（车辆工程专业论文）基于bp神经网络的内燃机排放性能建模与应用研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第l 页 摘要 随着内燃机应用领域的不断扩大、内燃机数量的急剧增加( 以汽 车保有量剧增为代表) 以及对大气污染控制的日益严格，内燃机排放 及控制问题的研究成为一个热点。本文针对内燃机排放研究手段存在 的问题一一试验研究所需设备复杂、昂贵；数学建模研究影响因素多 而复杂，且无明确的规则可遵循( 因内燃机燃烧及排放形成机理尚未 完全探明) ，提出利用神经网络理论建立基于普通试验设备、少量排放 试验数据、不用复杂的数学建模与计算即可预测内燃机稳态排放性能、 汽车工况法排放以及进气成分对排放的控制作用模型的设想，并进行 了实旖。主要工作为： 1 ) 在充分研究b p 神经网络理论及内燃机系统工作特点的基础上， 提出了完整的基于b p 神经网络的内燃机稳态排放性能模型建模方法。 其中，样本确定采用作者提出的变边界新正交设计法：利用6 1 3 5 z g 柴 油机试验台测取了建模所需的训练及测试样本。在此基础上，建立了 内燃机稳态排放性能预测模型，并将该模型成功地用于内燃机稳态排 放特性及十三工况循环排放预测。 2 ) 在对内燃机瞬态排放与稳态排放差异及影响因素进行深入分析 的基础上，提出基于内燃机稳态测试进行汽车工况法排放预测的双模 型预测法。为实现这个方法，首先由计算得到汽车工况法测试循环对 应的发动机工况，然后根据作为对象发动机的非增压( 或低增压) 柴 油机的工作及排放特点，假定过渡过程按准稳态进行、柴油机冷起动 时温升呈线性，在稳态模型基础上，增加输入层神经元和表征发动机 热力状态变化的学习样本，建立了内燃机冷起动后暖机过程排放预测 模型。将该模型与上述稳态排放模型相结合。以1s 间隔预测了汽车按 欧洲经济委员会测试规范e c e 1 5 运行时的排放变化规律。 3 ) 把神经网络理论引入内燃机排放控制研究，提出了基于单因素 试验进行多因素综合影响预测的建模方法，并以进气成分对柴油机排 放的控制作用研究为例进行了实施。得出了在该机条件下为获得良好 西南交通大学博士研究生学位论文第1 i 页 排放性而又不致使动力性、经济性下降太多的各成分的范围。 由于该法的依据是试验数据，预测结果不依赖于发动机的数学模 型，不会因建模过程中过多的假设而影响预测精度，可在对内燃机结 构参数及有害排放形成机理不完全清楚的情况下使用，且所需的试验 设备少而普通，不仅能节省研究所需的经费、缩短研究周期，而且， 一些受试验条件的限制而无法进行的试验也可根据神经网络的高度非 线性映射能力和泛化能力来预测。所以，作者认为，该法不失为一种 快速、准确地预测内燃机排放性能的新方法。 另外，该法还普遍适用于各种类型的发动机，如柴油机、汽油机、c n g 发动机和l p g 发动机等，即与发动机所使用的燃料、结构类型等无关。因为 建模的依据是相应发动机的实测数据，便于推广使用。 由此可见，该法的提出为内燃机性能研究提供了一条新思路和一 个新手段。并且，由于对试验条件要求的降低，可大大加快排放法规 的实施进程，具有较高的理论意义和工程应用价值。 j- 关键词：内燃机；排放控制：神经网络；正交设计法 西南交通大学博士研究生学位论文第| ii 页 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ee m i s s i o na n di t sc o n t r o lo fi n t e r n a lt o m b u s t i o n e n g i n e ，w h o s ea p p l i c a t i o ne n l a r g i n ga n dq u a n t i t yi n c r e a s i n gq u i c k l y ( a u t o m o b i l ei sar e p r e s e n t a t i v e ) ，a r eb e c o m i n gah o t s p o t ，b e c a u s ea i r p o l l u t i o nc o n t r o lb e c o m e ss t r i c t e r c o n s i d e r i n gt h er e s e a r c ht r o u b l es u c h a sc o s t l ya n dc o m p l i c a t e dt e s t i n ge q u i p m e n t s ，l o t so fa f f e c t e df a c t o ri n m a t h e m a t i cm o d e l i n ga n dw i t hn oc l e a rl a wt ob ef o l l o w e de t c ，am o d e l b a s e do nn e u r a ln e t w o r kt h e o r yw i t hg e n e r a lt e s t i n ge q u i p m e n t s ，l e s s t e s t i n gd a t