process and quantitative analysis of key influence factors will be performed to the combustion system, accordingly critical conditions of producing chaos and evolutionary path will be determined. Nonlinear prediction model of the combustion system will be established to forecast combustion system evolution law. Through this project it will reveal the internal nonlinear dynamics rule of lean-burn natural gas engine combustion system, master the methods of combustion system dynamic identification, non-linear modeling and chaos prediction. Thus it will establish theoretical basis to realize stability controlling of lean-burn natural gas engine, extending lean combustion boundary and improving fuel economy and emissions.

稀燃天然气发动机具有热效率高和NOx排放低等优点，被认为是满足越来越严格燃料经济性和排放法规要求的重要技术途径之一，但稀燃边界附近燃烧稳定性对边界条件变化异常敏感，边界参数微小波动将会导致严重的发动机燃烧循环变动，燃烧系统表现出复杂的动力学混沌特征，但目前对燃烧系统内在的非线性动力学演化机理还不清楚。本项目利用正交试验、回归与相关性分析方法，研究边界参数循环小尺度波动对发动机燃烧系统的耦合作用机理；基于混沌理论和非线性动力学分析技术，对燃烧系统复杂动力学行为进行特性识别和关键影响因素量化分析，确定混沌产生的临界条件及演化途径；建立燃烧系统的非线性预测模型，对燃烧系统的动力学演化规律进行混沌预测。通过本项目研究，揭示稀燃天然气发动机燃烧系统内在的动力学规律，掌握燃烧系统动力学特性识别、非线性建模和混沌预测方法，为实现稀燃天然气发动机燃烧稳定性控制、进一步改善发动机经济性和排放性奠定理论基础。

稀燃天然气发动机由于具有热效率高和NOx排放低等优点，被认为是满足越来越严格经济性和排放法规要求的重要技术途径之一，但稀燃边界附件燃烧稳定性对边界条件变化异常敏感，部分燃烧和失火出现概率增加导致严重的发动机燃烧循环变动问题，燃烧系统表现出明显的非线性混沌特征，而目前对燃烧系统内在的动力学演化机理还不清楚。本项目利用正交试验、回归与相关性分析方法，研究边界参数小尺度波动对燃烧系统的耦合作用机理；基于混沌理论和非线性动力学数据分析技术，对燃烧系统的复杂动力学过程进行特性识别和关键影响因素量化分析，确定混沌产生的临界条件及演化途径；建立燃烧系统的非线性预测模型，对燃烧系统的演化规律进行预测。结果表明：不同边界条件下燃烧系统的吸引子具有复杂、扭曲、折叠、缠绕的几何结构，但是系统运动轨线表现为有限范围内非周期的有序，随着λ、EGR的增加和SAA的减小，吸引子结构变小且越来越疏松，重现率先降低后增加，燃烧系统具有连续的功率谱，系统关联维为分数，最大Lyapnov指数LLE为正数且逐渐增加，说明要描述系统状态所需的独立变量的个数增加，燃烧系统对初始条件的敏感性增加，系统的可预测性下降，天然气发动机燃烧系统表现出明显混沌特征。利用神经网络方法，在多维相空间内，利用多种不同的神经网络算法对天然气发动机时间序列进行了预测分析，建立的模型均能够较好的实现数据预测功能。通过本文研究，为天然气发动机燃烧过程的混沌预测和控制、扩展发动机稳定燃烧边界，以及优化天然气发动机的综合性能，提供了基础研究数据。