基于GTPOWER的柴油机配气定时的优化设计

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出版社,1998.
【上接第lo页】 5结论
本文通过Visual Basic编程,利用遗传算法实现 了任意给定线路上的列车操纵曲线寻优,最佳个体 就是最终的优化曲线。从计算结果来看,所求解的 精度能够充分满足列车在线路上运行的时间、距 离、限速等约束,在第364代时就已经收敛到最佳 结果,极大缩短了寻优时间,为进一步实现在线寻 优打下坚实的基础。计算结果可以证明,实数编码 的遗传算法,不但能够省去编码和解码的步骤,在 采取保留最佳个体策略时可以得到一个很好的收 敛结果,当采用与遗传代数相关的不断变化的变异 概率和均匀交叉算子时还能够大大加快计算结果 的收敛。在计算过程中,引入了牵引、惰行、动力制 动等不同的操纵工况来模拟实际线路上的运行情
由于配气定时在不同转速下对柴油机的充气 效率影响不同,因此,在不同转速下都有其对应的 最佳配气定时,配气定时应该随着转速和工况的变 化而变化。配气定时的优化不是简单移动进排气 门的升程图,而是把升程图看成是弹性的,可以“膨 胀”和“压缩”,当然也可以进行提前和延后的调整。 因而可以灵活地组合各种配气相位。虽然在现实 的机械机构中还不能轻松实现此功能,但做为模拟 计算还是有意义的,可以进行知识的储备,为以后
拟作为怠速下的优化。从图12中看出,此时除了 排气门关闭角度外,其他3个角度对充气效率影响
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内燃机车
2008年
图11不同EVC和EVO组合对扭矩的影响 的敏感系数差不多,故同时对IVO、EVO和IVC这3 个角度进行优化。
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O.1
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图12 4个角度对充气效率影响的敏感系数
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图7 4个角度对充气效率影响的敏感系数
由图7可以看出,在该转速下,排气门的开启 和关闭角度对缸内的充气效率影响最大,并且排气 门开度最大的时候充气效率最高。但是从图8一 图11看出,在此转速下,充气效率越大并不能带来 缸内爆发压力、功率和扭矩的最大,分析原因是此 时排气门过早打开会造成柴油机缸内做功的工质 过早地换出,造成功率和扭矩的损失,同时还造成 燃油消耗率的上升。,
综合以上的因素,通过DOE计算得到一组最 佳的组合,其他角度不变。表3为优化结果对比。
表3优化结果对比
图8不同EVC和EVO组合对缸内 最大爆发压力影响
图9不同EVE和EVO组合对燃油 消耗率的影响
图10不同EVC和EVO组合对功率的影响
3.3 700 r/min转速下的优化 700 r/rnin是该柴油机进行试验的最低转速,模
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图6不同EVC Evo组合对扭矩的影响

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朱{机等:基于GT-POWER的柴油机配气定时的优化设计
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表2优化结果对比
3.2 l 100 r/nan转速下的优化 1 100 r/min是柴油机试验的中间转速,也是一
个比较典型的转速。图7显示了在此转速下4个 角度对充气效率影响的敏感系数。
0.4
82.4610CA、EVC为438。CA。其他角度不变,表2为 优化前后的对比。
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IVC
图2 4个角度对充气效率影响的敏感系数
从图2看出,排气门开启和关闭的角度对充气 效率的影响最大,优化的变量定为EVC和EVO,优 化的目标是缸内的最大充气效率,使其能够同时满 足提升缸内最大爆发压力、减小的燃油消耗率和提 升柴油机的扭矩。
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内燃机车
2008正
柴油机配气机构的改进指明了方向。 优化分别在柴油机的3个转速,即1 500 r/rain、
1 100 r/rain和700 r/rain下进行o 3.1 1 5∞r/rain转速下的优化
1 500 r/rnin为该柴油机试验的最大转速,在该 转速下考察4个角度对充气效率的影响程度,如图 2所示。
[4]雷荚杰,张善文.遗传算法工具箱及应用[M].西安:西安电 子科技大学出版社,2006.