aa n dn o r m a lc o m p l i c a t e dm a t h e m a t i cc a l c u l a t i o ni sp r e s e n t e d i nt h i sp a p e r ，w h i c hp r e d i c t e de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs t a t i o n a r yo r a u t o m o b i l eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dc o n t r o le f f e c to fi n l e ti n g r e d i e n tt o e m i s s i o nr e s u l t t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 ) f o re s t a b l i s h m e n t o ft h es t a t i o n a r ye m i s s i o np r e d i c a t i o nm o d e l ，a c o m p l e t em o d e l i n gm e t h o db a s e do nb pn e u r a ln e t w o r ki sb r o u g h t f o r w a r d ，w h i c hi sar e s u l to fu n d e r s t a n do fn e u r a ln e t w o r ka n d i n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e a c c o r d i n g t o t h i s ，as t a t i o n a r y p r e d i c a t i o nm o d e li s s e tu pw i t ht r a i n i n ga n dc h e c k i n gs a m p l e sg o t f r o m6 1 3 5 z gd i e s e lt e s t sa n ds e l e c t e db yan e wm e t h o d v a r i a b l e e d g eo r t h o n o r m a lp l a n n i n gm e t h o dp u tf o r w a r db ya u t h o r t h em o d e l a p p l i e st oe m i s s i o np r e d i c t i o no ft h es t a t i o n a r ya n dt h i r t e e no p e r a t i n g c o n d i t i o n ss u c c e s s f u l l y 2 ) b a s e do n t h es t u d yo ft h ed i f f e r e n c e sa n di n f l u e n c ef a c t o r so f t r a n s i e n ta n ds t a t i o n a r yc o n d i t i o ne m i s s i o nad o u b l em o d e lm e t h o d p r e d i c t i n gt h ee m i s s i o ni na u t o m o b i l eo p e r a t i n gc o n d i t i o nb a s e do n e n g i n es t a t i o n a r yt e s t i n gw a sp u tf o r w a r d f i r s t ，t r a n s f e rt h et e s t c y c l e s f r o ma u t o m o b i l ec o n d i t i o nt o e n g i n ec o n d i t i o n ；s e c o n d ， a c c o r d i n gt ot h ew o r ka n de m i s s i o nc h a r a c t e r so fn o n t u r b o c h a r g e d f o rl o wp r e s s u r et u r b o e h a r g e dd i e s e l ，a s s u m et h a tt r a n s i t i o np r o c e s s i sq u a s is t a t i o n a r yo n ea n dd i e s e lt e m p e r a t u r er i s e sl i n e a r l yi nc o l d s t a r t i n gp e r i o d f i n a l l y ，t h en e u r a lc e l l so fi n p u tl