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【Applied Energy最新原创论文】基于新型爆震预测模型及机器学习的大缸径燃气发动机米勒度及几何压缩比协同优化

AEii国际应用能源 • 1 年前 • 131 次点击  

原文信息

Co-optimization of miller degree and geometric compression ratio of a large-bore natural gas generator engine with novel Knock models and machine learning

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261923013211?via%3Dihub

Highlights

• This study collected and analyzed the knocking characteristics of the large-bore natural gas engine.

• A phenomenological knock model was developed on the large-bore natural gas engine.

• Using machine learning coupling with genetic algorithm, the indicated thermal efficiency of the large-bore natural gas engine can increase 3.1% and exhaust gas

temperature can decrease nearly 80 K

摘要

在未来的低碳能源系统中,大缸径燃气发动机将发挥至关重要的作用。爆震作为一种异常燃烧现象,长期以来是制约该类型发动机性能提高的瓶颈。可靠爆震模型的开发和应用有助于发动机的预测控制和优化,进一步提高发动机的效率和性能。开发预测爆震模型的最大挑战是爆震现象的随机性。为了弥补技术差距,本研究旨在开发一种现象学大缸径燃气发动机爆震预测模型,并基于机器学习模型展示其在发动机设计和控制参数协同优化中的应用。该爆震模型考虑了热点放热率和能量密度的影响,采用统计学爆震因子对模型进行了标定。建立了嵌入爆震模型的一维发动机仿真模型并进行了标定。建立了基于机器学习的数据驱动模型,用于预测关键参数与发动机性能之间的关系。采用遗传算法对发动机几何压缩比、米勒度等控制参数进行多目标全局优化,降低排气温度,提高发动机性能。联合优化结果表明,在不降低发动机功率输出和增加尾气NOx排放的情况下,根据不同的工况,发动机排气温度可以显著降低,指示热效率提高1- 3%。

更多关于“natural gas engine”的文章请见:

https://www.sciencedirect.com/search?pub=Applied%20Energy&cid=271429&qs=natural%20gas%20engine

Abstract

Large-bore natural gas reciprocating generator engines will play crucial roles in future low-carbon energy systems. Knock, as an abnormal combustion phenomenon, is a bottleneck for long time to restrict the engine performance improvement. Development and application of the reliable knock model can contribute the predictive engine control and optimization to further improve the engine efficiency and performance. The biggest challenge of developing the predictive knock model is the stochastic nature of the knock phenomenon. To bridge the technological gap, this study aims to develop a novel predictive knock model for a large-bore natural gas engine and showcase its application for co-optimization of the engine design and control parameters, together with the machine learning. The knock model, taking the effects of hot spots heat release rate and energy density into account, is calibrated by the statistical phenomenological knock factor. The 1-D engine simulation model embedded with the knock model is built and calibrated. The data-driven model based on machine learning is developed and used to predict the relation between the key parameters and the engine performance. The genetic algorithms are employed to achieve the multi-objectives global optimization of geometric compression ratio, Miller degree and other control parameters of the engine to reduce the exhaust gas temperature and improve the engine performance. The co-optimized results show that the engine exhaust gas temperature can be remarkably lowered and the indicated thermal efficiency is increased by 1-3 % depending on the operational conditions, without degrading the engine power output and increasing the exhaust NOx emissions.

Keywords

Phenomenological knock model

Machine learning

Genetic algorithm

Large-bore natural gas engine

Exhaust gas temperature

Graphics

图8 发动机爆震KF值定义

图9 不同发动机运行条件下的KF值

图13 机器学习模型示意图

图15 不同几何压缩比下的发动机性能优化结果

作者介绍

信作者简介

李铁,上海交通大学长聘教授。近年来主持承担了国家自然科学基金重点、面上、 国家国际(政府间)科技合作重大专项、工信部高新船舶、以及上海市创新行动计划,中船、中远、中车等企事业单位委托的科研项目。在 Combustion & Flame, Applied Energy, Fuel, Energy,International Journal of Engine Research等专业高水平学术期刊与 CIMAC、 SAE WCX 等重要国际学术会议发表论文近 200 篇;获授权发明专利与软件著作权 20 余项,其中实现成果转化 6 项。曾获 The 59th JSAE Medal Award (2009)、SAE International Ralph R. Teetor Award (2013)、上海市浦江人才计划(2013)、中国内燃机学会优秀论文一等奖(2016), ILASS-Asia Best Paper Award (2020),内燃动力碳中和与排放控制学术年会优秀论文奖(2022,2023), 连续入选 Elsevier 中国高被引学者榜单(2014~2022)等学术奖励与荣誉。

第一作者简介

曹佳乐,上海交通大学&新南威尔士大学联合培养博士生。主要从事天然气发动机仿真建模及优化,撞壁喷雾火焰瞬时传热特性研究等。


关于Applied Energy

本期小编:曹佳乐;审核人:李艺敏

《Applied Energy》是世界能源领域著名学术期刊,在全球出版巨头爱思唯尔 (Elsevier) 旗下,1975年创刊,影响因子11.2,CiteScore 21.1,谷歌学术全球学术期刊第49,工程期刊第19位,可持续能源子领域第2位,本刊旨在为清洁能源转换技术、能源过程和系统优化、能源效率、智慧能源、环境污染物及温室气体减排、能源与其他学科交叉融合、以及能源可持续发展等领域提供交流分享和合作的平台。开源(Open Access)姊妹新刊《Advances in Applied Energy》现已被ESCI收录。2024年将获得第一个影响因子。全部论文可以免费下载。在《Applied Energy》的成功经验基础上,致力于发表应用能源领域顶尖科研成果,并为广大科研人员提供一个快速权威的学术交流和发表平台,欢迎关注!

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