（动力机械及工程专业论文）高压共轨柴油机基于模型的虚拟标定方法研究.pdf

摘要 高压共轨柴油机具有喷油量、喷油定时、喷射压力和喷射速率等灵活可控的 特点，是满足排放性、驾驶舒适性、燃油经济性和动力性等综合性能的理想方案。 但由于控制m a p 众多，其匹配标定是开发工作的一个难点。 为了降低匹配标定的工作量，提高效率，提出了一种基于模型的虚拟标定方 法，即计算机辅助标定技术。该方法通过试验设计、虚拟实验、回归建模和全局 优化等环节，在计算机里自动生成共轨柴油机的主要控制m a p 。针对虚拟标定的 主要环节，开展了如下研究工作： 根据发动机的基本尺寸配置和少量的性能试验基于一维流体动力学仿真软 件g t p o w e r 建立了高压共轨柴油机性能和排放仿真模型。经过发动机台架试验 验证其输出性能与试验结果基本一致，满足建模要求。 对正交试验设计、经典试验设计、优选试验设计和空间填充试验设计等主要 的试验设计方法进行了比较研究，经过分析确定，空间填充试验设计比较适合用 于高压共轨柴油机匹配标定的试验设计。 提出并建立了二阶响应预测模型和神经网络模型相结合的性能响应模型，以 满足面向多维的问题。所建立的响应模型具有较高的精度和泛化能力，可以满足 柔性建模的目标。 提出了基于上述二阶响应模型的遗传算法全局优化方案，设计了针对高压共 轨柴油机参数优化问题的遗传算法。 经过计算机的全局优化求解，给出了某重型柴油机的喷油量、喷油定时、喷 油压力、预喷射量和预喷射定时等m a p 。通过在g t 模型上的仿真运行，验证了 所提出的虚拟标定方法的有效性。 关键词：高压共轨柴油机虚拟标定试验设计二阶响应模型遗传算法m a p 自动生成 a b s t r a c t d i e s e le n g i n e s ，w i t hh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i li n j e c t i o ns y s t e m ，i sc a p a b i eo f f l e x i b l ei n i e c t i o nt i m i n g ，i n j e c t i o np r e s s u f ea n di n j e c t i o nr a t ec o n t r o lb u to n eo f d e v e l o p m e n t d i 币c u l t i e si st 1 1 ec a l i b r a t i o no fs om a n ym a p s 1 no r d e rt oi m p r 0 v et h ec a l b r a t i n ge 娟c i e n c y ，am o d e l - b a s i e dv i n u a lc a l i b r a t i o n m e t h o di sp r e s e n t e di n t h i st h e s i s t h em e t h o dc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gs t e p s ： e x p e m e n to fd e s i 印，v i r t u a le x p e r i m e n t s ，r e s p o n s em o d e l i n g 锄dg l o b a lo p t i m i z a t i o n 1 m em a i na c h i e v e m e n t sc 锄b ed e t a i l e da sf o l l o w s f i r 瓯 ad i e s e le n g i n es i m u l a t i o nm o d e lu s i n gg t 二p 0 w e rs o r w a r e i no n e d i m e n s i o n a lt h 姗o d y n 锄i cs i m u l a t i o nw a sb u i hc i 印e n d i n go nt h eb a s i cd i m e n s i o n s o ft h ee n g i n e 卸ds o m ec 印a b i l i t ) ，e x p e r i m e n t so nt e s tb e d t e s tb e de x p 嘶m e n t ss h o w t h a tt h em o d e lc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fv i r t u a le x p e r i m e n t s n e n ，t h eo n h 0 9 0 n a le x p e r i m e n t sd e s i 印，c l a s sd e s i g n ，o p t i m a ld e s i 印柚d s p a c e f i l l i n gd e s i 印w e r ec o m p a r e d 锄d 锄a l y z e d r e s u l t ss h o w t h a tt h es p a c e 6 l l i n g m e t h o di sm o r ep r 印o n d e 枷t t v 旧s t a g er e s p o n s em o d e l 、v a sb u i l t 卸df o rt l l eg l o b a lm o d e l