a y e ra r ei n c r e a s e d 西南交通大学博士研究生学位论文 第1 v 页 a n ds t u d ys a m p l e si n d i c a t i n gt h et h e r m o d y n a m i cs t a t u so fe n g i n ea r e a d d e dt ot h es t a t i o n a r ym o d e l ，a n dae m i s s i o np r e d i c a t i o nm o d e l d u r i n gw a r m i n gp r o c e s s i n ga f t e rc o l ds t a r t i n gi sf o u n d t h i sm o d e l c o m b i n e dw i t ht h es t a t i o n a r ym o d e la b o v e ，c a np r e d i c te m i s s i o nl a w o fa u t o m o b i l er u na c c o r d i n gt oe c e 一15p e rs e c o n d 3 ) w i t ht h en e u r a ln e t w o r kt h e o r yi n t r o d u c e di n t o e m i s s i o nc o n t r o l r e s e a r c h ，am o d e l i n gm e t h o dt op r e d i c tm u l t i - f a c t o r sc o m p r e h e n s i v e i n f l u e n c eb a s e do ns i n g l ef a c t o rt e s ti ss e tu p w i t ht h i sm o d e l ，a r e s e a r c hh o wt h ei n l e ti n g r e d i e n t sc o n t r o ld i e s e le m i s s i o ni s c o m p l e t e da n dt h er a n g eo fe a c hc o m p o s i t i o n ，w h i c hg o tag o o d e m i s s i o nr e s u l tw h i l ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e ra n de c o n o m yw e r e a f f e c t e dl i t t l ei so b t a i n e df o rr e b i nd y 4 1 dd i e s e l t h eb a s i so ft h i sp r e d i c a t i o nm e t h o di st h et e s td a t a ，i t sp r e d i c a t i n g r e s u l tn o td e p e n do nt h ed i e s e ln m a t h e m a t i cm o d e l w h e ns t r u c t u r a l p a r a m e t e r s a n de m i s s i o nf o r m a t i o nm e c h a n i s ma r en o td e e p l y u n d e r s t o o d , t h i sm e t h o dc a nb eu s e dw i t hl e s sg e n e r a le q u i p m e n t sa n d g e t a g o o dr e s u l t w i t hl e s sf u n d sa n ds h o r t e rr e s e a r c h p e r i o d a d d i t i o n a l l y ，l i m i t e db yt e s tc o n d i t i o n ，s o m ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sc a n n o tb e o b t a i n e db u tc a nb e p r e d i c a t e d w i t ht h ec a p a b i l i t yo fh i g h n o n l i n e a rm a p p i n ga n ds p r e a d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fn e u r a ln e t w o r k s o t h i si sar e a ln e w 、q u i c ka n da c c u r a t em e t h o d o n l yd e p e n d i n go nt e s t i n gd a t aa n