CHƯƠNG IV : CẢI TIẾN ĐỘNG CƠ DIESE L– ĐẶC ĐIỂM TỐI ƯU HÓA SỐ
4.2 Tối ưu hóa động cơ để sử dụng diesel sinh học
4.2.3 Tối ưu hóa quá trình phun nhiên liệu
Phun nhiên liệu phun ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất động cơ diesel, nhiên liệu tiêu thụ và khí thải độc hại. Một biện pháp phổ biến của phun nguyên tử là đường kính trung bình Sauter (SMD). Nói chung, các giá trị nhỏ hơn của SMD thường mang lại kết quả tốt hơn và thực tế này có thể được sử dụng trong quy trình tối ưu hóa.
Một trong nhiều công thức thực nghiệm để xác định SMD là Hiroyasu và công thức Kadota (Kegl và cộng sự 2008):
trong đó pinj [Pa] là áp suất phun, pa [Pa] là áp suất môi trường xung quanh, ρa là không khí(môi trường xung quanh) mật độ [kg / m3] và qinj [mm3/ stroke] là tiếp nhiên liệu. Biểu thức nàyvà mô hình toán học BKIN (Sect. 2.1.2) có thể được sử dụng để giải về số lượng bài toán tối ưu hóa sau đây.
Để mục tiêu là xác định các giá trị đó của các biến thiết kế b các đặc tính tiêm sẽ tối ưu theo một nghĩa nào đó. Hãy để chúng tôi giả định them rằng chất lượng tiêm có liên quan chặt chẽ với SMD trung bình — Sauter mean đường kính trung bình tại thời điểm tiêm (Kegl et al. 2008).
Theo cách sắp xếp trên, mục tiêu tối ưu hóa có thể là thể hiện như
Trong đó dn 32 là SMD trung bình tương ứng với chế độ vận hành thứ z và N là tổng số chế độ hoạt động đang được xem xét. Nói cách khác, mục tiêu là giảm thiểu SMD trung bình ở tất cả N chế độ vận hành.
Một hệ thống phun cơ học với một số điều khiển điện tử được xem xét. Vì vậy, các biến thiết kế bi, i ¼ 1 ... n có thể là các tham số hình học và điều khiển.
Các thông số hình học liên quan đến biên dạng cam, ống HP và vòi phun (Hình 8.9). Biên dạng cam được định nghĩa là một đường cong Be´zier hợp lý, (8.19). Người đầu tiên điểm điều khiển được xác định bằng góc nâng pít tông bơm bằng không φ0 ¼ φ0 (b); trong khi đó các thành phần của các điểm kiểm soát trung gian có thể được xác định bởi (8.24) theo các tham số cix ¼ cix (b), i ¼ 2 ... (k 1) và ciy ¼ ciy (b), i ¼ 3 ... (k 2). Hai thông số cuối cùng là chiều dài ống cao áp Lt và đường kính lỗ vòi phun dn.
Các thông số điều khiển là hp nâng trước pít tông bơm và hình học thời gian cung cấp nhiên liệu td. Sự nâng trước của pít tông bơm ảnh hưởng đến việc phun thời gian, trong khi thời gian phân phối hình học ảnh hưởng đến việc tiêm khoảng thời gian.
85Hình 4.9 Các biến số thiết kế hình học của hệ thống phun nhiên liệu thẳng hàng
Vì lý do công nghệ, ξmin dương tối thiểu (+) và âm tối thiểu Giá trị ξmax () của bán kính cục bộ của biên dạng cam phải được giới hạn đúng cách.
Để tránh quá tải mômen xoắn và mất tiếp xúc giữa cam và theo sau, gia tốc pít tông bơm ζ tối thiểu và tối đa phải là cũng có giới hạn.
Ngoài ra, các ràng buộc thích hợp cũng phải được đặt ra đối với thời gian tiêm θ và thời lượng phun ϑ (cả hai đại lượng được đo bằng độ của trục cam), trên nhiên liệu qinj (đo bằng mm3 / stroke), và áp suất phun tối đa maxpinj.
