矿山机械用发动机最优模型的建立

　　摘 要：分析矿山机械用发动机的不同工作状态，建立对应的优化控制方案，进一步建立合理的优化模型，利用改进后的模糊神经网络对模型进行计算，通过对不同工况下的结算结果进行分析，证实了该模型的合理性和可行性。

　　关键词：矿山机械;发动机;最优模型;模糊神经网络

　　1 绪论

　　氢燃料不仅能够作为车辆发动机的替代燃料，在矿山机械中也开始有所应用。[1]由于其燃烧后的产物中不存在颗粒、积碳等物质，能够有效地避免矿山机械的磨损。但是氢燃料由于氢燃料热值高、着火范围广以及火焰传播速度快的特点，使发动机易产生早燃、回火等现象。[2]因此，探索氢燃料发动机的优化控制技术，对提高其使用性能具有重要的意义。

　　2 矿山机械用发动机优化控制方案

　　2.1 发动机类型及优化控制思想

　　根据氢气供应方式的不同矿山机械用发动机被分为缸内直接喷射氢气型和缸外预混氢气型两种。[1]其中缸内直接喷射氢气型发动机根据喷气方式又分为早期低压喷气和压缩行程止点附近喷气。前者不易产生回火现象，但是容易早燃;而后者能够避免早燃或回火现象的发生，提高了发动机的输出功率。缸外预混氢气型发动机能够形成高质量的混合气体，但是存在着充气效率低，高负荷运作时容易早燃、回火以及功率下降的缺点。

　　由于矿山机械用发动机运转时的各运动参数会对发动机的动力性能、经济性能和排放性能等产生不同的影响。[2]所以，可以利用相适宜的评价标准对不同的工况进行优化，使其达到最优后再对另外几个指标进行优化。

　　2.2 不同工况下优化方案的建立

　　在启动工况和怠速工况下，可以将点火提前角θs、喷氢量ID和喷氢提前θi设定为常量。在启动工况下，控制系统会进行判断，同时对该状况下的冷热情况进行修正;在怠速工况下，控制系统会在对当前的实际怠速和目标怠速的转速进行测试的同时采用闭环控制。对于加减速工况，控制系统会对喷氢量进行补偿，达到改变工况的目的。

　　对于大全负荷工况，以发动机能的输出功率Pe為最终优化目标，将各相关参数作为约束条件，得到如下数学关系式

　　3 模型的建立及求解

　　3.1 模型的建立

　　由于公式(1)～(2)中，节气门开度ρ以及发动机转速n不受发动机状态改变的控制，因此，可以将矿山机械用发动机正常工况下的优化控制模型简化为：通过任一转速n以及ρ的共同作用，确定理想的点火提前角θs，喷氢提前角θi和喷氢量ID，通过对应的约束条件的作用，达到使有效功率Pe或有效氢气消耗率ge最优化的目的。

　　利用C++程序语言以及改进的模糊神经网络后对矿山机械发动机的优化模型进行计算。软件计算所需的参数包括：发动机转速n、进气压力pa、冷却水温度等，输出目标包括：最优的点火提前角m1(x1，x2)、最优的喷氢提前角m2(x1，x2)和最优的喷氢量m3(x1，x2)。

　　通过进行仿真计算得出，在低速及低负荷的工况下，混合氢气的浓度与最优点火提前角m1成反比的关系，即混合氢气浓度越低，m1越大;而在高速及高负荷的工况下，混合氢气的密度较大时，m1会变小。当发动机达到最大功率时，由于此时混合氢气浓度较大，其燃烧速度也更快，得到的m1约为20°CA BTDC。此外，由于负荷变化会影响到混合氢气的浓度，所以负荷变化率对m1的影响要高于转速变化率对其的影响。该模型在任意一种工况下都具有较高的进度，计算得到的最优提前角均方差等于0.381°CA，此时的绝对误差≤1°CA，最大的相对误差<5%。但是，由于m1会随着公话的变化而变化，当工况的变化率较大时，误差会相应的增加。

　　4 结论

　　综上所述，通过对矿山机械用发动机的不同工况进行分析，建立了相适宜的优化方案以及优化控制模型，通过数学模型的建立有效地缩减了计算量。同时，利用改进的模糊神经网络计算方法，对建立的优化模型求解，并对不同工况下的计算结果进行分析，得出该优化模型满足计算精度的要求，是合理可行的。

　　参考文献：

　　[1]王忠，郑国兵，张育华，等.氢燃料发动机及其起动过程研究[J].车用发动机，2007，6：1-4.

　　[2]欧阳明高，张育华，辛军，等.氢内燃机的改装设计与控制研究[J].内燃机工程，2006，27(6)：1-5.

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文章名称： 矿山机械用发动机最优模型的建立

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