dn o tr e l a t e dt of u e la n ds t r u c t u r e ， t h i sm o d e lc a na p p l i e st od i f f e r e n tn o n t u r b o c h a r g e d ( o rl o wt u r b o c h a r g e d ) e n g i n e s ，s u c ha sd i e s e l ，g a s o l i n ee n g i n e ，c n ga n dl pg ，a n di se a s yt o s p r e a d s o ，t h i sn e wm e t h o dw i t hl o w e rr e q u i r e m e n tc a nf a c i l i t a t ee x e c u t i o n o fe m i s s i o nr u l e s ，o w nh i g h e rt h e o r ym e a n i n ga n dw i d e re n g i n e e r i n g p r a c t i c a lv a l u e ， k o y w o r d s ：i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ；n c u r a ln e t w o r k ；o r t h o n o r m a l p l a n n i n gm e t h o d 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇集本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在 2 不保密， 学位论文作者签名： 年解密后适用本授权书； 适用本授权书。 圉扒 日期：为咿嘻年，月日 指导如签名：雅镀姒 1 7 1 期：2 即4 年s 月站日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的 研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 提出利用神经网络理论建立基于普通试验设备、少量排放试验 数据、不用复杂的数学建模与计算即可全面预测内燃机排放性能的方 法。内容包括：1 ) 基于少量工况测试预测内燃机全工况排放性能的方 法；2 ) 基于内燃机稳态工况测试建立汽车工况法排放预测模型的方法； 3 ) 基于神经网络的内燃机排放控制研究方法。( 第3 6 章) 2 针对内燃机功率边界非常量的特点，提出变边界的新正交设计 法，并将其成功地用于神经网络学习样本设计。( 第4 章) 3 提出基于双模型的汽车工况法排放预测方法，顺利地解决了汽 车发动机在不同热力状态下排放的预测。( 第5 章) 4 把神经网络引入内燃机排放控制机理研究，提出基于单因素试 验进行多因素综合影响预测的建模方法。( 第6 章) 学位论文作者： 日期：2 0 0 4 年3 月2 0 日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 内燃机排放性能研究进展 内燃机的排放性能是指用各污染物的排放指标( 排放物的浓度、里 程排放量等) 表征的内燃机的排放情况及其随发动机类型( 汽油机、柴 油机等) 、使用条件、运转工况、排气净化措施的采用等的变化情况。 其研究内容按内燃机的工作状态，可分为稳态排放性能和瞬态排放性 能。按研究目的的不同，前者又包含内燃机排放特性曲线研究和排放 法规要求的稳态工况排放( 如十三工况法) 研究；后者包含内燃机过 渡工况( 加速工况、减速工况等) 排放研究和汽车排放法规规定的由 一系列工况组合而成的汽车工况法( 如e c e - 1 5 工况法) 排放研究。此 外，还包含在内燃机排放控制机理研究、排放控制措施研究中涉及的 不同参数对排放的影响等问题的研究。 1 1 1 内燃机排放性能研究的目的和方法 内燃机是当今世界上热效率最高、使用范围最广的动力机械，汽 车、机车、拖拉机、坦克、船舶、军舰、发电机组、物料搬运机械、 土方机械、排灌机械等无不以内燃机为动力。但内燃机的排气又是造 成大气污染的主要来源之一，仅汽车发动机一项带来的污染就占城市 全部大气污染物的6 0 - 7 0 。随着汽车数量的不断增加，一些大城市 已从工业污染型变为汽车污染型。为了保护人类赖以生存的大气环境， 必须严格限制来自内燃机的污染。为此，现阶段内燃机的设计和改进 目标已从以前的只注重动力性和经济性转变为经济性和排放性并重。 因为随着内燃机技术的进步，已有1 0 0 多年历史的内燃机其动力性己 不成问题但考虑到能源危机的存在和日益严重的大气污染，使得人 们不得不把经济性和排放性作为主要控制目标同时考虑。 西南交道六学博士研究生学位论文第2 页 1 1 1 1 内燃机排气的组成与有害物质 内燃机是依靠燃料在气缸内燃烧，产生高温、高压的工质( 燃气) ，推 动活塞下行对外做功，将燃料的化学能转化为机械能的。从理论上讲，碳氢 燃料在空气中完全燃烧后的产物为c o 。、h 2 0 蒸汽和未被利用的0 。