劉勁蒼 范岳柏

摘 要：分析礦山機(jī)械用發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工作狀態(tài)，建立對(duì)應(yīng)的優(yōu)化控制方案，進(jìn)一步建立合理的優(yōu)化模型，利用改進(jìn)后的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)不同工況下的結(jié)算結(jié)果進(jìn)行分析，證實(shí)了該模型的合理性和可行性。

關(guān)鍵詞：礦山機(jī)械；發(fā)動(dòng)機(jī)；最優(yōu)模型；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD63文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 緒論

氫燃料不僅能夠作為車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的替代燃料，在礦山機(jī)械中也開(kāi)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(jī)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(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)易產(chǎn)生早燃、回火等現(xiàn)象。[2]因此，探索氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化控制技術(shù)，對(duì)提高其使用性能具有重要的意義。

2 礦山機(jī)械用發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化控制方案

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)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(jī)械用發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)根據(jù)噴氣方式又分為早期低壓噴氣和壓縮行程止點(diǎn)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(dòng)機(jī)的輸出功率。缸外預(yù)混氫氣型發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)荷運(yùn)作時(shí)容易早燃、回火以及功率下降的缺點(diǎn)。

由于礦山機(jī)械用發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的各運(yùn)動(dòng)參數(shù)會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同的工況進(jìn)行優(yōu)化，使其達(dá)到最優(yōu)后再對(duì)另外幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 不同工況下優(yōu)化方案的建立

在啟動(dòng)工況和怠速工況下，可以將點(diǎn)火提前角θs、噴氫量ID和噴氫提前θi設(shè)定為常量。在啟動(dòng)工況下，控制系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行判斷，同時(shí)對(duì)該狀況下的冷熱情況進(jìn)行修正；在怠速工況下，控制系統(tǒng)會(huì)在對(duì)當(dāng)前的實(shí)際怠速和目標(biāo)怠速的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試的同時(shí)采用閉環(huán)控制。對(duì)于加減速工況，控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)噴氫量進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到改變工況的目的。

對(duì)于大全負(fù)荷工況，以發(fā)動(dòng)機(jī)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(mén)開(kāi)度ρ以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n不受發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)改變的控制，因此，可以將礦山機(jī)械用發(fā)動(dòng)機(jī)正常工況下的優(yōu)化控制模型簡(jiǎn)化為：通過(guò)任一轉(zhuǎn)速n以及ρ的共同作用，確定理想的點(diǎn)火提前角θs，噴氫提前角θi和噴氫量ID，通過(guò)對(duì)應(yīng)的約束條件的作用，達(dá)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(yǔ)言以及改進(jìn)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后對(duì)礦山機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化模型進(jìn)行計(jì)算。軟件計(jì)算所需的參數(shù)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n、進(jìn)氣壓力pa、冷卻水溫度等，輸出目標(biāo)包括：最優(yōu)的點(diǎn)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(guò)進(jìn)行仿真計(jì)算得出，在低速及低負(fù)荷的工況下，混合氫氣的濃度與最優(yōu)點(diǎn)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(fù)荷的工況下，混合氫氣的密度較大時(shí)，m1會(huì)變小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最大功率時(shí)，由于此時(shí)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(fù)荷變化會(huì)影響到混合氫氣的濃度，所以負(fù)荷變化率對(duì)m1的影響要高于轉(zhuǎn)速變化率對(duì)其的影響。該模型在任意一種工況下都具有較高的進(jìn)度，計(jì)算得到的最優(yōu)提前角均方差等于0.381°CA，此時(shí)的絕對(duì)誤差≤1°CA，最大的相對(duì)誤差<5%。但是，由于m1會(huì)隨著公話的變化而變化，當(dāng)工況的變化率較大時(shí)，誤差會(huì)相應(yīng)的增加。

4 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)礦山機(jī)械用發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況進(jìn)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(guò)數(shù)學(xué)模型的建立有效地縮減了計(jì)算量。同時(shí)，利用改進(jìn)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法，對(duì)建立的優(yōu)化模型求解，并對(duì)不同工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出該優(yōu)化模型滿足計(jì)算精度的要求，是合理可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]王忠，鄭國(guó)兵，張育華，等.氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)及其起動(dòng)過(guò)程研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2007，6：1-4.

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