Model do wyznaczania parametrów pracy silnika o zapłonie samoczynnym

Transkrypt

1 r hab. inż. Krystof Brooski, rof. AH Katra ransortu i Informatyki Akamia hnino-humanistyna Bilsku-Białj ul. Willoa, Bilsko-Biała kbrooski@ath.u r hab. inż. Jak Noakoski, rof. AH Katra Silnikó Salinoyh i Pojaó Akamia hnino-humanistyna Bilsku-Białj ul. Willoa, Bilsko-Biała jnoako@ath.u Mol o ynaania aramtró ray silnika o ałoni samoynnym Słoa kluo: silnik o ałoni samoynnym, intyfikaja, aramtry ray silnika Strsni: Doskonalni aramtró ray silnika salinogo or ooini stroani yklm roboym ymaga stosoania aróno ra o haraktr ośiaalnym jak i oblinioym. W tym rugim ryaku ostaą nioskoania są yniki uyskian moli matmatynyh. Artykuł rstaia fktyny oblinioo mol yklu robogo silnika o ałoni samoynnym. Mol umożliia analię yklu robogo silnika lktronini stroanym ukłam asilania tyu ommon-rail ora ukłam stroanj ryrkulaji salin. Paramtry molu obrano utaoym rosi intyfikaji baująym na ynikah baań stanoiskoyh. Pirsy ta intyfikaji aramtró ymagał sformułoania i roiąania ooinigo aania otymaliaji ynaminj la ilu yskrtnyh unktó ray silnika. W tym lu astosoano algorytm gntyny oatkoym arunkim kontroli jakośi roiąania. W rugim tai intyfikaji o uogólninia ynikó ykorystano stun sii nurono. W ray rstaiono rykła astosoania molu oni uiału fay salania kintyngo ynikająj raliaji rbigu rosu trysku na rbig yklu robogo ora rstaiono okłaność obliń onisiniu o ostaoyh aramtró haraktryująyh ykl roboy.

2 . Wstę W astosoaniah raktynyh oshni ykorystyan są mol miryn rosó ryistyh, któryh użytność arunkuj najomość artośi srgu aramtró, anyh alj aramtrami molu. Stosoani tgo tyu moli ynika koninośi aninia ymaganj fktynośi asoj rroaanyh obliń numrynyh. W ostatnih latah mol tgo tyu arntoano mięy innymi raah [3,, 4-6], któryh ięksość objmoała ałożni, ż rmiotm baań są uśrnion artośi iśninia i tmratury ałj komor salania. aki ałożni roai o formułoania moli roymiaroyh, haraktryująyh się ooinią fktynośią numryną glęu na as obliń bęąy kluoym aramtrm yująym o ntualnj ryatnośi molu aaniah stroania. W roymiaroyh molah mirynyh ostaoym roblmm obliniah yklu robogo jst ryji funkji oisująj ynamikę rosu salania tryskianj aki alia. Postać tj funkji moż być uyskana na ro oraoania ynikó bośrnih omiaró iśninia ylinr, jak raah [3, ]. Cęśij jnak unktm yjśia jst jna trayyjni stosoanyh funkji oisująyh ros salania, którj aramtry ynaan są taki sosób, aby stosunkoo najlij ooroyała yniki baań stanoiskoyh. Pojśi taki astosoano miy innymi ray [8] a takż, ykorystują łożni óh funkji tgo tyu ray [5]. Paramtry moli roymiaroyh są funkjami aango ymusnia a obór ooinih artośi tyh aramtró jst aanim kluoym glęu na okłaność obliń. Problm ynaania aramtró mirynyh moli yklu robogo silnika analioano ray []. Zaani to moż ostać sformułoan jako aani otymaliaji ynaminj, tak jak ninijsj ray, którj lu oboru artośi aramtró molu yklu robogo silnika o ałoni samoynnym aroonoano i astosoano algorytm oluyjny. Algorytmy oluyjn nalżą o mto t. intlignji oblinioj ajmująj się roiąyanim aganiń fktyni nialgorytmioalnyh stanoią uułnini klasynyh mto oblinioyh. Znan są ih astosoania aganiniah otyąyh rosu robogo i stroania silnikami salinoymi, miy innymi raah [, 6, 7,, 3, 9]. Poularnymi algorytmami oluyjnymi są ry tym algorytmy gntyn, któr najują astosoani tyh roblmah otymaliaji, gi ni jst możli łat astosoani mto ysjalioanyh, a rstrń roiąań jst byt rolgła la algorytmó klasynyh. Róniż rstaionj ray ykorystano algorytm gntyny o oboru artośi aramtró molu baująy na ynikah ryistyh omiaró rroaonyh na stanoisku baaym.

