16482

16482

شبيه‌سازي، تحليل عملكرد و بهينه‌سازي يك موتور احتراق داخلي تبديل شده از چهار استوانه به سه‌استوانه‌اي

دكتري

خودرو

مهر ماه 1395

دكتر محمدحسن شجاعي فرد - دكتر ابوالفضل خلخالي

خودرو

چكيده: در اين رساله با استفاده از نرم افزار GT-POWER موتور چهار سيلندرتنفس طبيعي EF7 شبيه‌سازي، تبديل به سه‌سيلندر و در ادامه بهينه‌سازي ميگردد. در همين راستا يكي از استوانه‌هاي موتور حذف شده و مدل شبيه‌ساز رفتار موتور براي موتور سه‌سيلندر جديد توسعه داده مي‌شود و براي بهينه‌سازي بهره‌برداري خواهد شد. براي ساخت مدل شبيه‌ساز موتور، از فشار احتراق كه در دورهاي مختلف به‌روي دينامومتر اندازه گيري شد استفاده مي‌گردد. پس از دستيابي به يك مدل عددي پيش‌بيني عملكرد موتور، با بكارگيري روش الگوبرداري، چندراهه‌هاي موتور چهار و سه‌سيلندر شناسائي و پارامترهاي هندسي آنها اندازه گيري شد. بدين ترتيب متغيرهاي طراحي مبتني بر هندسه چند راهه‌ هوا شناسائي و محدوده عددي آنها مشخص گرديد. از طرف ديگر براي پوشش بهتر روند بهينه‌سازي و تصميم‌گيري چند معياره، چهار تابع هدف شامل گشتاور متوسط در همه دورهاي موتور، مصرف سوخت متوسط در همه دورها ، گشتاور در دور 3500 و مصرف سوخت در دور3500 انتخاب و يك مساله بهينه‌سازي حل شد. در فاز اول اين پژوهش طراحي آزمايشات بر اساس روش تاگوچي صورت گرفت و رتبه بندي تاثير پارامترهاي طراحي بروي توابع هدف مشخص گرديد. هم‌چنين مطابق آناليز واريانس ANOVA طول انتهايي چندراهه با درصد مشاركت 46.78% بيشترين تاثير را در توابع هدف دارد. اين درحاليست، تطابق خوبي بين نتايج رتبه بندي و درصد مشاركت متغيرها روي توابع هدف وجود داشته است. روش تصميم گيري چند معياره بر اساس روش TOPSIS با وزن هاي مختلف نيز صورت مي‌گيرد و در نهايت يك طرح با نام" Design A" پيشنهاد و براي اندازه گيري ضرايب تخليه بروي ميز جريان ساخته و آماده مي‌شود. در آزمون ميز جريان بهبود مطلوبي در چند راهه موتور سه‌سيلندر جديد نسبت به چند راهه موتور پايه چهار سيلندر بلحاظ انحراف در توزيع جريان شاخه ها ديده مي‌شود. در مرحله دوم رساله با افزودن زمان بندي سوپاپ هوا و دود، تعداد متغيرهاي طراحي به پنج متغير خواهد رسيد. با بكارگيري داده‌هاي تجربي بدست آمده در مرحله قبل بهمراه مدل احتراقي توربولانسي مدل شبيه ساز جديد توليد و براي بهينه‌سازي بر پايه شبكه عصبي و الگوريتم ژنتيك بكارگرفته شد. فرايند صحه‌گذاري بر اساس برازش فشارهاي تجربي و عددي با تغير ضريب رشد هسته شعله و ضريب رشد سرعت شعله انجام خواهد شد. در اين مرحله دقت مدل شبيه ساز موتور بهبود پيدا مي‌كند و براي اجراي فرايند طراحي ازمايشات با دقت 4.78% بكار مي‌رود. فرايند طراحي آزمايشات بروش فاكتوريل انجام خواهد شد تا كليه فضاي احتمالي جواب جاروب و در نظر گرفته شود. در ادامه با بكارگيري نرم افزار GEvoM معادلات توابع هدف بر حسب متغيرهاي طراحي بدست مي آيد. سپس اين معادلات همراه با قيدهاي رخداد دور حداكثر توان و گشتاور براي بهينه‌سازي وارد الگوريتم اصلاح شده مرتب¬سازي نقاط غير برتر (NSGA II Modified) شده و كليه نمودارهاي پارتو و نقاط غير برتر ترسيم و تحليل خواهند شد. در ادامه با بكارگيري روش تصميم گيري چند معياره بروش تاپ سيس و مصالحه بين توابع هدف يك طرح بهينه نهايي بنام "Design F" بدست مي آيد. بكارگيري روش پژوهش در اين رساله حاكي از بهبود بيش از 13 درصدي موتور سه سيلندر جديد در مقايسه با ابعاد پايه آن ميباشد. هم چنين موتور سه سيلندر جديد در مقايسه با موتور سه سيلندر با ابعاد پايه 9.39 درصد بهبود در مصرف سوخت ويژه نشان ميدهد. حداكثر انحراف سيلندرها از هم 1.58 درصد بوده و سيلندر از ميانگين ميانگين ها 0.18 درصد انحراف دارد. حداكثر انحراف در توزيع جريان بين شاخه ها 0.98 درصد بدست آمده است. از آنجائيكه اصولا طراحي موتور نيازمند يك ساختار چند وجهي از دانش، توانائي و برنامه‌ريزي براي افراد و مديران درحوزه‌هاي تحقيقات، شبيه‌سازي، طراحي، مهندسي، محاسبات عددي، آزمايشگاه، مواد و ساخت مي‌باشد، انجام و اقدام كليه اين تخصص‌ها در قالب يك رساله امكان پذير نبوده و با فرضياتي همراه ميباشد. لذا در اين پژوهش مساله اصطكاك بر پايه موتور چهارسيلندر در نظر گرفته شد، بطوريكه پس از اندازه گيري اصطكاك موتور پايه، حذف يك سيلندر از چهار سيلندر، يك ياتاقان از پنج ياتاقان ميل لنگ و ميل سوپاپ لحاظ گرديد. هم چنين مساله خنك‌كاري، روغنكاري، ديناميك موتور مورد بررسي قرار نمي‌گيرد. كليه شرايط عملكردي در حالت پايدار و تمام بار فرض شده است. عدم تغير قطر پورت سرسيلندر، ثابت ماندن بالا آمدگي سوپاپ‌ها و يكسان بودن سامانه مديريت سوخت نيز از جمله فرضيات حاكم در اين پژوهش بوده است. واژه‌هاي كليدي: موتور سه سيلندر، چندراهه هوا، بهينه سازي، شبكه عصبي، تاپ سيس.

