Wyznaczanie natenia emisji po zimnym rozruchu silnika z zastosowaniem sztucznych sieci neuronowych

Transkrypt

1 ARCHIWUM MOTORYZACJI, pp (007) Wyznaczane natena ems po zmnym rozruchu snka z zastosowanem sztucznych sec neuronowych KRZYSZTOF BRZOZOWSKI, STANISŁAW WOJCIECH Akadema Technczno-Humanstyczna w Besku-Bałe W artykue przedstawono metod odwzorowana natena ems zwzków szkodwych span po zmnym rozruchu snka. Sformułowano mode wykorzystucy sztuczne sec neuronowe obczacy natene ems w zaenoc od obcena ednostk napdowe oraz czasu, ak upłynł od chw rozruchu. Jako dane wecowe wykorzystywano wynk bada na hamown podwozowe reazowanych w zmnych fazach testów egsacynych UDC FTP-75, da poazdu z snkem o zapłone skrowym oraz poazdu z snkem o zapłone samoczynnym. Oba poazdy spełnały norm ems span na pozome EURO 3. Przedstawono grafczne uzyskane wynk wraz z ocen skutecznoc zaproponowane metody. 1. Wprowadzene Anazuc skutk ekspoatac poazdów zwzane z akoc powetrza w obszarach meskch, w perwsze koenoc dy s do poprawnego zbansowana ems zwzków szkodwych span. W tym ceu wykorzystue s modee ems, które stosowane s z edne strony do przeprowadzena wspomnanego bansu, a z druge, stanow sposób obczana wekoc wecowych, w modeach rozprzestrzenana s zaneczyszcze (natena ems zwzków szkodwych span) [1]. Modeowanu podega przy tym zarówno emsa da nagrzanego snka ego osprztu, ak emsa w faze zmnego rozruchu. Poprzez termn nagrzany snk rozume s ustaony stan cepny snka z dokładnoc zaen od warunków pracy rozwza techncznych []. Z koe poce zmnego rozruchu dotyczy rozruchu w warunkach, gdy temperatura ceczy chłodzce, oeu snkowego oraz eementów snka ego osprztu est równa temperaturze otoczena. Termn ten obemue równe nagrzewane s snka reaktora katatycznego do temperatury robocze [3]. Emsa zwzków szkodwych span po zmnym rozruchu zaey główne od stanu cepnego snka, rodzau snka (ZI, ZS), ego obtoc skokowe spełnanych norm ems. Innym czynnkam stotne wpływacym na ems zwzków szkodwych w warunkach zmnego rozruchu s: temperatura otoczena, czas postou poazdu przed rozruchem, pokonany dystans po rozruchu oraz charakter ekspoatac okreany przebegem prdkoc azdy [1, 4, 5]. Ekspoataca poazdów po zmnym rozruchu ma

2 10 K. Brzozowsk, S. Wocech mesce główne w obszarach meskch std charakter ekspoatac zwzany est z typowym warunkam meskm. W pracy [6] autorzy poda, e pod konec at 80. XX weku we Franc 45% rozruchów snków poazdów osobowych było rozrucham zmnym, a redn pokonywany dystans po rozruchu wynosł 7 km. W przywołane pracy podano równe, e dystanse krótsze n km stanowły 40% wszystkch reazowanych przeazdów. Z koe w pracy [3] wskazano, e w Europe 50% tras reazowanych w obszarach meskch przez poazdy osobowe małe samochody carowe (LDV) est krótsza n 5 km. Wród weu prac powconych badanu wpływu sposobu azdy (poprzez przymowane rónych testów ezdnych w pomarach) temperatury otoczena na ems w warunkach zmnego rozruchu mona wymen prace [5, 7-11]. Wynka z nch, e emsa w te faze zaey od obcena ednostk napdowe. Ma to szczegóne znaczene w bansowanu ems powstałe podczas azdy na krótkch odcnkach. Wówczas w mesce modeu natena ems po zmnym rozruchu uzaenonego od redne prdkoc poazdu, temperatury otoczena pokonanego dystansu po rozruchu takego ak w pracy [1], koneczne stae s sformułowane modeu uwzgdnacego dynamk ruchu.. Modeowane natena ems po zmnym rozruchu Jako dane wecowe modeu przyto wynk uzyskane w pomarach natena ems zwzków szkodwych span na hamown podwozowe, po zmnym rozruchu w temperaturze otoczena równe 15 C. Wykorzystane zostan przy tym dane dotyczce dwu rónych poazdów osobowych przedstawonych w tabe 1. Tabea 1. Badane poazdy. Tabe 1. Vehces n measurements. Poazd 1 Poazd Kasa handowa A D Rodza snka o zapłone skrowym o zapłone samoczynnym Spełnany mt ems EURO 3 EURO 3 Obto skokowa [dm 3 ] 1,1 1,9 Badana natena ems zwzków szkodwych span przeprowadzono w ramach dwóch homoogacynych testów ezdnych europeskego UDC oraz amerykaskego FTP-75. W przypadku testu europeskego wykorzystano wynk dwóch perwszych eementarnych testów ECE R15 ( 0 t 390s), natomast z testu FTP-75 faz zmn ( 0 t 505s). Przebeg prdkoc poazdów w testach, w których gromadzono dane o ems przedstawono na rysunku 1.