[5]林丹,李敏强,寇纪凇.基于实数编码的遗传算法的收敛性研 究[J].计算胡研究与发展,2000,37(11):1322--1326.
[6]石玉,于盛林.实数交叉算子的选取和算法改进[盯.南京邮 电学院学报,2002,22(2):42—45.
必须考虑到对柴油机功率、扭矩和油耗率的影响, 优化是一个综合各方面因素的结果。接着定义优 化的变量,配气定时包括进气门开启IVO、进气门 关闭IVC、排气门开启EVO和排气门关闭EVC这4 个角度的变化。为了方便优化计算,现只对其中对 充气效率最为敏感的角度进行优化,其余角度不改 变,敏感系数是通过这4个角度变化对充气效率影 响程度得到的。变量的范围是在原角度基础上提 前和落后200CA,整个优化过程的方法是通过DOE 实现的。
率、最大的缸内爆发压力和最大的扭矩,最小油耗 率出现在进气门开启角最小的时候,在进气门关闭
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朱纬飞等:基于67-POWEa的柴油机配气定时的优化设计
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3配气定时的优化设计
在进行配气定时的优化之前,首先定义优化的 目标。一般考虑的原则是使柴油机具有良好的充 气效率,以保证它的动力性。充气效率是指每一个 进气行程所吸入的空气质量与标准状态下占有气 缸活塞行程容积的干燥空气质量的比值。在相同 条件下,柴油机的扭矩特性与充气效率成正比,充 气效率大,进入气缸参与燃烧的空气就多,功率就 大;反之,则造成功率下降,并有可能因为进气不足 引起燃烧不充分、积碳、冒黑烟、油耗增大等问题。 柴油机采用涡轮增压就是提高缸内充气效率最有 效的措施。但是进气效率并不是唯一的指标,同时
影响最敏感的几个角度进行优化,在以后的研究
中,可以进行全角度的优化,得到更为优化的结果。
参考文献:
[1]刘永长.内燃机热力过程模拟[M].北京:机械工业出版社,
2001. [2]刘锋,张扬军.内燃机一维非定常流动[M].北京:清华大学
出版社,2007. [3]顾宏中.涡轮增压柴油机性能研究[M].上海:上海交通大学
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[7]王自力.列车操纵优化的离线寻优[D].成都:西南交通大学 硕士学位论文,1993.
[8]刘金琨.先进PID控制舰忸√幔仿真[M].北京:电子工业出
版社。2004.
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况,对于司机的操纵能够提出更加实际的建议。
参考文献:
[1]何庆.基于遗传算法和模糊专家系统的列车优化控制[D]. 成都:西南交通大学硕士学位论文,2006.
[2]席少林,赵风治.最优化计算方法[M].北京:科学出版社,
1983.
[3]李玉生.基于遗传算法的列车节能控制研究[J].系统仿真学 报,2007。19(2):1---4.