和n ：，这 些物质从毒物学的观点来看是无害的。但由于内燃机的燃料往往含有杂质和 添加剂，且燃料燃烧总是不完全的，加上内燃机工作过程中的许多复杂原因， 使得内燃机的排气成分除上述4 种之外，还有c 0 、h c ( 碳氢化合物) 、n o x ( 氮氧化物) 、微粒( 铅化物、碳烟、油雾、有机物) 、臭气( 甲醛、丙烯醛) 等。这些成分的质量总和在内燃机排气中所占的比例不大，如在汽油机中只 占5 ，在柴油机中只占1 ，但它们中大部分是有害的，或有强烈刺激性的 臭味，有的还有致癌作用，因此被列为有害排放物。 内燃机的排气成分及其排放量与发动机类型、结构、运转条件及所用燃 料的品质、内燃机产品的技术水平等多种因素有关。表1 - 1 和表卜2 分别给 出各类内燃机有害排放物的比较及汽车在不同运转工况下有害排放量的比 较“。 表卜1 各类内燃机有害排放物的比较 、进垫物 ， 微粒 类型 、 c 0h cn o |s 也 铅化物碳烟油雾 臭气 汽油机四冲程多 d 】 多很少多少少中 二冲程多多少很少多少多多 柴油机少 少 中 少 无多 少 多 l p g 、c n g 发动机 少中中无无少无少 氢气发动机无无多无无无无无 甲醇发动机少少少无无无少少 2 ) 液化石油气( l p g ) 燃料本无臭眯，为安全计常掺 微量史气以引起馊用 者对漏气的注意 表1 2 汽车在不同运转工况下有害排放量的比较 汽车有害气体的排放量 类型运转。l ：况c 0 1 h c 1 0 。6n o ，1 0 6s o ：1 0 6 怠速 2 0 8 03 0 0 2 0 0 05 0 6 0 0 加速0 4 0 ( k m l h ) 0 7 5 02 5 0 6 0 01 0 0 0 4 0 0 0 汽油车 婷速4 0 ( k m h ) 0 3 4 02 0 0 4 0 01 5 0 0 3 0 0 0 0 减速4 0 一o ( k m h ) l _ 5 7 01 5 0 0 3 0 0 0 1 0 r 1 0 0 怠速0 0 53 0 1 0 0l o o 5 0 0 加速o 一4 0 ( k m l h ) 0 1 0 23 0 1 0 05 0 0 1 0 0 0 柴油车等速4 0 ( k m l h ) 2 0 5 0 2 5 0 5 0 02 0 1 0 0 减速4 0 - o ( k m h )5 0 1 0 03 0 1 0 0 2 )h c 为正巳烷当量浓度 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 1 1 1 2 主要污染物的形成与危害 内燃机排气中的主要污染物为c o 、h c 、n o x 和微粒( 铅化物，碳 烟颗粒等) 等。另外，随着人们对排放污染认识的进一步深入，产生 大气温室效应的c 0 2 也被列入了有害物的范畴。主要污染物中除汽油 汽车中的h c 有2 5 来自曲轴箱窜气、2 0 来自燃油蒸发以外，其余成 分均来自尾气排放。 ( ”c o 在城市大气中，大部分的c o 是由汽车排放产生的。c o 是汽车排 放中浓度最高的有害成分，它是燃料在缺氧条件下燃烧的产物。c o 是 无色、无味的有毒性气体，它与血液中血红蛋白的亲和力是与氧的亲 合力的3 0 0 倍，因此当它被吸入人体后，极易与血液中的血红蛋白结 合，减少血液的输氧量。当空气中c o 的体积分数超过0 1 时，就会 导致人体中毒：超过0 3 时，则可在3 0 m i n 内使人致命。 ( 2 ) h 0 h c 是未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧化产物的统 称。汽油机排放的h c 主要是由于缸壁的激冷效应、混合气不能正常点燃、 扫气以及曲轴箱窜气和化油器蒸发所致：柴油机排放的h c 主要是由于混合 气形成和燃烧条件不良，局部缺氧或低温( 如空车运转) 而造成的。各种 h c 总称为烃。大部分烃类化合物对人体健康无直接明显的影响，但排气中 的h c 含有少量的醛类( 甲醛、丙烯醛) 和多环芳香烃( 苯并芘) ，甲醛和丙 烯醛对鼻、眼和呼吸道粘膜有刺激作用，可引起结膜炎、鼻炎等，并且它们 还有难闻的臭味；苯并芘是一种强致癌物质。此外，h c 还是形成“光化学 烟雾”的罪魁祸首之一。 ( 3 ) n 0 x n 0 x 通常是指n 0 和n o ：，是发动机在高温工作时空气中的0 z 和n z 化合而 成的。n 0 x 中主要是n o ( 汽油机为9 9 ，柴油机为9 0 ) 。n o 是无色气体， 本身毒性不大。但在大气中缓慢氧化成n o ：。n 0 ：呈褐色，具有强烈的刺激性 气味，对肺和心肌有很强的毒害作用。n o x 是在地面附近形成光化学烟雾的 主要因素之一。 西南交通大学博士研究生学位论文第4 页 ( 4 ) 微粒 微粒是指内燃机排气中除水颗粒以外的一切有形的颗粒物。对柴油机而 言，主要是指其排放的碳烟( 大负荷时) 和液态的颗粒( 小负荷时) ；对汽 油机而言则主要是铅化物( 若使用无铅汽油则无此排放) 。碳烟是柴油机的主 要排放物之一，它是柴油在高温缺氧条件下裂解形成的，它不仅对视觉和嗅 觉有不良影响，而且碳烟上常常粘附s 0 ：及致癌物质苯并芘等有害物质，对 人和生物都有危害。