3 Wyznaczane natena ems po zmnym rozruchu snka 11 Rys. 1. Przebeg prdkoc poazdu wykorzystane w badanach. Fg. 1. Vehce veocty courses n measurements. Badana obemowały zatem zmny rozruch w czase do 505 s od uruchomena zmnego snka. Obcene ednostk napdowe, przedstawone ako oczyn chwowe prdkoc przyspeszena poazdu w czase reazac obu testów przedstawono na rysunku. Rys.. Obcene ednostk napdowe w anazowanych fragmentach testów UDC FTP-75. Fg.. Load of engne n consdered parts of UDC and FTP-75 cyces. Anazuc obcena ednostk napdowe (w obu fragmentach testów UDC FTP-75), naey s spodzewa, e przyce wyłczne danych z ednego testu ne umow poprawnego odwzorowana natena ems w nnych warunkach ruchu. Ceowe est zatem wykorzystane nformac z obu testów ednoczene, które posłu do sformułowana modeu natena ems po zmnym rozruchu. Jedn z metod gromadzena reprezentatywnych danych da rónych warunków ruchu s tzw. macerze ems t. urednone dane o natenu ems w zaenoc od dyskretnych przedzałów zmennoc wartoc parametrów nezaenych [13-15]. Stosowane takego urednana wymaga w perwsze koenoc anazy gstoc wypełnena otrzymywane macerzy ems, ponewa warunkue ona bezporedno dokładno otrzymanego na e podstawe modeu.

4 1 K. Brzozowsk, S. Wocech W nnesze pracy do modeowana natena ems zwzków szkodwych span po zmnym rozruchu ako parametry nezaene wybrano: obcene ednostk napdowe reprezentowane przez weko bdc oczynem chwowe prdkoc przyspeszena oraz czas, ak upłynł od momentu rozruchu. Zadane sformułowane w pracy dotyczy zatem poszukwana natena ems zwzków szkodwych span ako funkc dwóch zmennych. Przymuc dane pomarowe z obu testów równoczene uzyskue s macerze ems ak na rysunku 3. Warto zaznaczy, e pomary reazowano stosuc modany anazator span, który umowł reestrowane natena ems co 1 sekund. Rys. 3. Macerze ems przedstawace natene ems dwutenku wga da poazdu z snkem ZI ZS. Fg. 3. An emsson matrces of carbon doxde emsson obtaned for vehces wth SI and CI engne. Koenym etapem est wybór metody aproksymac wynków pomarów, prowadzce do sformułowana modeu. Z dowadcze autorów przy tworzenu charakterystyk dynamcznych t. mode natena ems zwzków szkodwych span w warunkach nagrzanego snka ego osprztu wynka, e sztuczne sec neuronowe s narzdzem zapewnacym du dokładno mode. S one dokładnesze n stosowane w te kase zagadne nterpoace nowe oraz aproksymace weomanam potgowym [1, 14]. W pracy [1] przedstawono porównana tych metod przy tworzenu charakterystyk dynamcznych w warunkach nagrzanego snka. Przyto, e natene ems zwzków szkodwych span, przy zastosowanu sztucznych sec neuronowych o radane funkc aktywac neuronu mona przedstaw w postac: f s ( v a t) w ( v a, t), η, (1) gdze: v chwowa prdko poazdu, a przyspeszene poazdu, t czas, ak upłynł od rozruchu zmnego snka, t 0, w waga neuronu, = 1