3 3. Mol yklu robogo ora akrs baań stanoiskoyh W ryaku molu roymiarogo yklu robogo silnika, jaiska ahoą ylinr silnika oisyan są rónaniami różnikoymi yajnymi, nilinioymi, ynikająymi asay ahoania masy i bilansu nrgii [4]. Roatryany mol matmatyny yklu robogo silnika o ałoni samoynnym, stosują inks olny i ooinio la ilkośi otyąyh ukłau olotogo i ylotogo, można aisać ostai []: m m m m B, () m V m m m A h n x W B v v s B ) ( 3, () n f m,,,, (3) n f m,,,, (4) ) ( x ) ( s s s s B x. (5) Poyżs rónania są uułnion o alżnośi algbrain ynikają ryjęia, ż ynnik roboy jst gam ółoskonałym ora, ż intnsyność ymiany iła omięy śianką ylinra a ynnikim roboym jst obliana jako funkja aramtró stanu ora aramtró konstrukyjnyh silnika [5]: , m V h, (6) gi m jst śrnią rękośią tłoka. W alsyh roażaniah ryjmuj si, ż ktor nialżnyh aramtró jśioyh molu to ktor aramtró rgulayjnyh silnika ostai: X EGR B n,,, X, (7) gi EGR X jst stonim ryrkulaji salin a jst kątm yrnia trysku.

4 Wilkośiami jśioymi alżnymi o ktora aramtró rgulayjnyh X są iśnini i tmratura ynnika ukłai olotoym i ylotoym ora sółynnik namiaru oitra. Wartośi tyh ilkośi stanoią lmnty ktora aramtró omoniyh ostai: G,,,,, (8) gi jst sółynnikim namiaru oitra. Poniaż sformułoany mol korysta kilku alżnośi i sółynnikó mirynyh, ażnym tam jst łaśiy obór ih artośi, alżnyh o roiąania konstrukyjngo ango silnika. Wsółynniki t alsj koljnośi nayan są aramtrami molu, a ih artośi stanoią lmnty ktora aramtró molu ostai: s... 8 E,,,,,. (9) Zastosoani rakty sformułoango molu yklu robogo silnika ymaga najomośi funkji oisująyh alżność aramtró molu o artośi aramtró rgulayjnyh systkih thnini możliyh o raliaji stanah ray silnika. Wynani tyh funkji stanoi aani intyfikaji i jst ralioan utaoo. Pirsy ta stanoi intyfikaja artośi osgólnyh skłaoyh ktora aramtró molu la yskrtnyh stanó ray silnika. W tym lu ymagan jst rroani ooinih baań stanoiskoyh. Oraoują rogram baań nalży ynayć yskrtn unkty ray silnika taki sosób, aby rroaona rjstraja aramtró ray silnika ora ukłau ymiany łaunku objmoała możlii sroki akrs ryistyh stanó ray. Worują się na obor obiążń tśi ESC [], artośi momntu obrotogo obiążajągo silnik ryjęto jako ęśio artośi momntu maksymalngo uyskango la osgólnyh artośi rękośi obrotoj. Na ostai ynikó śnijsyh ra [, 7], yskrtn unkty ray silnika ynaano la trh ustalonyh artośi rękośi obrotoj. Dla każj rękośi obrotoyh ralioano baania ry minnym obiążniu aają każoraoo ięć różnyh artośi momntu hamujągo. Baania rroaono o najmnijsyh o najięksyh obiążń silnika ora la różnyh stoni ryrkulaji salin anym unki omiaroym, rooynają o rogo stonia ryrkulaji. Nastęni stoiń ryrkulaji ięksano koljno o 5% o asu osiągnięia maksymalngo stonia ryrkulaji anym unki omiaroym. Za maksymalny stoiń ryrkulaji anym unki ryjęto najięksą możliyh artośi stonia ryrkulaji, ry którj silnik roijał ałożony momnt obrotoy. Dla maksymalnyh obiążń systm ryrkulaji salin był ni aktyny. W traki baań silnik raoał ykorystanim oiału aki na: stałą akę ilotująą i minną akę głóną. Dla każgo unktó ykonano omiary ry stanaroym kąi yrnia trysku (okrślonym r fabryny mikrokontrolr strująy raą silnika) ora la kąta rysisongo 4

