Многопараметровая оптимизация рабочего процесса дизеля по расходу топлива и выбросам вредных веществ с отработавшими газами

Дизель - сложный объект, в котором взаимосвязано протекают различные по своей природе физико-химические явления. При его проектировании и экспериментальной доводке добиваются минимизации потерь от химической неполноты сгорания топлива, теплоотдачи в стенки КС, термодинамических потерь от несвоевременности выделения тепла при горении топлива, газодинамических потерь на впуске и выпуске, механических потерь в узлах и агрегатах двигателя и т. п. Из-за взаимовлияния различных факторов, очень сложно добиться оптимума по экологическим параметрам и расходу топлива на всех рабочих режимах работы дизеля, без введения оперативных управляющих воздействий на рабочий процесс. При этом с одной стороны, в реальной конструкции двигателя существуют ограничения числа параметров управления, а с другой стороны, на начальном этапе создания перспективного транспортного средства отсутствует информация по характерным режимам работы его силовой установки. Для оценки токсичности и дымности ОГ и проведения работ по их минимизации, необходимо разработать такую методику моделирования, по которой прогнозируемые режимы работы двигателя были бы максимально приближены к распределению, имеющему место при эксплуатации. В этом смысле интерес представляют стандартизированные ездовые циклы. Существующее большое количество испытательных циклов связано с тем, что их создатели, с одной стороны, пытаются наилучшим образом приблизить характер нагружения двигателя транспортного средства к условиям реальной эксплуатации, а с другой - к упрощению методик и оборудования для проведения испытаний.

До недавнего времени основным устройством автоматического изменения угла опережения впрыскивания топлива были центробежные муфты опережения впрыскивания топлива. Сейчас все большее применение находят более совершенные системы управления фазой топливоподачи. В качестве управляющих воздействий используют не только скоростной режим двигателя, но и нагрузку, давление наддува, температуру окружающей среды и т.п. Таким образом, при создании методик поиска законов регулирования, обеспечивающих минимизацию выбросов ВВ с ОГ дизелей при сохранении заданного уровня топливной экономичности, необходимо учитывать возможность многопараметрового управления.

Проведенный анализ показал что, не только характеристики автомобильного дизеля, но и условия его загрузки в процессе реальной эксплуатации определяют эколого-экономические параметры транспортного средства.

Известно, что мощность, требуемая для движения транспортного средства со скоростью равна

или мощность, требующаяся от двигателя на горизонтальных участках:

где: - механический КПД трансмиссии с главной передачей; -полный вес транспортного средства; -коэффициент сопротивления качению; - скорость автобуса; - коэффициент аэродинамического сопротивления; - плотность воздуха; F - лобовая площадь автобуса; - коэффициент, учитывающий момент инерции вращающихся деталей двигателя, сцепления, коробки перемены передач (КПП) и т.д.; J -ускорение автобуса; g - ускорение силы тяжести.

Частота вращения коленчатого вала двигателя для заданной скорости движения транспортного средства на k-й передаче равна

где: - передаточное отношение k-й передачи в КПП; - передаточное отношение главной передачи; -диаметр колеса автобуса.

Обеспечение оптимального управления ДВС по параметрам экономичности и эмиссии вредных веществ с ОГ, подразумевает выбор методики приведения суммарного воздействия вредных веществ к единому показателю. Среди различных способов наиболее широкое применение имеет метод свертки. Обобщенный критерий оптимальности по токсичности можно вычислить, основываясь на весовых коэффициентах, полученных на основе норм предельно допустимых концентраций (ПДК).

При определении весовых коэффициентов предполагалось, что чем большую опасность представляет экотоксикант здоровью человека (ниже значение его ПДК) тем больше его весовой коэффициент в обобщенном критерии оптимальности где, в качестве частных критериев выступают концентрации основных токсичных компонентов, содержащихся в ОГ.

Задача нахождения оптимальных характеристик, обеспечивающих минимально возможный выброс вредных веществ с ОГ дизеля без ухудшения или при незначительном (нормируемом: 1%, 2% и т.п.) ухудшении топливной экономичности может быть решена аналитически, однако при этом, необходимо иметь следующие исходные данные:

1) Аналитические зависимости, связывающие выходные параметры по расходу топлива и выбросам вредных веществ с независимыми параметрами: режимными - нагрузкой двигателя и частотой вращения коленчатого вала и регулировочным параметром (или параметрами).

Экономически более выгодным, за счет уменьшения объема экспериментальных исследований, и в большинстве случаев более надежным, за счет развитости теории оценки адекватности, получаемых уравнений регрессии, можно считать способ получения требуемых зависимостей методом планируемого эксперимента, в виде

где: а и b коэффициенты уравнений регрессии для s-го вредного вещества и i-го (j-го) параметра регулирования.

2) Численные оценки выходных параметров работы дизеля с учетом доли его работы на каждом нагрузочно - скоростном режиме, т.е. иметь распределения режимов работы, полученные при выполнении реального цикла движения, транспортного средства (данные режимометрирования), или полученные путем обработки ездовых циклов. Нормирующий параметр равен времени работы двигателя во всех зонах

Зависимости для расчета оценок с учетом данных режимомeтрирования имеют вид

В развернутом виде их можно записать следующим образом в функции параметров закона регулирования с,k...

где, коэффициенты в оценочных зависимостях могут быть вычислены через значения коэффициентов уравнений регрессии для приведенного выброса вредных веществ и часового расхода топлива

Для поиска условного экстремума, используя аналитические функции оценок, составим функцию Лагранжа: и(с,k) = Ф(с,k) + λ𝝍(с,k).

Тогда система для определения искомых значений с и k имеет вид

Значение - оценка расхода топлива при оптимальной регулировке по экономичности, которая может быть получена из решения системы

или

откуда

Таким образом, при заданном параметре А, определяющем уровень топливной экономичности, могут быть найдены коэффициенты закона регулирования с и k, обеспечивающего минимальный выброс ВВ.

2 построение факторной модели динамической системы с использованием полного факторного эксперимента.

В качестве постоянного фактора возьмём .

Факторы: G₁ -часовой расход топлива, V₁ -скорость движения автомобиля.

Центры эксперимента:

Интервалы варьирования:

Определим коэффициенты факторной модели:

Составим факторную модель:

где

Выберем случайным образом 5 различных сочетаний уровней факторов из принятых интервалов варьирования и вычислим оценки значений функции отклика (). Для выбранных сочетаний уровней факторов проведём цифровой эксперимент и получим истинные значения функции отклика ().

Сравнив вычисляемые оценки значений функции отклика () и полученные значения функции отклика (), можно сказать, что наша факторная модель корректна для данной динамической системы.

заключение

В данной практической работе я изучила теоретический материал о полном факторном эксперименте, а также о оптимизации рабочего процесса дизеля по расходу топлива и выбросам вредных веществ с отработавшими газами. С помощью MATLAB построила факторную модель динамической системы с использованием полного факторного эксперимента.