5 Wyznaczane natena ems po zmnym rozruchu snka 13 s czba neuronów, η funkca aktywac neuronu. Po urednenu w komórkach macerzy wekoc pomerzonych otrzymano m T wartoc natena ems f da zmennych nezaenych x = [ v a, t ], ( 1,...,m ) neuronów [ ] T =. Rozwzane zadana w postac (1) wymaga znaezena wektora wag w = w,..., 1 w,..., w s mnmazucego funkconał: m m s [ f ( ) f ] = Ω = Ω( w1,..., ws ) = x w η ( x ) f, () = 1 = 1 = 1 η - warto funkc aktywac neuronu da sygnału wecowego x. Jako funkce aktywac da kadego z neuronów warstwy ukryte ( = 1,..,s ) przyto funkc Gaussa [16]: ( v ) ( ) a v a + t t η ( ) = exp x, (3) σ gdze: ( ) x gdze punkty [ ] T y = v a, t nosz nazw centrów funkc Gaussa, a o włacwocach funkc aktywac decydue parametr σ. Podobne ak w pracach [1, 14, 15] przymue s, e: y { x1,.., x m }, (4) oraz σ = ( ) + ( ) α v a v a t t, (5) 1max m gdze α - parametr wspóny da wszystkch neuronów, wpływacy na warto funkc aktywac, doberany metod eksperymentów numerycznych ub z zastosowanem metod optymazac [17]. Pełny ops zastosowana metody ortogonazac oraz schematu bokowego uczena sec mona znae w pracach [14, 15]. 3. Dokładno modeu Metodyka przedstawona w poprzednm rozdzae stosowana est osobno da kadego ze składnków span oraz rodzau poazdu. Metod zastosowano do wyznaczena natena ems składnków span, takch ak: dwutenek wga, tenek wga, wgowodory tenk azotu. Po wytrenowanu sec neuronowych, a wc sparametryzowanu modeu (1) przeprowadzono anaz dokładnoc odwzorowana danych pomarowych. Do oceny dokładnoc modeu przyto nastpuce wskank: - kwadrat współczynnka koreac Pearsona

6 14 K. Brzozowsk, S. Wocech - błd systematyczny p o = r, (6) n e 1 n p = p o S p S 0,5 - wzgdne odchyene standardowe gdze: = 1,.., n, S p = p, S o = o p warto z bada, o warto obczona, n czba danych. e S n p S S o ( S + S ) p o o ( p o ) S o (7) = (8) S p So 3.1. Dokładno odwzorowana danych trenngowych (z macerzy ems) W perwszym etape weryfkac dokładnoc metody obczono odchyene wartoc natena ems otrzymanego z modeu od urednonych danych o natenu ems zgromadzonych w macerzach ems. Wówczas we wzorach (6) (8) przymue s: n = m p = f. (9) o = f ( v a, t ) W tabe zestawono wartoc poszczegónych wskanków w zaenoc od rodzau poazdu anazowanego składnka span. Tabea. Wartoc wskanków dokładnoc wg danych urednonych w macerzach ems. Tabe. Vaues of ndcators for cacuated and measured emsson ntensty averaged n emsson matrces. Poazd ZI ZS Wskank r e1 e r e1 e CO 1, , , ,310-8 CO 1-3, , , ,710-8 HC 1 7, , ,310-7,810-9 NO x 1 5, , ,810-6,810-8