铅化物是汽油机使用含铅汽油时的产物，它在人体内积 累会影响人的造血功能，使心肺发生病变，刺激消化系统，侵蚀大脑神经系 统，使人出现精神病症状，而且可提高便秘、血管病、脑溢血和慢性肾炎的 发病率。 1 1 1 3 排放性能的研究目的与方法 由前所述，内燃机的排放不仅与内燃机的类型、结构、所用燃料的品质 及内燃机产品的技术水平等因素有关，还与运转条件等有关。由于影响因素 错综复杂，要想搞清内燃机排放形成的机理、有效地控制内燃机的排放、了 解新产品或改进后产品的排放是否达标，就必须先研究其排放性能，即了解 不同条件下( 在不同设计或改进方案、不同使用条件、不同运转工况、不同 净化措施下、同一净化措施的不同参数下等) 内燃机的排放情况。 自上世纪8 0 年代丌始，内燃机排放性能的研究就相当活跃。根据具体 研究目的的不同，有的着重稳态排放性能方面的研究扭1 ，有的着重瞬态排 放性能方面的研究”1 ；有的注重排放形成机理方面的研究”“3 ，有的则注 重排放控制措施方面的研究”2 。：有的进行发动机台架试验研究。”，有的 则进行装车( 机) 试验研究“”1 ”。研究内容多种多样，但研究方法不外 乎两大类，即试验法和模拟法。 试验法直观、准确，无论内燃机的工作过程多么复杂，只要实验手段具 备，均能了解内燃机在实际工作过程中根据研究目的而定的输入与输出之间 的关系。但试验法要花费很大的人力和物力，而且。有时还因试验条件的限 制难以进行某些试验；模拟法则能通过计算机很方便地预测内燃机的燃烧与 排放等性能及各影响因素的影响规律，但因传统的模拟法是建立在内燃机缸 内工作过程数学模型基础上的，而由于内燃机工作过程中伴随着工质的流 动、高速的化学反应和热传递等现象，要想建立精确的数学模型存在一定的 难度，这就直接影响到其性能及排放预测的精度。 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 1 1 2 内燃机排放性能预测模型进展 由于内燃机的有害排放物主要是在燃烧过程或燃烧过程后在气缸内形成 的，所以，传统的排放性能预测是建立在适当的燃烧模型和各排放物形成机 理模型基础上的，排放预测模型的进展也就依赖于内燃机燃烧模型的进展和 排放物形成机理模型的进展。 1 1 2 1 燃烧模型进展 从上世纪6 0 年代以来，燃烧模型的研究尤为热烈，相继出现了一批形式各 异、各有特点的内燃机燃烧模型。根据研究对象是稳态工况还是瞬态工况， 有稳态预测模型和瞬态预测模型：根据模型对空间分布的描述特点，可将内 燃机燃烧模型分为零维模型、准维模型和多维模型。 ( 1 ) 稳态模型进展 1 ) 零维模型 又称热力学模型。在这类模型中，没有详细的喷雾混合或火焰传播计算， 燃烧被当作一个简单的放热过程。整个燃烧室被假设为压力、温度、成分均 匀的热力学系统。各种零维模型的不同特色，主要反映在对放热率的表达式 上。其中有以经验放热规律描述的，如1 9 6 0 年由林慰梓提出的柴油机燃烧 的三角形放热规律；有以替代放热率图描述的，如在汽油机和柴油机上都得 到应用的韦伯函数放热率图。不管哪一种零维模型，由于没有给出对排放物 生成最为敏感的温度和成分的空间分布，因而除了能粗略预估性能外，不能 作排放预测。 2 ) 准维模型 又称现象学模型。这类模型有较为详细的喷雾混合或火焰传播计算。计 算中所应用的公式都出自于对燃烧现象大量观测的总结，通常是经验的或半 经验的。准维模型除假设燃烧室内压力均匀外，温度和气体成分只在各混合 西南交通大学博士研究生学位论文 第6 页 气团内是均匀的。通常，模型对混合气团的空间坐标，或者没有严格规定， 或者按事先预定的规律与时问坐标相联系，故空问坐标严格说来不是独立坐 标，这就是“准维”称谓的缘由。正因为准维模型给出了缸内局部温度和气 体浓度分布，所以它可以用来预测排放。 最早提出准维概念的是p a t t e r s o ndj 和v a n w e l e ngj ，他们在1 9 6 3 年首 先提出两区燃烧的概念。1 9 6 6 年，k r i e g e rr b 和b o r m a ngl 发展了这个模 型，考虑了热分解作用，并用常微分方程表达双区模型【4 3 1 。3 0 多年来，各 国学者在准维模型上各显身手，提出了各种准维模型，如：n r e c 模型、c v a 模型、c u m m i n s 模型【4 ”、广岛大学模型【4 5 】、u m t s t 模型、u l t r a s y s t e m s 模型，l o u g h b o r o u g h 模型等。由于各个模型都是针对某一类型的内燃 机，突出考虑某一子过程，难以面面俱到，因此很难说哪个模型最好。但在 这些模型中，c u m m i n s 模型和广岛大学模型比较有代表性。国内袁中庄【4 6 1 、 林建生【4 7 】、金国栋【4 8 】、苏万华1 4 9 1 、穆海林、梁桂森【5 l 】、张砾【5 2 l 、费少梅 1 5 3 、刘圣华1 5 4 】等也分别建立了各有特色的研究模型。有的可用于研究缸内 燃烧过程模拟，有的可用于排放物生成模拟。有的则可对燃烧过程及排放物 生成同时进行模拟研究。 3 ) 多维模型 又称详细的通用模型。