5 i oóźniongo ooinio o i 4OWK onisiniu o artośi stanaroj. W ałym akrsi obiążń ęśioyh rguloano raę silnika tak, aby utrymać ałożoną stałą rękość obrotoą i stałą artość momntu obrotogo. aka rgulaja umożliiła analię aramtró ray silnika, ry stałym iśniniu użytnym. Sak (lub rost) momntu obrotogo yołany mianą kąta yrnia trysku ora mianą stonia ryrkulaji był komnsoany r mianę aki alia. Na rys. rstaiono shmatyni roonoany sosób yboru yskrtnyh unktó ray silnika, la któryh rroaono baania. Rys. Shmat akrsu baań stanoiskoyh ykorystanyh o irsgo tau intyfikaji aramtró molu Dla każgo unktu ray rjstroano rbig iśninia ylinr ora aramtry haraktrystyn yklu ray. W yniku raliaji baań gromaono an o aramtrah ray ukłau ymiany łaunku ora aramtrah yklu robogo la trystu różnyh staó artośi aramtró rgulayjnyh, ryjmują jako obikt baań aktualni roukoany troylinroy silnik o ałoni samoynnym rnaony o naęu ojau samohoogo. Charaktrystykę anyh thninyh silnika la którgo rroaono baania ora alsj koljnośi intyfikaję aramtró molu staiono tabli. 5

6 abla. Dan thnin silnika Silnik Ukła / Liba ylinró Rorą / Zaory na ylinr Śrnia ylinra Skok tłoka silnik o ałoni samoynnym, ukła asilania C-R, ołaoany sołm turbosrężarkoym, hłonim oitra ołaoujągo, ryrkulają salin ręoy / try a ałki rorąu głoiy / try 69,6 mm 8 mm Objętość skokoa 48 m 3 Stoiń srężania 6,8 Mo maksymalna Momnt obrotoy maksymalny 55, kw ry 4 obr/min 9 N m ry 5 obr/min Drugi ta aania intyfikaji aramtró molu objmuj koli aani uogólninia ynikó yskrtnj intyfikaji or uyskani alżnośi ostai: ora E X, () f E G X. () fg Proonoany sosób utaoj intyfikaji aramtró molu roblmu rstaiono koljnyh roial. 3. Wynani aramtró molu Pirsy ta intyfikaji artośi aramtró molu rroaany jst la i,.., n yskrtnyh stanó ray silnika i olga na ynaaniu artośi skłaoyh ktora E. Zaani można sformułoać jako aani minimaliaji funkjonału ostai: 4 X, E, G max max min E F E F gi: ( F ) rbig iśninia obliongo ług molu yklu robogo () E ygłaony rbig iśninia baań stanoiskoyh:, () F a m j j a j os j b j sin j, m 6, j 6