7 Wyznaczane natena ems po zmnym rozruchu snka 15 Anaza wartoc wskanków wzgdnego odchyena standardowego kwadratu współczynnka koreac Pearsona zestawonych w tabe, wskazue na poprawne przeprowadzony proces uczena sec neuronowe na wzorcu, którym były wartoc natena ems poszczegónych składnków span urednone w macerzy ems. Uemne wartoc obczonego błdu systematycznego wskazu na obczenowe zawyane natena ems. Z koe dodatna warto tego błdu wskazue, e se neuronowa wykazue tendenc do zanana natena ems. W przypadku tenku wga, da obu poazdów, błd systematyczny ma warto uemn. 3.. Dokładno odwzorowana danych pomarowych W drugm etape weryfkac metody przeprowadzono anaz błdu odwzorowana rzeczywstego natena ems poszczegónych zwzków we fragmentach testów EDC FTP-75. Ponowne obczono wskank charakteryzuce dokładno zaproponowanego modeu, przymuc we wzorach (6) (8): gdze: t max czas trwana testu [s], [ t ] n = p = f o = f max ( v a, t ), (10) f est wartoc natena ems zmerzon na hamown podczas ruchu poazdu z prdkoc v, przyspeszenem a w chw t t od rozruchu zmnego max snka. W tabe 3 tabe 4 zestawono wartoc wskanków da obczonego pomerzonego natena ems w anazowanych testach ezdnych. Tabea 3. Zestawene wartoc wskanków da obczonego pomerzonego natena ems podczas testu UDC (ogranczonego do dwóch eementarnych testów ECE R15). Tabe 3. Vaues of ndcators for cacuated and measured emsson ntensty n cod phase of the UDC (two ECE R15 phases). Poazd ZI ZS Wskank r e1 e r e1 e CO 0,87 0,016 0,046 0,74-0,007 0,16 CO 0,85 0,17 1, 0,8 0,08 0,19 HC 0,88 0,017 0,79 0,8 0,063 0,14 NO x 0,89 0,1 0,7 0,89 0,003 0,11

8 16 K. Brzozowsk, S. Wocech Tabea 4. Zestawene wartoc wskanków da obczonego pomerzonego natena ems podczas testu FTP-75 (tyko faza zmna) Tabe 4. Vaues of ndcators for cacuated and measured emsson ntensty n cod phase of the FTP-75 Poazd ZI ZS Wskank r e1 e r e1 e CO 0,93 0,034 0,09 0,9 0,04 0,049 CO 0,91 0,08 0,8 0,93-0,05 0,0 HC 0,98-0,009 0,19 0,93-0,003 0,11 NO x 0,93-0,1 1,09 0,96 0,03 0,06 Uzyskane wynk przedstawone w tabeach 3 4 ednoznaczne wskazu na epsze odwzorowywane rzeczywstego natena ems anazowanych składnków span w faze zmne testu FTP-75. Da tego testu w połowe przypadków se wykazała tendenc do zawyana wartoc natena ems (uemna warto e ). Z koe 1 w ramach dwóch eementarnych testów ECE R15 testu UDC, tyko w ednym przypadku uzyskano tendenc do zanana wartoc natena. wadczy to o tym, e dane z testu UDC o mnesze dynamce ne zostały dostateczne dobrze odzwercedone w macerzy ems. Zdecydowało to o słabsze zdonoc zampementowanych sec neuronowych do odwzorowywana rzeczywstego natena ems (wskazu na to wartoc standardowe, czy znormazowany redn błd kwadratowy ne przekracza wartoc 1, z wytkem obcze da dwutenku wga est nszy da poazdu z snkem o zapłone samoczynnym. Na rysunkach 4-7 przedstawono porównane obczonych pomerzonych nate ems we wszystkch anazowanych przypadkach. r w obu testach). Warto podkre, e obczone wzgdne odchyene

9 Wyznaczane natena ems po zmnym rozruchu snka 17 Rys. 4. Porównane obczonych pomerzonych nate ems dwutenku wga. Fg. 4. Comparson of cacuated and measured emsson ntensty of carbon doxde.

10 18 K. Brzozowsk, S. Wocech Rys. 5. Porównane obczonych pomerzonych nate ems tenku wga. Fg. 5. Comparson of cacuated and measured emsson ntensty of carbon monoxde.