i n g ，锄a n i f i c i a l n 咖r km o d e lw a sb u i l tt 0s i m u l a t e ，卸df o rt l l el o c a lm o d e l i n g ，ap o l y n o m i a lm o d e l w a u sb u i l tt oa n a l y z ed a 协 g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) ，b a s e do nt h et w os t a g em o d e l ，w 瓠u s e df o rg l o b a l o p t i m i z a t i o n 柚dm a p sg e n e r a t i n g e v a l u a t i n gr e s u l t so nt h em a p sv i ag t _ p b w e r s i m u l a t i n gs h o wa d v a l l t a g e so ft h em o d e l - b a s e dv i r n j a lc a l i b r a t i o nm e t h o d k e y w o r d s ： d i e 蚓e n g i n 懿，v i n u a lc a l i b r a t i o n ，d o e ，t w os t a g er e s p o n s em o d e l ， g e t i ca l g o r i t h m s ，m a pg e n e r a t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨窒盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：麓札真 签字日期： 2 。、7 年7 月s d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：体眷l 虱 导师签名： 签字日期：1 佻7 年f 月3 d 日签字日期： 习年f 月；局日 第一章绪 第一章绪论 1 】电控柴油机的发展现状和发展趋势 1 1 1 电控柴油机的发展现状 目前世界范围内的石油能源日渐枯竭和严重的环境污染对柴油机的燃油经济性 和排放指标提出了到盏严格的要求。 我国从2 0 0 0 年开始实施等效欧i 排放标准2 0 0 4 开始实施等效欧i i 标准，等效 欧标准的国i 标准将于2 0 0 7 年7 月1 日执行，届时它将取代原有的欧i i 排放标 准，成为约束汽车排放污染的新办法，而等效欧标准的圉i v 标准的执行日期则为 2 0 1 0 年7 月1 日( 见圈l j ) 。 暑 主 亘 图l l 中国重型柴油车排放标准图1 - 2 满足各级排放标准的发动机技术 在即将执行的参照欧洲珊号标准制定的我国新的排放法规中，法规限值和测试方 法与欧洲标准相同。从限值( 以重型柴油机为例) ，新的欧i i i 法规( e s c ) 的颗粒物 排放t ( p m t 胁j c u i 越e m a n e r ) 降低了3 3 ，氮氧化物( n o x ) 降低了2 9 。虽然 降低的幅度看起来不大，但因为在测试工况上的变化，要求柴油机的燃油喷射技术 跃上一个台阶。 在技术上要想在保持直喷柴油机卓越的燃油经济性的同时，又能满足越来越严 格的排放法规要求除了降低润滑油消耗、优化涡轮增压系统和发展先进的废气后 处理系统外，还需要进一步改善燃烧过程( 图l 一2 为德尔福公司推出的满足各级排 放标准的发动机技术路线图) 。i 瓜柴油机燃烧过程改善的关键环节2 一是喷油系统性 能的提高川o ”拼l 。于是为了有效的降低排放和噪声，提高燃油经济性，改善动力 酉一 趟 性能，就对喷油系统的喷油特性提f i l 了如下要求 ( ”高的燃油喷射压力，h 喷油压力可以根据工况需求灵活调整： ( 2 ) 精确的喷油定时和喷油饿控制： ( 3 ) 可靠灵话的喷油速率控制： ( 4 ) 与整机的灵活匹配。 为了实现以卜柔性控制功能，柴油机就必须采用电控燃油喷射系统r 图l 一3 ) 。目 前，业已批量生产的电控柴油机喷射系统较多，主要有咀下几种 ( 【) 位置控制式的电控分配泵：b o s c h 公司的v p 3 4 ，v 3 7 。 ( 2 ) 时问掩制式的电拧分配泵：b o s c h 公司的v p 3 0 日本电装公司d e n s o 公司 的e c 肛v 3 。 ( 3 ) 电控单体泵：b 0 劬公司的单体泵系统等。 ( 4 ) 电控泵喷嘴系统：c a k r p i i l a r 公司的h e u l 系统，b o 妯公司的p d e 系统等。 ( 5 ) 麸轨系统：b o s c h 公司的e d c 系列高压系统，日本电装公司的e c 阻u 2 系统 德国s i e m e n s 公司的共轨系统。 1 1 2 电控柴油机的发展趋势 在以上各种电控燃油喷射系统中，新型电控高压喷油系统有两大类：电控脉动式 高压喷油系统和电控共轨式高压喷油系统。电控脉动式高压喷油系统又主要包括 两种类型：电控泵喷嘴式高压喷油系统和电控单体泵式高压喷油系统。这其中高 压共轨燃油喷射系统被世界内燃机行业公认为2 0 世纪三太突破之一而得到世界各国 柴油机生产厂商的青睐，从诞生到现在已有突飞猛进的发展。 