7 4 j a j os, j,,.., n, 4 j b j sin, j,.., n, kąt obrotu ału korbogo,, stał sółynniki ago. Roiąani tak sformułoango aania ymaga każym i,.., n yskrtnyh stanó ray silnika najomośi ryistgo rbigu iśninia ylinr, la aramtró rgulayjnyh (i) X ora aramtró omoniyh (i) G. Z koli obliani rbigu iśninia () F iąż się koninośią ałkoania rónań molu ( 5) la każj kombinaji aramtró molu. Zaani roiąano ykorystują algorytm gntyny aniają tym samym sółbiżn osukiani bioru roiąań, ryjmują funkję lu ostai: X, E, G max. (3) X, E, G Zastosoano algorytm gntyny kooanim ryistym, o onaa, ż hromosom ango osobnika ma ostać: 3 Z,...,, (4) gi,,,, la i.. 8., 3 s i i Dla każgo gnó i finioano ousaln riały artośi, ooinio któr staiono tabli. i,max, i, min abla. Priał ousalnyh artośi osgólnyh gnó hromosomu Z i i,min,, 5 343,5-3 -, - i,max,4, , Wartośi oątko ygnroano stosują stratgię losoą a oraję slkji ralioano bośrnią mtoą turnijoą astosoana la ar hromosomó. Jako oratory gntyn astosoano kryżoani arytmtyn i orator mutaji nijnoronj [8]. Zbiór hromosomó ykorystyanyh koljnym kroku algorytmu ustalano sosób trminoany na ostai rankingu najlsyh osobnikó. W iąku astosoanim stosunkoo nilinj oulaji 7

8 osobnikó (n = 4) ałożono, iż ramah ogranionj liby itraji algorytmu ( k max 5 ) moż ni ostać uyskan łni satysfakjonują roiąani ojyngo aania intyfikaji ostai (). W yniku ryjętgo ałożnia roaono oatko krytrium trminują otórni roury intyfikaji ostai różniy glęnj omięy śrnim iśninim inykoanym arjstroanym ksrymntalni i r ) E ( a artośią śrnigo iśninia inykoango oblioną i r ) F ( la najlij oasoango hromosomu ęśi roboj obigu, tn: i( r) E i( r) E i( r) F 5%. (5) Zastosoani krytrium rstartu roury intyfikayjnj umożliiło uyskani satysfakjonująyh roiąań la ałgo bioru analioanyh stanó ray silnika. Śrnia liba koninyh otórń roury intyfikayjnj la koljno ralioanyh blisko trystu aań intyfikaji yniosła 4,5. W rugim tai intyfikaji lu okrślnia ooinih funkji f X ora X E f, sformułoano i roiąano ooini aani aroksymaji ynikó uyskanyh la intyfikaji yskrtnj. W ryaku aramtró ymaganyh o oblinia sółynnika ymiany iła 5 8, glęu na baro bliżon artośi tyh sółynnikó uyskanyh aaniu yskrtnj intyfikaji, lu uogólninia ystary uśrnić otryman artośi. Poostał aramtry molu aroksymoać można stosują stun sii nurono. Na ostai srgu ksrymntó numrynyh stirono, ż aani okrślnia f X ora X f ymaga astosoania óh osobnyh jnokirunkoyh sii iloarstoyh G (rys. ) : sić I: G E sić II: X n B,, X Out,,,,,,,,, EGR, B,, X Out,,, n EGR 3, 4 s, (6) X. (7) 8

9 Rys.. Shmat arhitktury stunj sii nuronoj ykorystanj ray W yniku rroaongo rosu unia sii ustalono arhitkturę 5:9 (n :n ) la sii I ora 3:5 la sii II ooroująj aramtry funkji Watsona, obu siiah ykorystują uniolarną funkję aktyaji nuronó. 4. Obliani aramtró haraktrystynyh obigu Sformułoany mol umożliia onę aramtró haraktrystynyh yklu robogo la oolnyh stanó silnika, a i oolngo, thnini ralioalngo ktora aramtró rgulayjnyh. ym samym stanoi naręi ryatn analii możliośi kstałtoania yklu robogo ryistym silniku lktronini stroanym ukłam asilania tyu ommon-rail ora ukłam stroanj ryrkulaji salin. Jnym astosoań molu jst ona łyu uiału fay salania kintyngo ynikająj raliaji rbigu rosu trysku na ros roboy silnika. Analia objmuj oblian rbigi iśninia i tmratury ynnika ylinr ora miany artośi haraktrystynyh aramtró yklu robogo, takih jak: śrni iśnini inykoan i, sraność ilna i maksymalna tmratura ynnika max. Prbig yilania iła, a ię uiał fay salania kintyngo i yfuyjngo moż być rguloany r oiał aki tryskianj o ylinra na osgóln aki skłao alżni o obiążnia i rękośi obrotoj silnika. Sgólni istotny jst obór artośi aki ilotująj, ostę asu omięy aką ilotująą a aką głóną ora kąt yrnia trysku aki głónj. Ilustraję łyu ograniania uiału fay salania kintyngo na aramtry yklu robogo ybranym unki ray silnika la ustalonyh artośi aramtró rgulayjnyh rstaiono na rysunku 3. 9