Cuối cùng, để ngăn chặn một thiết kế không được chấp nhận về mặt công nghệ, các ràng buộc về và giới hạn trên của các biến thiết kế cũng phải được áp đặt.
trong đó các ký tự trên bên phải L và U biểu thị các giới hạn dưới và trên được quy định. Mục tiêu (8.43) để giảm thiểu hàm N, việc lựa chọn thiết kế các biến, các ràng buộc (8.44) và một mô hình phản hồi thích hợp (ví dụ:BKIN, Sect. 2.1.2) xác định hoàn toàn bài toán tối ưu hóa. Thật không may, điều này vấn đề không có dạng chuẩn vì nó là dạng đa đối tượng. Để giải quyết nó một cách hiệu quả, người ta phải chuyển nó thành dạng chuẩn, tức là thành một dạng với một hàm mục tiêu.
Sự chuyển đổi này có thể được thực hiện theo một số cách khác nhau mà thường mang lại kết quả khác nhau — thường là một điểm thuộc mặt trước Pareto. Trong mọi trường hợp, yêu cầu tối thiểu N hàm độc lập phải được thay thế bằng cực tiểu của một hàm vô hướng thay thế. Điều này có thể được thực hiện một cách thỏa đáng chỉ khi các yếu tố tầm quan trọng tương đối (trọng số) của các hàm mục tiêu ban đầu là đã biết. Nói chung, các yếu tố này không thể được xác định một cách dễ dàng; trong thực tế, quan sát tiến độ tối ưu hóa và trực giác tốt là cần thiết để có được một kết quả.
May mắn thay, trong trường hợp của chúng tôi, các mục tiêu ban đầu liên quan đến hoạt động cá nhân các chế độ, đến lượt nó đã được cân bằng trọng số thử nghiệm ESC yếu tố χz. Do đó, có vẻ như là một lựa chọn tốt để lấy trọng số ESC làm các yếu tố của các chức năng khách quan ban đầu. Do đó, bằng cách nhân mỗi d z32 bởi χz tương ứng và cộng lại, người ta nhận được một hàm mục tiêu vô hướng thay thế của dạng
Người ta mong đợi rằng việc tối thiểu hóa tổng trên sẽ mang lại điểm Pareto, là đạt yêu cầu từ quan điểm kỹ thuật của xem.
Mục đích của việc tối ưu hóa này là để xem sự khác biệt thiết kế cần thiết là gì, nếu diesel khoáng (D100) được thay thế bằng diesel sinh học hạt cải dầu (RaBIO). Hơn nữa, nó
6Bảng 4.4 Giá trị ban đầu và giới hạn của các biến thiết kế
sẽ rất thú vị để xem, nếu bằng cách phun nhiên liệu và phun nhiên liệu được tối ưu hóa đặc điểm, lượng khí thải độc hại của dầu diesel sinh học có thể nằm trong phạm vi của những động cơ diesel khoáng (hoặc thậm chí thấp hơn).
Nhiên liệu được thử nghiệm là loại D100 gọn gàng, phù hợp với tiêu chuẩn Châu Âu EN 590 và RaBIO gọn gàng, phù hợp với tiêu chuẩn Châu Âu EN 14214. Một số đặc tính đo được của các nhiên liệu này được cho trong Bảng 8.3.
Các phép đo và tính toán các đặc tính phun và động cơ được thực hiện ở 13 chế độ trạng thái ổn định chế độ đặc trưng của ESC kiểm tra. Tầm quan trọng của một chế độ cá nhân được xác định bởivhệ số trọng số χz, z ¼ 1 ... N trong hàm mục tiêu (8.45). Trọng số hệ số cho tất cả các chế độ tính bằng phần trăm (%) được cho trong Hình 4.10.
7Bảng 4.5 Tốc độ quay của bơm, giới hạn trên của áp suất phun cực đại maxpinj, thấp hơn và giới hạn trên (khoảng thời gian) để nạp nhiên liệu qinj, thời gian phun θ và thời gian phun ϑ
87Hình 4.11 SMD trung bình ở các thiết kế ban đầu và tối ưu cho D100 và RaBI
Vì N ¼ 13, có tổng số n ¼ 39 biến thiết kế. Các giá trị ban đầu của biến thiết kế cũng như các giới hạn dưới và trên của chúng được đưa ra trong Bảng 8.4.