这类模型采用计算流体力学的方法模拟内燃机的 工作过程。从质量、动量、能量、气体成分的微分守恒方程出发，结合湍流 模型、气体状态方程，咀及描述着火、燃烧、排放物生成的反应速率方程， 构成一个联立方程组。将方程组作空间和时间的离散化，转变为差分方程组。 对此方程组在绘定的初始和边界条件下求解，得到缸内压力、速度场、温度 场、浓度场随时间的变化规律。多维模型通用性强，信息量大，预测功能全 面。从理论上讲，最适合作排放预测。但各子模型的发展依赖于人们对内燃 机缸内混合气的形成机理、燃烧机理、污染物形成机理等的认识，而就目前 而言，这些机理还未完全查明，建立完善的数值计算模型还存在着许多困难， 表现在目前建立的许多子模型还明显地存在着猜测性；加之受计算机容量和 速度的限制，数值模拟燃烧过程只能采用简单的总体反应方程式，参加反应 的物质也不能多，使得目前针对真实燃料的燃烧过程模拟尚不能进行，在多 维模型中常采用的燃料主要是辛烷和十六烷。由于上述原因，使多维模型离 实用化还有相当的距离，一般只作为“研究型”模型使用。 西南交通大学博士研究生学位论文 第7 页 综上所述，目前能预测内燃机排放的有准维模型和多维模型，且准维模 型在排放预测中占主导地位。 ( 2 ) 瞬态模型进展 内燃机在使用过程中常出现瞬念运转状态，例如车用内燃机的起 动、加速、减速等。在此工况下，其转速、负荷不断变化，零部件的 温度以及1 ：作循环参数也不断变化。所以，内燃机在这类瞬态工况下 的排放量与稳态工况往往有很大不同，而且更加严重( 见表l _ 2 ) 。为 使内燃机排放能够满足越来越严格的排放法规要求，不仅要研究稳态 工况下的排放性能同时要研究瞬念工况下的排放性能。 非稳念j i ：况与稳念工况的燃烧过程相比，最大的不同是由混合气形成的 失凋而引起的燃烧情况改变。而这种失调是由瞬态过程中充气效率，7 。过量 空气系数口、点火( 喷油) 提前角口、气缸一活塞组的热力状念等的改变引 起的。最初研究人员着力于涡轮增压柴油机的模拟，因为它对负荷突变的响 应没有非增压柴油机快，所丌发的数学模型也仅仅是稳念、准稳念或进气和 排气模型的扩展。之后，b a r u a h 在分析多缸汽油机的瞬态工况过程中使用 了波动动力学。 对涡轮增压柴油机，w a t s o n 丌发了一个非常完整的瞬态模型”， 该模型是从进气和排气模型扩展出来的，用来研究涡轮增压器的响应 问题。在浚模型中考虑了燃烧对扭矩、涡轮处的废气能量和燃气流动 的脉动特性等的影响，以及歧管压力对进气的影响。该模型已经发展 为商业软件t r a n s e n c ，已成功地用于一些研究中。此外，c h a r l t o n 等 人，| ：发了类似的数学模型s p i c e ，以研究带有可变气门定时的高增压柴 油机：崔毅等人建立了涡轮增压柴油机气缸内燃烧的准维模型，将其与增 压柴油机瞬念j f ：作过程模型相结合，用柬预测增压柴油机瞬念工况下的综合 性能及排放变化规律”。 对汽油机，b a r u a h j 发了一个分析多缸汽油机的综合模型”“，浚 模型中包括一个用于预测排放的两区燃烧子模型和一个用于预测燃气 动念变量的波动动力学模型；同时将某一车辆模型通过传动系统与该 模型相连接，车辆产生的任何瞬态作用( 通过节气门丌启、点火定时和 缸内空燃比) 将会被发动机的动态模型捕获。该动念模型可显示出发动 机转速随加速扭矩和系统总惯性的变化。一旦转速的变化被确定，即 西南交通大学博士研究生学位论文第8 页 可更新燃烧过程中与速度相关的输人变量。该模型在设计和研制发动 机动态运行的过程中是非常有用的。项里程等人以发动机工作过程专 用数值模拟软件b o o t s 为平台，通过建立电喷汽油机加速工况的完整模 型”对发动机的加速工况进行了模拟。 对发动机的冷起动和暖机过程，由于发动机的暖机特性对其性能、 排放和耐久性具有重要的影响，因此，许多研制时问都花费在控制由 暖机而引起的不利影响中，如大量产生未燃的h c 、气缸磨损和较高的 气扭窜气等。m o f e l 等人用计算机详细地模拟了发动机从初始环境温度 到暖机状态的瞬态工况”。该模拟工作将发动机系统模型i r i s ( 用于模 拟燃气的热力过程) 与发动机结构的有限元模型( 用于详细描述结构) 结合在起，量化地研究冷起动对燃烧、摩擦、热冲击和性能的影响。 李德桃等人针对涡流室式柴油机冷起动过程提出了非稳念燃烧过程的准维 燃烧模型”+ ，分别计算和分析了v 型、w 型和y 型燃烧过程主、副燃烧室中的放 热特性及排放生成情况。 1 1 2 2 排放形成机理模型进展 由于内燃机燃烧过程的复杂性，使得在燃烧过程中产生有害排放物的情 况更为复杂，所以，至今对有害摊放产物的形成机理还不十分清楚。因此， 用于建模的所谓“形成机理”是指被大多数人公认的形成机理，其是否正确 还有待进一步的考证。 关于n o x 的生成，一直使用的是扩充的z e l d o v i c h 机理。森康夫等人对 一维丙烷火焰的研究发现：n o 不仅在火焰带中产生( 称为p r o m p t n o ) ，还 大量产生于火焰尾流中，燃空当量比痧 】时p r o m p t n o 几乎没有，大部分 n o 在尾流中产生，除n o 、n 以外其他产物均已达到平衡可以用扩充的 z e l d o v i c h 机理计算：l 1 4 时p r o m p t n o 大量生成尾流中几乎没有n o 尘成，用最高火焰温度下的平衡浓度计算n o 生成【6 ”。 