10 Rys. 3. Wły uiału fay salania kintyngo na ykl roboy la rękośi obrotoj 35 obr/min Analogini mol umożliia onę łyu stonia ryrkulaji na ykl roboy. Wartość maksymalngo stonia ryrkulaji salin jst alżna o iśninia ołaoania silnika, roiąań konstrukyjnyh ukłaó ryrkulaji ora stanoi komromis mięy możliośią ograninia misji tlnkó aotu, misją ąstk stałyh (a i róniż ayminim salin) a sakim aramtró ray silnika. Na rysunku 4 rstaiono ilustraję łyu stonia ryrkulaji na

11 aramtry yklu robogo ybranym unki ray la ustalonyh oostałyh artośi aramtró rgulayjnyh. Rys. 4. Wły stonia ryrkulaji salin na ykl roboy la rękośi obrotoj 5 obr/min i 5% obiążnia maksymalngo 5. Posumoani Prstaiony ray mol umożliia raliaję srgu obliń iąanyh oną yklu robogo silnika. Błą obliń można okrślić orónują oblian i rjstroan

12 ośiaalni rbigi iśninia ylinr la ybranyh unktó ray silnika. Prykłao orónania rbigó iśninia ylinr ybranyh unktah ray silnika (stanoiąyh lmnty bioru ykorystyango o ryfikaji jakośi aroksymaji aramtró molu ykorystanim stunyh sii nuronoyh), rstaiono na rys. 5. Rys. 5. Porónani arjstroanyh ksrymntalni i oblionyh rbigó iśninia la ybranyh stanó ray silnika Dokłaność molu można okrślić orónują artośi oblionyh i rjstroanyh ksrymntalni aramtró, takih jak: śrni iśnini inykoan i, śrni iśnini inykoan ęśi roboj yklu i(r), maksymaln iśnini obigu max, masa łaunku ylinr m. Na rysunku 6 orónano artośi yminionyh aramtró haraktrystynyh yklu robogo uyskan oas baań stanoiskoyh ynikami obliń ług molu. Wartośi śrnigo błęu glęngo okrślongo jako różnia artośi mironj i oblionj, onisiona o artośi mironj, la osgólnyh ilkośi staiono tabli 3.

13 abla 3. Śrni błą glęny oblinia osgólnyh aramtró haraktrystynyh yklu robogo Paramtr Wartość śrnigo błęu glęngo [%] i i(r) max m 5,,74,7,8 R,989,99,988,97 Rys. 6. Porónani artośi śrnigo iśninia inykoango i, śrnigo iśninia inykoango ęśi roboj yklu i(r), maksymalngo iśninia obigu max, masy łaunku ylinr m Na ostai artośi uyskanyh śrnih błęó glęnyh ora intrrtaji orónań artośi osgólnyh aramtró haraktrystynyh yklu robogo można stirić, ż 3