11 Wyznaczane natena ems po zmnym rozruchu snka 19 Rys. 6. Porównane obczonych pomerzonych nate ems wgowodorów. Fg. 6. Comparson of cacuated and measured emsson ntensty of hydrocarbons.

12 130 K. Brzozowsk, S. Wocech Rys. 7. Porównane obczonych pomerzonych nate ems tenków azotu. Fg. 7. Comparson of cacuated and measured emsson ntensty of ntrogen oxde. Z koe na rysunku 8 przedstawono porównane obczonych pomerzonych nate ems dwutenku wga w zaenoc od czasu po zmnym rozruchu snka.

13 Wyznaczane natena ems po zmnym rozruchu snka 131 Rys. 8. Porównane obczonych pomerzonych nate ems dwutenku wga w zaenoc od czasu po zmnym rozruchu snka. Fg. 8. Comparson of cacuated and measured emsson ntensty of carbon doxde n reaton to tme after cod start. Równe na rysunku 8 mona zauway gorsze odwzorowane natena ems przez mode sformułowany wg danych z czc testu UDC (tabea 3); w tym przypadku da dwutenku wga Dokładno odwzorowana całkowte ems Przedstawony w pracy mode moe by równe stosowany do obczena całkowte ems w okreonym przedzae czasu, po zmnym rozruchu snka. Take obczena przeprowadzono da tych samych co poprzedno fragmentów testów ezdnych UDC FTP-75. Wynk przedstawono na rysunku 9.

14 13 K. Brzozowsk, S. Wocech Rys. 9. Rónca procentowa obczone pomerzone sumaryczne ems składnków span. Fg. 9. Percentage dfference between cacuated and measured tota emssons. Porównane przedstawonych na rysunku 9 błdów obcze całkowte ems potwerdza skuteczno zaproponowane metody. Tyko w dwóch przypadkach rónca przekracza 10 % a maksymany błd wynos necałe 17 %. Mona take zauway tendenc do zanana całkowte ems w porównanu do zareestrowane w pomarach. 4. Podsumowane Przedstawony w pracy mode natena ems zwzków szkodwych span po zmnym rozruchu moe by stosowany w zadanach bansowana ems. Moe on znae zastosowane take do wyznaczana natena ems w pracach zwzanych z ocen oddzaływana ems z poazdów na ako powetrza atmosferycznego [18]. Postpowane zapewnace poprawn parametryzac modeu mona podze na nastpuce główne etapy: Etap 1. Zgromadzene wynków bada na hamown podwozowe z rónych testów ezdnych. Etap. Wybór dyskretnych przedzałów wartoc zmennych nezaenych urednene wynków bada z hamown w ramach macerzy ems, co prowadz do zdefnowana centrów funkc Gaussa - [ ] T y = v a., t Etap 3. Proces uczena sec neuronowe (dobór parametru α funkc aktywac parametru stopu metody ortogonazac stosowane w tym zadanu). W przypadku nezadowaacych wynków trenngu np. da duego błdu systematycznego naey zmen warto parametru α ub parametru stopu. Jee błdy s due naey wróc do etapu dokona ponowne defnc centrów y. Etap 4. Proces weryfkac dokładnoc metody. Jee dokładno wynków modeowana natena ems po zmnym rozruchu z wykorzystanem sec neuronowych ne est zadowaaca, naey powróc do etapu. Moe to wymaga uzupełnena danych poprzez przeprowadzene nowych bada w nnych testach ezdnych.