Các giới hạn dưới và giới hạn trên của các đại lượng bị ràng buộc sau đây được đưa đến giống nhau trong tất cả các chế độ hoạt động: ξL tối thiểu (+) ¼ 2 mm, ξU tối đa () ¼ 60 mm, ζL ¼100 mm và ςU ¼ 100 mm. Các giới hạn của áp suất phun tối đa maxpinj, nạp nhiên liệu qinj, thời gian phun θ và thời gian phun ϑ, khác nhau đối với từng cá nhâncác chế độ hoạt động (Bảng 8.5).
Hai trường hợp tối ưu hóa đã được xem xét; D100 gọn gàng đã được sử dụng trong trường hợp đầu tiên và RaBIO gọn gàng trong trường hợp thứ hai. Cả hai trường hợp đã được giải quyết thành công trong vòng 8 lần lặp. Giá trị tối ưu của các biến thiết kế được cho trong Bảng 8.6.
Đường kính trung bình Sauter trung bình d 32 [μm] cho z ¼ 1 ... N ở thiết kế ban đầu choD100 là 22,15, 31,94, 30,49, 30,73, 30,53, 31,33, 30,53, 31,59, 30,49, 31,23,30,19, 30,47, 30,19 và cho RaBIO 23,65, 31,74, 30,51, 30,93, 30,46, 31,42,Lần lượt là 30,46, 31,45, 30,51, 31,17, 30,22, 30,39, 30,22. Các giá trị tối ưu cho D100 là 21,56, 31,16, 29,58, 30,42, 28,86, 30,83, 25,92, 30,84, 29,25, 30,59, 29,25, 29,89, 29,62 và cho RaBIO 24,55, 31.10, 29,50, 30,44, 28,79, 30,79, 27,23,30,86, 29,26, 30,69, 29,32, 30,22, 29,47. Hình 8.11 cho thấy sự khác biệt giữa SMDat ban đầu trung bình và thiết kế tối ưu. Có thể thấy rằng sự cải tiến ở tốc độ bơm cao hơn và tải cao hơn không đáng kể. Tuy nhiên, cần
phải chỉ ra rằng ở những chế độ các ràng buộc không được đáp ứng ở thiết kế ban đầu, trong khi ở mức tối ưu thiết kế tất cả các ràng buộc áp đặt được đáp ứng. Tổng trọng số
là 29,55 μm và 28,59 μm ở thiết kế ban đầu và tối ưu cho khoáng diesel và 29,76 μm và 29,11 μm ở thiết kế ban đầu và tối ưu cho hạt cải dầu dầu diesel sinh học. Như có thể thấy từ Hình 8.9, các thiết kế được tối ưu hóa cung cấp nguyên tử hóa cải tiến thiết thực ở tất cả các chế độ vận hành động cơ mà không làm tăng áp suất phun tối đa vượt quá giới hạn quy định. Kết quả này có thể cung cấp khả năng cải thiện sự cân bằng NOx – PM.
88Hình 4.12 Các cấu hình cam của thiết kế ban đầu và tối ưu cho D100 và RaBIO
Các cấu hình cam của thiết kế ban đầu và tối ưu được so sánh trong Hình 8.12, trong đó x và y biểu thị tọa độ Descartes của biên dạng. Thiết kế tối ưu khác so với ban đầu một cách đáng kể. Người ta cũng có thể quan sát thấy rằng các thiết kế tối ưu cho D100 và RaBIO khá khác nhau.
và tối ưu được so sánh với RaBIO và D100 (Hình 8.13). Như mong đợi, ở cùng một thiết kế ban đầu, áp suất phun và tốc độ tiêm cao hơn và nâng kim mở ra sớm hơn đối với RaBIO. Sau khi tối ưu hóa zation, điều ngược lại được quan sát. Áp suất phun của RaBIO thấp hơn chút nào các chế độ điều hành. Hơn nữa, ở một số chế độ hoạt động, kim mở ra muộn hơn và lịch sử tỷ lệ tiêm được thay đổi tương ứng. Điều này thực sự có nghĩa là thời gian tiêm của RaBIO bị chậm lại so với D100. Điều này có thể có nghĩa là phát thải NOx thấp hơn.
4.4 Thảo luận
Việc tối ưu hóa có thể dẫn đến những cải tiến đáng kể về các đặc tính của động cơ không phụ thuộc vào nhiên liệu được sử dụng. Tuy nhiên, người ta phải lưu ý rằng biến thiết kế tối ưu giá trị có thể phụ thuộc đáng kể vào loại nhiên liệu. Điều này đúng cho cả hai, hình học và điều khiển, thiết kế các biến. Theo đó, nói chung, một động cơ diesel, được trang bị với một hệ thống phun được điều khiển cơ học, không thể chạy rất hiệu quả, vì ví dụ, với D100 và RaBIO. Nó phải được điều chỉnh cho phù hợp với nhiên liệu thực tế được sử dụng.