14 ryist rbigi iśniń są r mol orani ooroan rbigah oblionyh. Onaa to, ż mol aktoalnym błęm oala ynayć rbig iśninia i okrślić ilkośi haraktryują ykl roboy ooiaająy anmu unktoi ray silnika. Maksymaln błęy glęn ni rkraają żanym ryaku 5% la systkih analioanyh haraktrystynyh aramtró yklu robogo, ry ym śrni błą, jak staiono tabli 3 la trh trh roażanyh aramtró haraktrystynyh, ni rkraa 3%. Litratura. Atashkari K, Nariman-Zah N, Gölü M, Khalkhali A, Jamali A. Molling an multiobjtiv otimiation of a variabl valv-timing sark-ignition ngin using olynomial nural ntorks an volutionary algorithms. Enrgy Convrsion an Managmnt 7; 48: Dirtiv 999/96/EC of th Euroan Parliamnt an of th Counil of 3 Dmbr 999. Offiial Journal of th Euroan Communitis Gambarotta A, Luhtti lng G. Control-orint rank-angl bas moling of automotiv ngins. SAE hnial Par ; Hyoo JB. Intrnational ombustion ngin funamntals. N York: M-Gra-Hill, Hohnbrg G. Avan aroahs for hat transfr alulations. SAE hnial Par 979; Ksgin U. Gnti algorithm an artifiial nural ntork for ngin otimiation of ffiiny an NOx mission. Ful 4; 83: Ma F, Wang J, Wang Y, Wang Y, Zhong Z, Ding S. An invstigation of otimum ontrol of a sark ignition ngin ful by NG an hyrogn mixturs. Intrnational Journal of Hyrogn Enrgy 8; 33: Mihali Z. Gnti Algorithms + Data Struturs = Evolution Programs. 3r. Lonon: Sringr, Noakoski J. Mol of a CI ngin's orking yl an its aliation to hoi of ontrol aramtrs. Bilsko-Biala: Univrsity Prss (Dissrtation in Polish), 6.. Noakoski J, Brooski K. Mathmatial mol for simulation of a orking yl of omrssion-ignition ngin bas on xrimntal masurmnts. In roings of FISIA Worl Automotiv Congrss ; 9: -8.. Pirkr G, Chmla F, Wimmr A. Automat aramtr trmination for IC ngin simulation mols. SAE Intrnational Journal of Engins 9; ():

15 . Ponti F, Corti E, Srra G, D Csar M. Common rail multi-jt isl ngin ombustion mol vlomnt for ontrol uross. SAE hnial Par 7; Raisski L, Kk M. Aliation of a gnti-fuy systm to isl ngin rssur moling. h Intrnational Journal of Avan Manufaturing hnology ; 46: Rai R, Ekrt P, Sbo J, Bhnk K. Zro-imnsional moling of ombustion an hat rlas rat in DI isl ngins. SAE Intrnational Journal of Engins ; 5(3): Saa C, Marotaux F, Millt J, Aubrtin F. Combustion moling of a irt injtion isl ngin using oubl Wib funtions: aliation to HiL ral-tim simulations. SAE hnial Par ; Savva N, Hountalas D. Dtail valuation of a n smi-mirial multi-on NO x mol by aliation on various isl ngin onfigurations. SAE hnial Par ; Sobisański M, Brooski K, Noakoski J, kilak M. h imat of SI ngin ontrolling aramtrs on th ontnt of toxi omonnts an smokinss of xhaust gass. Eksloataja i Niaonos Maintnan an Rliability 8; 3: hor M, Anrsson I, MKlvy. Paramtri isl ngin hat rlas moling for ombustion hasing analysis. SAE hnial Par 9; ogun NK, Bays S. Gnti rogramming aroah to rit torqu an brak sifi ful onsumtion of a gasolin ngin. Ali Enrgy ; 87: Onania A ol oirhni ymiany iła [m ], B aka trysku [kg], iło łaśi ry stałym iśniniu [kj/ (kg K)], v m iło łaśi ry stałj objętośi [kj/ (kg K)], śrnia rękość tłoka [m/s],, i h m m n i B i(r) stał sółynniki ago, aramtry molu, sółynnik ymiany iła [W/(m K)], masa ynnika [kg], masa alia [kg], rękość obrotoa ału korbogo [obr/min], iśnini [Pa], śrni iśnini inykoan [Pa], śrni iśnini inykoan fai roboj yklu [Pa], tmratura [K], s tmratura śianki [K], V objętość [m 3 ], W artość oałoa alia [kj/kg], x B funkja oisująa ynamikę rosu salania, 5

16 X EGR stoiń ryrkulaji salin, gny hromosomi, i Litry grki sółynnik uiału fay salania kintyngo, η λ s sraność ilna, sółynnik namiaru oitra, sółynnik rłyu, as oóźninia ałonu [s]. kąt obrotu ału korbogo [ OWK], kąt yrnia trysku [ OWK], kąt oątku salania [ OWK], kąt salania [ OWK], Inksy ukła olotoy, ukła ylotoy. 6