关于碳烟尘成机理，一直采用t e n s e r 的三阶段蜕f 6 2 。6 “，即 f 一! ! ! 堕、 ( a ) 燃油自发形成原予团。原子团浓度n o = 】2 5 1 0 ”p ，e 、。 ( b ) 成核。核生成速度d n d t = 1 7 0 + 1 0 0 n g o - 甩- n ，其中g o = 1 0 “5 西南交遵夫掌博士研究生掌瀣i 金文第9 页 n 为系数。 ( c ) 成粒。微粒生成速度棚。= t r l 6 d r 3 p 。( 1 0 0 0 0 0 一b ) n ，其中， b = 8 1 0 一”。 1 9 9 0 年，f 1 本丰罔公司的中北清修正了t e n s e r 模型脚1 ，考虑了凰和b 随 缸内压力p 、温度7 1 的变化，并对比了f a r m e r 的模型，认为t e n s e r 模型在 燃烧结束后碳粒生成速度不为零是不妥当的，应当用f a r m e r 模型修正，即 认为碳粒生成速度应取两个模型计算结果中较低的；提出碳粒氧化速度用 n a g l e s 模型和m a g n u s s e n 模型的组合，即取较小者：提出了修正t e n s e r 模 型中碳核氧化速率的方法。经验证与实验结果吻合。 前h 等研究发现1 6 2 j ，碳烟排放与扩散燃烧量密切相关，但不仅仅依赖于 扩散燃烧。藤原研究发现f 6 3 1 ，碳粒在急燃期内大量生成，随后在扩散燃烧中 被逐步氧化。新井认为1 6 4 1 ，碳粒在火焰内侧温度较低处，因为此处氧浓度很 低，1 燃油喷出时动量越大，碳烟浓度越低。 关于h c 和c o 的生成，还没有公认可行的模型。 矗 以上介绍的模型均为建立在对系统进行数学建模基础上的传统模 型。由于内燃机工作过程极为复杂。任何模型都带有猜测性的，都要 作重大的简化假定，因而都不可能完全地、准确地反映实际过程。当 然，依靠试验的配合，所建模型是可以提供定性的、概念上的指导， 丰富研究思路，在试验资料充分的条件下，也可以提供定量的判断。 随着科学技术的进步新理论新方法层出不穷，使得内燃机研究的方 法也在不断地更新出现了更多能够对传统方法取长补短的好方法， 如神经网络网方法、模糊数学方法、狄色分析方法等，它们各有所长 在不同的应用领域得到发展。由于神经网络具有自动学习和模拟推理 功能，可逼近任意的非线性函数，因此，可以尝试把它引入内燃机排 放性能预测研究。 西南交通大学博士研究生学位论文第10 页 1 2 人工神经网络建模研究进展 1 2 1 人工神经网络的特点及应用 1 2 1 1 特点 1 ) 当代信息高科技热点神经网络 8 0 年代后期，在美国、日本等一些工业发达国家，掀起了一股竞相研 究开发神经网络( n e u r a ln e t w o r k s ，简称n n ) 的热潮。1 9 8 7 年6 月，首届国 际神经网络学术会议在美国加利佛尼亚州召开，到会代表有1 6 0 0 余人。会 上成立了国际神经网络学会。接着于1 9 8 8 年，由当今世界著名的三位神经 网络学家一一目本东京大学的s h u n i c h ia m a r i ( 甘利俊一) 教授、美国波士 顿大学的s t e , p k e ng r o s s b e r g 教授和芬兰赫尔辛基技术大学的t e u v o k o h o n e n 教授，主持创办了世界第一份神经网络杂志 n e u r a ln e t w o r k s ) ) 。 随后国际电气工程师与电子工程师学会( i e e e ) 也成立了神经网络协会并出 版神经网络刊物。 近几年来在神经网络这个涉及多种学科的新的高科技领域中，吸引了 众多的神经生理学家，心理学家，数理科学家，计算机与信息科学家以及工 程师和企业家等。大量的有关神经网络机理、模型、算法特性分析，以及在 各方面应用的学术论文像雨后春笋般在报刊杂志上和国际学术会议中涌现， 神经网络以及建立在神经网络原理基础上的神经计算机( n e u r oc o m p u t e r ) 成为当代高科技领域中方兴未艾的竞争热点。 面对世界各国出现的神经网络开发研究热潮，我国也及时地迈出了急迫 追赶的步伐。从1 9 8 6 年到1 9 8 8 年，先后在北京召开了脑的工作原理研讨会， 神经网络战略研讨会和学习与识别神经网络国际讨论会。1 9 8 9 年l o 月和1 1 月，分别在北京和广州召开了神经元网络及其应用学术讨论会和第一届全国 信息处理神经网络学术会议。 1 9 9 0 年1 2 月，由我国八个学会( 即中国电子学会、计算机学会、人工智 能学会、自动化学会、通信学会、物理学会、生物物理学会和心理学会) 联 合在北京召开了“中国神经网络首届学术大会”。这个规模空前的盛会，以 西南交通大学博士研究生学位论文第1 1 页 “八学会联盟，探智能奥秘”为主题，收到了来自各方面的论文3 0 0 余篇， 从而开创了我国神经网络及神经计算机方面科学研究的新纪元。 神经网络信息处理的原理方法和神经计算机的研制开发应用，是一个涉 及生物、医学