Mặc dù vậy, kết quả tối ưu hóa cho thấy rằng có thể sử dụng số lượng nhỏ các biến thiết kế để có được các đặc tính động cơ tốt tại một số chế độ vận hành động cơ đồng thời. Do đó, sử dụng một quy trình thiết kế tối ưu và lựa chọn cẩn thận các biến thiết kế mang lại khả năng để điều chỉnh động cơ diesel cho việc sử dụng diesel sinh học bằng cách chỉ tạo ra chi phí nhỏ và thấp sửa đổi trên thiết kế của nó.
Sử dụng lịch sử tốc độ phun trong hàm mục tiêu dường như là một cách tiếp cận hấp dẫn để tối ưu hóa hệ thống phun. Theo quy định kết quả số, thu được đối với hệ thống phun nhiên liệu ECD, như sau kết luận có thể được đưa ra:
• Có vẻ như lịch sử tốc độ phun khá tốt của hệ thống phun nhiên liệu ECD có thể đạt được bằng cách thực hiện các điều chỉnh thích hợp của cấu hình cam và một số thông số điều khiển chỉ
• Đường cong Be´zier hợp lý cho kết quả tốt hơn so với đường cong không hợp lý của nó; mặc dù sự khác biệt không đáng kể, nhưng có vẻ như đáng để bao gồm các yếu tố trọng số vào tập hợp các biến thiết kế
Hơn nữa, người ta có thể nói rằng đường kính trung bình Sauter cũng có thể được được sử dụng trong việc xây dựng một bài toán tối ưu hóa. Theo như kết quả, các kết luận sau có thể được thực hiện:
• Cải thiện các đặc tính phun nhiên liệu có thể thu được bằng cách thực hiện điều chỉnh thích hợp của biên dạng cam, đường kính lỗ vòi phun, áp suất cao chiều dài ống và các thông số kiểm soát như nâng trước pít tông bơm và thời gian của cung cấp nhiên liệu
• Các giá trị của đường kính trung bình Sauter có thể bị giảm ở một số đồng thời các chế độ vận hành động cơ.
Về các phương pháp tối ưu hóa, người ta có thể nói rằng gradient dựa trên các thuật toán có thể đại diện cho một sự lựa chọn hấp dẫn khi giải quyết các vấn đề phân vùng tối ưu hóa động cơ. Các thuật toán này hơi tẻ nhạt để triển khai vì nhu cầu tính toán các dẫn xuất thiết kế của các chức năng liên quan. Tình huống thậm chí còn trở nên phức tạp hơn, nếu một người sử dụng một chương trình hộp đen thương mại để phân tích hệ thống được xem xét. Tuy nhiên, có vẻ như giải pháp sử dụng hai các chương trình độc lập — trình tối ưu hoá và trình mô phỏng — hoạt động khá tốt. Các trình tối ưu hóa có thể được mã hóa như một chương trình có mục đích chung hoàn toàn độc lập bằng cách thống nhất các giao thức trao đổi dữ liệu phù hợp. Tệp trao đổi dữ liệu XML, dựa trên các lược đồ XML đầy đủ, đại diện cho một sự lựa chọn độc lập với nền tảng rất tốt. Ở trong để phù hợp với chương trình mô phỏng thương mại vào quá trình tối ưu hóa, đơn giản các chương trình bao bọc đầu vào / đầu ra có thể được sử dụng. Các chương trình đặc biệt này phải được được mã hóa cho mọi vấn đề tối ưu hóa cụ thể được xem xét. Tuy nhiên, điều này có thể thường được thực hiện rất nhanh chóng.
Cuối cùng, để làm cho quá trình tối ưu hóa hiệu quả nhất có thể và giảm thiểu khả năng bị mắc kẹt vào optima cục bộ không đạt yêu cầu, một cách cẩn thận việc lựa chọn các biến thiết kế là cần thiết. Một nghiên cứu về các thông số ảnh hưởng là do đó luôn được khuyến khích.