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Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Präsentation, Development of optimal cam shapes - presentation

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A closed-loop method for the development of an optimal shape of an injection cam
for a common rail injection system of a large-bore Diesel engine is presented.
Es wird ein geschlossenes Verfahren zur Entwicklung einer optimalen Kontur einer
Einspritznocke für ein Common-Rail-Einspritzsystem für Großdieselmotoren vorgestellt.

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Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Präsentation, Development of optimal cam shapes - presentation

  1. 1. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin < 1 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen Hendrik Große-Löscher Injection Systems MAN Diesel & Turbo SE, Augsburg Dr. Heiner Haberland Methoden & Werkzeuge Volkswagen AG, Wolfsburg
  2. 2. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 2 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Agenda - Agenda
  3. 3. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 3 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Agenda - Agenda
  4. 4. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 4 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Nocken, optimale Nockenkontur - Nockenwellenteilstück mit Gaswechselnocken und 3-fach-Pumpennocken Bei konventionellen Auslegungsverfahren mit Vorgaben von z.B. Geschwindigkeits- und / oder Beschleunigungsprofilen (linear, harmonisch, ...) werden i.d.R. nicht alle Potentiale (Grenzdrehzahl, Beanspruchung, ...) genutzt. Ein optimales Nockenprofil schöpft die vorgegebenen Auslegungskriterien, Randbedingungen und Optimierungsziele voll aus.  z.B. leichtere / kleinere Bauweise, Verschleiß , Kosten , ...
  5. 5. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 5 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Agenda - Agenda
  6. 6. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 6 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Nockenberechnung - Geometrie der Nocken-Rolle-Bewegung mit Desachsierung Berechnungsansatz für den lokalen Krümmungsradius  Ansatz einer freien Nockenkontur
  7. 7. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 7 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Agenda - Agenda
  8. 8. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 8 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Kriterien, Randbedingungen, Ziele - Randbedingung/ Grenzwert Größe Grund/Herkunft v max. Stößelgeschwindigkeit Schmierfilmabriss, Erfahrungswert a max. Stößelbeschleunigung mech. Belastung, Erfahrungswert pzul zul. Pumpenraumdruck hydr. Belastung Pumpenzylinder n Grenzdrehzahl Abheben der Stößelrolle und Sicherheit RK lokaler Krümmungsradius Punktauflage auf Rolle und Sicherheit pmax zul. Hertz‘sche Pressung Werkstoffgrenzwert Formelzeichen Größe Optimierungsziel v Stößelgeschwindigkeit minimieren a Stößelbeschleunigung minimieren Md Nockenantriebsmoment minimieren pzul zul. Pumpenraumdruck maximieren nPGrenz Grenzdrehzahl maximieren FReib Reibkraft des Stößels minimieren . . . Randbedingungen Zielgrößen
  9. 9. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 9 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Gütefunktion - Funktionslandschaft bei acht Parametern, 6 Parameter fix, 2 Parameter variabel  hochdimensionales, multikriterielles Optimierungsproblem ! - bis zu 361 freie Parameter (2-fach-Nocken) - 7 Randbedingungen / Strafterme - 86 Gleichungen - 3 ... 6 Optimierungsziele mit teils gegenläufigen Tendenzen
  10. 10. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 10 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Agenda - Agenda
  11. 11. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 11 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Partikelschwarmoptimierung PSO - 1. Stochastische Initialisierung einer Partikelpopulation innerhalb des Funktions- / Suchraums. 2. Berechnung der Fitness jedes Partikels. 3. Modifikation der individuellen Geschwindigkeiten in Abhängigkeit der bisherigen besten individuellen und der besten globalen Position (Nachbarschaft). 4. Bestimmung der neuen Positionen der Partikeln. 5. Fitnessevaluierung jedes Partikels (2.), bei Konvergenz / Abbruchkriterium: END, sonst gehe zu 3. xid : Lösungsmöglichkeit, Ort von Partikel i in Dimension d vid : Geschwindigkeit von Partikel i in Dimension d pid : bisheriger bester Ort von Partikel i in Dimension d pgd : bisheriger bester Ort des besten Partikels g aller Nachbarn von Partikel i in Dimension d c1 : kognitiver Parameter c2 : sozialer Parameter rand(), Rand() : gleichverteilte Zufallszahlen aus [0;1] Moment kognitiv sozial Partikelschwarmoptimierung PSO - vorgestellt 1995 durch Elektroingenieur und Psychologen - stochastisch, naturanalog, ableitungs- und gradientenfrei
  12. 12. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 12 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - erweiterter PSO-Algorithmus - Standardmäßig ist c1 = c2 = 2,05 χ = 0,72984 = const. PSO mit erweitertem Constriction Coefficient  signifikante Verbesserung der globalen Sucheigenschaft  kontrollierte Konvergenz  intensive lokale Suche  Reduzierung der einzustellenden Parameter
  13. 13. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 13 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - erweiterter PSO-Algorithmus - PSO (gbest) mit erweitertem Constriction Coefficient [0,1;1,7] PSO (gbest), Originalversion in der Funktionslandschaft einer modifizierten 2D-Griewank-Testfunktion 75 Partikeln, 200 Iterationen
  14. 14. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 14 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - erweiterter PSO-Algorithmus - PSO (gbest), Originalversion PSO (gbest), erweiterte Version 75 Partikeln, 1, 10, 30, 50, 100, 200 It.
  15. 15. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 15 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Agenda - Agenda
  16. 16. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 16 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Nockengenese - Nockengenese mit 30 Partikeln und 100 Iterationen Bilderfolge: • Initialisierung • nach 50 Iterationen • nach 80 Iterationen • nach 100 Iterationen
  17. 17. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 17 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Nockengenese - Animation der Entstehung einer Stößelhubkurve mit 30 Partikeln über jeweils 100 Iterationsschritte, 8 bis 20 Parameter
  18. 18. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 18 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - optimale Nockenkontur - optimale Nockenkontur, qualitative Betriebswertverläufe
  19. 19. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 19 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Ergebnisausgabe - GUI der Ergebnis- ausgabe
  20. 20. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 20 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Animation einer Kraftstoffpumpe - animierte Kraftstoffpumpe mit n = 375 min-1 18,75 Förderungen pro Sekunde animierte Kraftstoffpumpe mit n = 75 min-1 3,75 Förderungen pro Sekunde (20 % Drehzahl)
  21. 21. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 21 > Entwicklung von optimalen Nockenkonturen - Zusammenfassung - Generierung von optimalen Nockenkonturen bis zu 361 freie Parameter (2-fach-Nocken) 7 Randbedingungen, 86 Gleichungen, 3 ... 6 Optimierungsziele Verwendung eines stochastischen, naturanalogen Optimierungsalgorithmus – Partikelschwarmoptimierung / PSO Erweiterung des Algorithmus führt zu verbesserten globalen Sucheigenschaften und zu kontrollierter Konvergenz sowie zu weniger einzustellenden Parametern Einsatz des Verfahrens bei aktuellen und zukünftigen Motortypen Nutzung der Entwicklungsmethodik für mathematisch beschreibbare Problemstellungen (z.B. Einspritzdüsenoptimierung) Zusammenfassung
  22. 22. 01.12.2010© MAN Diesel & Turbo7. Tagung “Diesel- und Benzindirekteinspritzung”, Berlin H. Große-Löscher < 22 > Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Große-Löscher Dr.-Ing. Heiner Haberland Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! Entwicklung von optimalen Nockenkonturen

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