由于要进行3个变量的优化,因此只能选择性 地选取几个图形进行说明。从图13一图16可以看 出,排气门开启角度最大的时候有最大的充气效
图14不同EVO和IVC组合对缸内最大 爆发压力的影响
图15不同IVC和Ⅳo组合燃油消耗率的影响
图13不同EVO和IVO组合对 充气效率的影响
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图16不同IVC和EVO组合对扭矩的影响
关键词:GT-POWER;配气定时;敏感系数;优化设计 中图分类号:TK411+.3 文献标识码:A 文章编号:1003-1820(2∞8)03-0018-06’
1前言
近年来受大气暖化、石油价格上升以及新的排 放法规等一系列因素的影响,对柴油机各方面要求 越来越高,要求各柴油机厂家进一步提升现有机型 的性能以及能够开发出性能优异的新产品,而传统 的实机试验方法,耗财耗力,更不能迅速地掌握新 参数对柴油机整机性能的影响。随着计算机技术 的发展、各类计算模型和预测模型的不断完善,数 值模拟计算的方法在内燃机研制和开发中得到广 泛的应用。配气定时直接影响着内燃机的进排气 性能,对燃烧过程的好坏起着至关重要的作用,因 而对内燃机的动力性、经济性及排气污染都有重要 的影响。但是柴油机的配气定时是根据标定工况 来确定的,部分负荷运行时配气正时很不理想。本 文利用GT-POWER软件建立柴油机的模型,并分别 在3个转速下,模拟计算不同配气相位对柴油机性 能的影响,并通过优化设计的方法,找到对应转速 下的最佳配气相位,为厂家改进提供依据。


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转速/r.min"1
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图1试验值与计算值的对比图
缸内压力是指1 500 r/min时缸内的压力,其余都是 参数随转速变化的对比图,由于篇幅限制,其他转 速下的缸内压力图不再一一列出。
从图1看出,GT-POWER软件能够准确地模拟 柴油机的运行状态,该柴油机的模型是可靠的,可 以在此基础上进行下一步的优化设计。
第3期(总第409期)
设计·制造
内燃机车
2008年3月
基于GT.POWER的柴油机配气定时的优化设计
朱梯飞,李明海
(大连交通大学交通运输2-.程学院,辽宁大连116028)
摘要:理论上一种配气定时只适合柴油机的一个工况,在其他工况下并不能使柴油机达到最 佳性能,利用GT-POWER软件建立柴油机模型,通过数值模拟计算的方法,分别在低、中、高3个转 速下,对配气定时中影响缸内充气效率最为敏感的角度进行优化设计,得到它们对应的最佳配气 定时,为厂家改进提供依据。
收修回稿日期:2007.10-12
生;李明海(1肛),男,山东淄博人,教授。 作者简介:朱稀飞(1983一),男,浙江遂晶人,硕士研究
2模型的建立 2.1实机参数
GT-POWER建模的原型机是玉林柴油机厂生 产的YC6T型柴油机,具体的参数见表1。
表1 YC6T型柴油机参数
2.2 GT.P(慨对柴油机模型的建立和校准
4结论
(1)利用GT-POWER软件对柴油机配气相位 进行分析和计算,可以方便和较快地对柴油机进行 优化设计,缩短开发时间。
(2)从上面几个优化结果的前后对比来看,对 柴油机的充气效率、功率和油耗性能均有一定程度 的提升。这表明,在现有机型上,通过优化配气定
时,可以进一步提升柴油机潜力。

(3)由于计算时间的影响,笔者只对充气效率
GT-POWER建立的模型包括进气系统、排气系 统、涡轮增压系统、中冷系统、喷油部件、气缸和曲 轴箱等。在进行配气相位优化设计以前,必须对模 型的准确性进行校准。校准的方式是与试验数值 进行对比,校准的参数包括空气质量流量、燃油质 量流量、功率、扭矩以及缸内压力曲线等。图l所 示的就是试验值与模拟计算值的校准对比图,其中
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从上面的数据我们可以认为,前面的数学预测 方法的结果是可以信赖的,其与计算值的误差最大 不会超过5%,而大部分误差在1%内。
图3一图6分别表示了不同EVC和EVO组合 对充气效率、最大爆发压力、燃油消耗率和扭矩的 影响。
图4不同EVC和EVO组合对缸内最大 爆发压力的影响
图5不同EVC和EVO组合对 燃油消耗率的影响
图3不同EVC和EVO组合对充气效率的影响 从图3一图6看出,充气效率最大的点出现在 排气门开度最大,即开启最早、关闭最晚的时刻,但 是其他几个参数未能满足最优。最小油耗率和最 大扭矩都出现在EVO为80。CA的左右,综合上面 几个因素,计算得到一组最佳的组合角度:EVO为
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