礦山機械用發(fā)動機最優(yōu)模型的建立

劉勁蒼 范岳柏

摘 要：分析礦山機械用發(fā)動機的不同工作狀態(tài)，建立對應(yīng)的優(yōu)化控制方案，進一步建立合理的優(yōu)化模型，利用改進后的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對模型進行計算，通過對不同工況下的結(jié)算結(jié)果進行分析，證實了該模型的合理性和可行性。

關(guān)鍵詞：礦山機械；發(fā)動機；最優(yōu)模型；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TD63文獻標(biāo)識碼：A

1 緒論

氫燃料不僅能夠作為車輛發(fā)動機的替代燃料，在礦山機械中也開始有所應(yīng)用。[1]由于其燃燒后的產(chǎn)物中不存在顆粒、積碳等物質(zhì)，能夠有效地避免礦山機械的磨損。但是氫燃料由于氫燃料熱值高、著火范圍廣以及火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓奶攸c，使發(fā)動機易產(chǎn)生早燃、回火等現(xiàn)象。[2]因此，探索氫燃料發(fā)動機的優(yōu)化控制技術(shù)，對提高其使用性能具有重要的意義。

2 礦山機械用發(fā)動機優(yōu)化控制方案

2.1 發(fā)動機類型及優(yōu)化控制思想

根據(jù)氫氣供應(yīng)方式的不同礦山機械用發(fā)動機被分為缸內(nèi)直接噴射氫氣型和缸外預(yù)混氫氣型兩種。[1]其中缸內(nèi)直接噴射氫氣型發(fā)動機根據(jù)噴氣方式又分為早期低壓噴氣和壓縮行程止點附近噴氣。前者不易產(chǎn)生回火現(xiàn)象，但是容易早燃；而后者能夠避免早燃或回火現(xiàn)象的發(fā)生，提高了發(fā)動機的輸出功率。缸外預(yù)混氫氣型發(fā)動機能夠形成高質(zhì)量的混合氣體，但是存在著充氣效率低，高負荷運作時容易早燃、回火以及功率下降的缺點。

由于礦山機械用發(fā)動機運轉(zhuǎn)時的各運動參數(shù)會對發(fā)動機的動力性能、經(jīng)濟性能和排放性能等產(chǎn)生不同的影響。[2]所以，可以利用相適宜的評價標(biāo)準(zhǔn)對不同的工況進行優(yōu)化，使其達到最優(yōu)后再對另外幾個指標(biāo)進行優(yōu)化。

2.2 不同工況下優(yōu)化方案的建立

在啟動工況和怠速工況下，可以將點火提前角θs、噴氫量ID和噴氫提前θi設(shè)定為常量。在啟動工況下，控制系統(tǒng)會進行判斷，同時對該狀況下的冷熱情況進行修正；在怠速工況下，控制系統(tǒng)會在對當(dāng)前的實際怠速和目標(biāo)怠速的轉(zhuǎn)速進行測試的同時采用閉環(huán)控制。對于加減速工況，控制系統(tǒng)會對噴氫量進行補償，達到改變工況的目的。

對于大全負荷工況，以發(fā)動機能的輸出功率Pe為最終優(yōu)化目標(biāo)，將各相關(guān)參數(shù)作為約束條件，得到如下數(shù)學(xué)關(guān)系式

3 模型的建立及求解

3.1 模型的建立

由于公式（1）～（2）中，節(jié)氣門開度ρ以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速n不受發(fā)動機狀態(tài)改變的控制，因此，可以將礦山機械用發(fā)動機正常工況下的優(yōu)化控制模型簡化為：通過任一轉(zhuǎn)速n以及ρ的共同作用，確定理想的點火提前角θs，噴氫提前角θi和噴氫量ID，通過對應(yīng)的約束條件的作用，達到使有效功率Pe或有效氫氣消耗率ge最優(yōu)化的目的。

利用C++程序語言以及改進的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后對礦山機械發(fā)動機的優(yōu)化模型進行計算。軟件計算所需的參數(shù)包括：發(fā)動機轉(zhuǎn)速n、進氣壓力pa、冷卻水溫度等，輸出目標(biāo)包括：最優(yōu)的點火提前角m1（x1，x2）、最優(yōu)的噴氫提前角m2（x1，x2）和最優(yōu)的噴氫量m3（x1，x2）。

通過進行仿真計算得出，在低速及低負荷的工況下，混合氫氣的濃度與最優(yōu)點火提前角m1成反比的關(guān)系，即混合氫氣濃度越低，m1越大；而在高速及高負荷的工況下，混合氫氣的密度較大時，m1會變小。當(dāng)發(fā)動機達到最大功率時，由于此時混合氫氣濃度較大，其燃燒速度也更快，得到的m1約為20°CA BTDC。此外，由于負荷變化會影響到混合氫氣的濃度，所以負荷變化率對m1的影響要高于轉(zhuǎn)速變化率對其的影響。該模型在任意一種工況下都具有較高的進度，計算得到的最優(yōu)提前角均方差等于0.381°CA，此時的絕對誤差≤1°CA，最大的相對誤差<5%。但是，由于m1會隨著公話的變化而變化，當(dāng)工況的變化率較大時，誤差會相應(yīng)的增加。

4 結(jié)論

綜上所述，通過對礦山機械用發(fā)動機的不同工況進行分析，建立了相適宜的優(yōu)化方案以及優(yōu)化控制模型，通過數(shù)學(xué)模型的建立有效地縮減了計算量。同時，利用改進的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算方法，對建立的優(yōu)化模型求解，并對不同工況下的計算結(jié)果進行分析，得出該優(yōu)化模型滿足計算精度的要求，是合理可行的。

參考文獻：

[1]王忠，鄭國兵，張育華，等.氫燃料發(fā)動機及其起動過程研究[J].車用發(fā)動機，2007，6：1-4.

[2]歐陽明高，張育華，辛軍，等.氫內(nèi)燃機的改裝設(shè)計與控制研究[J].內(nèi)燃機工程，2006，27（6）：1-5.