1395/11/13

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract: Abstract The main purpose of this study is to find a special set of filling an​d emptying parameters of a three-cylinder engine, including geometrical design of Intake Manifold (IM), intake valve timing an​d exhaust valve timing as design variables of the Multi-objective Optimization Problem (MOP) which lead to the best values of Brake Specific Fuel Consumption (BSFC) an​d torque of the engine at 3500 RPM an​d all working speeds as four separate objective functions. Modified Non-dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II) which is an evolutionary Pareto-based method is used as the optimization algorithm an​d the Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) is used as a Multi-Criteria Decision Making Method (MCDM) to select the trade-off design based on five different design strategies through the non-dominated design vectors proposed by NSGA-II. GMDH-type of Artificial Neural Networks (ANNs) are used to predict the relation between design variables an​d objective functions based on a 243-sized set of samples which are chosen by Factorial method an​d the corresponding 243 engine designs are simulated using GT-SUITE. The method of simulation is verified by comparison of experiment an​d simulation results for value an​d occurrence of peak pressure for the combustion profile. The verification process showed that the Engine Simulation Code (ESC) could predict the engine performance by 4.78% error. Convergence an​d start point independence of the optimization algorithm (modified NSGA-II) is also investigated. Final results show remarkable improvement in BSFC an​d torque at 3500 RPM an​d mean value of BSFC at all working speeds along with a small reduction in mean value of the engine’s torque at all working speeds compared to corresponding characteristics of a similar three-cylinder engine. Keywords: ANN, NSGA II, Three-cylinder, Engine, MCDM, BSFC, Torque.