15 Wyznaczane natena ems po zmnym rozruchu snka 133 Warto przy tym doda, e przedstawona w pracy metodyka postpowana moe by zastosowana równe po wprowadzenu trzecego parametru nezaenego, akm moe by temperatura otoczena. Wymaga to przeprowadzena szeregu testów ezdnych da zmnego rozruchu snków poazdów w rónych temperaturach otoczena. Tak rozszerzony mode mógłby znae bezporedne zastosowane do bansowana ems po zmnym rozruchu da zmennych temperatur otoczena. Artykuł powstał w trakce reazac proektu badawczego nr 4T1D00830, fnansowanego przez Mnsterstwo Nauk Szkonctwa Wyszego. Lteratura [1] BRZOZOWSKI K: Mkroskaowe modee ems dyspers zaneczyszcze samochodowych. Rozprawy Naukowe, Akadema Technczno-Humanstyczna w Besku-Bałe, nr 18, Besko-Bała 006. [] CHŁOPEK Z.: Modeowane procesów ems span w warunkach ekspoatac trakcyne snków spanowych. Potechnka Warszawska, Prace Naukowe, Mechanka 173, [3] BIELACZYC P., MERKISZ J., PIELECHA J.: Stan cepny snka spanowego a emsa zwzków szkodwych. Wydawnctwo Potechnk Poznaske, Pozna 001. [4] BLAIKLEY D.C.W., SMITH A.P., FEEST E.A., READING A.H.: UG19 TRAMAQ cod start emssons. Summary report, AEAT/ENV/R/0638 Issue 1, 001. [5] JOUMARD R., SÉRIÉ E.: Modeng of cod start emssons for passenger car. INRETS report LTE 9931, [6] JOUMARD R., ANDRÉ M.: Cod start emssons of traffc. The Scence of the Tota Envronment 93, , [7] BIELACZYC P., MERKISZ J.: Exhaust emsson from passenger cars durng engne cod start and warm-up. SAE-Paper , [8] BIELACZYC P., MERKISZ J.: Cod start emsson nvestgaton at dfferent ambent temperature condtons. SAE-Paper , [9] LAURIKKO J.: Ambent temperature effect on automotve exhaust emssons: FTP and ECE test cyce responses. The Scence of the Tota Envronment 169, , [10] LUDYKAR D., WESTERHOLM R., ALMEN J.: Cod start emssons at, 7 and ºC ambent temperatures from a three-way catayst (TWC) car: reguated and unreguated exhaust components. The Scence of the Tota Envronment 35, 65-69, [11] WEILENMANN M., SOLTIC P., SAXER C., FORSS A.-M., HEEB N.: Reguated and nonreguated dese and gasone cod start emssons at dfferent temperatures. Atmospherc Envronment 39, , 005. [1] BRZOZOWSKI K.: Mode natena ems dodatkowe po zmnym rozruchu snka. Archwum Motoryzac nr, s , 005. [13] BRZOZOWSKI K., ROMANISZYN K.: An effectve method of creatng dynamc characterstcs usng drve tests. The Archve of Mechanca Engneerng L,, , 003. [14] BRZOZOWSKA L., BRZOZOWSKI K., WOJCIECH S.: Zastosowane funkc Gaussa do wyznaczana charakterystyk dynamcznych ems zwzków szkodwych span. Zeszyty Naukowe OBR BOSMAL 6, 7-, 004. [15] BRZOZOWSKA L., BRZOZOWSKI K., WARWAS K.: Zastosowane sztucznych sec neuronowych do modeowana ekoogcznych włacwoc poazdów. Archwum Motoryzac nr 3, s. 9-47, 005. [16] OSOWSKI S.: Sec neuronowe w ucu agorytmcznym. WNT, Warszawa 1996.

16 134 K. Brzozowsk, S. Wocech [17] BRZOZOWSKA L., BRZOZOWSKI K., NOWAKOWSKI J.: An appcaton of artfca neura network to Dese engne modeng. IDAACS'005. Proceedngs of the Thrd IEEE Workshop, , 005. [18] BRZOZOWSKI K.: Mutpont source method n ar pouton modeng of cod start emsson. Envronmenta Modeng and Assesment, Vo. 11 Iss. 4, , 006. Appcaton of artfca neura networks to modeng of emsson ntensty after cod start of engne S u m m a r y In the paper a new approach for modeng emsson ntensty after cod start of engne s presented. In the mode the emsson has been cacuated accordng to the engne oad and the tme after cod start. The data from emsson measurement performed on the test stand durng cod phases of UDC and FTP-75 test cyces were used for parametersaton of the mode. The mode has been apped to modeng the cod start emsson for vehces wth SI and CI engnes fufng EURO 3. Resuts of the mode cacuaton and ts evauaton have been presented n the paper as we.