总之，由于能够实现柴油的高艇喷射同时能够灵活控制喷油定时，喷油量和喷 第一章绪论 油速率，并且可以明显改善燃油雾化品质，改善燃烧速度，提高燃烧效率，减少排 放烟度，降低燃烧噪声，高压共轨柴油发动机已成为电控柴油机发展的热点之一， 也成为现代柴油发动机发展的趋势之一。 1 1 3 电控系统的基本控制策略 无论采用哪种控制系统，对各个控制对象的基本控制方法都是基于m a p 的控 制：将各个控制对象定义成一维或两维函数关系，并做成m a p 预置于e c u 中【2 5 】。e c u 根据传感器传来的发动机转速、加速踏板位置、温度和压力等状态信息，从预置在 e c u 中的m a p 中插值得到对应的控制对象参数( 如喷油脉宽、定时、喷油压力等) ， 向执行器发出指令。对稳态过程主要有4 种控制体系。 ( 1 ) 基于转速和加速踏板位置的控制 指主要的喷射控制m a p 的函数关系都以转速和加速踏板位置维自变量。这种 控制体系比较直观，在进行整车瞬态过程标定时，比较容易查找对应工况，但在喷 射定时控制上存在一些不足。当喷油定时脚以加速踏板位置为输入量时，无法正 确因加速踏板不变但因压力温度修正所引起的喷油量的改变，因此，会引起喷油定 时的波动，发动机噪声大，发动机状态和排放效果不稳定。 ( 2 ) 基于转速和喷油脉宽的控制 作为对前一种控制体系的改进，以转速和喷油脉宽( 喷油量) 为自变量来定义定 时控制及其它与发动机符合相关的控制脚，简称为基于喷油脉宽的控制。对时间 控制式电控柴油机喷射系统来说，喷油量控制脚直接以脉宽作为输出量，当油泵 以凸轮非等速段供油时，可以在标定过程中屏蔽掉复杂的油量定义，比较简洁，也 可以适当减少标定工作量。 ( 3 ) 基于转速和喷油量的控制 柴油机的状态控制主要是喷油量的控制，无论哪种控制系统，最终都要落实到 喷油量的控制上。在这个控制系统中，根据加速踏板位置和转速设定各个工况下所 需的基本油量( 驱动油量) ，并将该油量作为发动机符合的表征量，和转速一起，用 于喷射压力、定时、多次喷射间的油量分配等m a p 的定义。在喷油量和喷油器的喷 油脉宽间，通过定义一个“t ( ”m a p ( t q q ：n m eo f r e a lq u 柚l i t yf o rt a 唱e tq u 卸t i 妙) 建立目标喷油量与喷油脉宽和喷射压力之间的函数关系，从而把喷油量转换成e c u 可执行的喷油脉宽。 3 第一章绪论 ( 4 ) 基于转速和转矩的控制 以上三种控制体系都是面向发动机性能和排放需求的控制，没有考虑整车对发 动机转矩输出的要求，控制系统对传动系统的要求不敏感。在汽车应用领域，由于 对整车牵引力控制的要求更为精细，对发动机的控制就不能不考虑整车对发动机转 矩的需求。 为此，采用以转速和转矩作为输入量的控制体系。从车轮的转矩需求出发，考 虑整个传动系和发动机附件的各种损失和需求，得到基于转速和加速踏板位置的发 动机转矩要求，然后建立转矩和喷油量之间的联系，将转矩控制转换为喷油量摔制。 对瞬态过程，也采用基于m a p 的控制。 从发动机性能角度，瞬态过程一般指每缸前后各循环间的变化，而从电子控制 角度，相继发火各缸循环之间的变化才是瞬态过程。对这一瞬态过程的控制主要有 怠速转速控制、燃油喷射压力控制、分缸平衡控制等，除了采用基于m a p 的开环控 制，目前主要采用基于模型的反馈控制等，即p i d 控制根据以往经历、现有状 态、及与目标之间的距离，通过比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 运算得到控制参 数。 对柴油机进行电子控制以后，发动机的性能不再完全由机械构造决定，而是取 决于控制参数的标定。这样，电控柴油机的性能一方面与电控系统有关，另一方面 还与控制参数的标定有关。可以说，电控柴油机技术是一项综合技术，它即包含面 向控制对象的电子控制技术，又包含面向发动机性能的匹配标定技术。 1 2 高压共轨柴油机发展现状及设计开发的难点 1 2 1 高压共轨柴油机的发展现状 高压共轨系统( 图l _ 4 ) 是压力+ 时间控制式的电控喷射系统，属于电控柴油 机发展的第三代产品。作为一种全新的柴油机电控燃油喷射系统，它不再采用传统 的柱塞泵分缸脉动供油原理，而是采用一个较大容积的公共控制油道( 共轨管 c o m m o nm i l ) 。高压油泵并不是直接控制喷油器，而是向公共油道供油以保持所需 的共轨压力，通过连续调节共轨压力来控制喷射压力来控制喷油器，而是向公共油 道来控制喷射压力。采用压力时间式燃油计量原理，用电磁阀控制喷射过程。压力 形成和油景输送基本上与喷油过程无关。 4 该系统根据柴油机运行工况的不同不仪可咀适时的控制喷油最与喷油定时， 与其达到与工况相适应的最优数值，而且还使过去滩以实现的对喷油速率的控制成 为可能且系统的控制自由度发精度得到了太幅度提高。另外，无需柴油机奉体进 行较大的改动即可用共轨式喷油系统代替原喷射系统的优点，对发动机的牛产有重 要的意义。 图卜4 高压共轨系统的构成 目前，高压共轨柴油机燃油喷射系统将公共油道中的直接控制在高压水平( 可 以维持在1 0 0 m p a 以e ) 喷油量和喷油定时电磁控制的三通阀来调节利用三通阀 控制喷油嘴的背压变化以改变喷油量和喷油定时。 综上所述高压共轨柴油喷油过程具有灵话可控性，其控制模块高度集成化， 各个模块之间，功能独立、整体协调，并有良好的系统扩充性等优点。 1 2 2 高压共轨柴油机开发设计的难点 虽然高压共轨柴油机系统有很多优点但是该系统在开发和设计中至今还存在 着一些难点。 喷油器中针阀偶件长期处于高压中，恒压密封问题增加了喷油器制造的难度： 共轨式喷油系统稳定精确的小量l 赛射要求电磁阀响应速度非常快这增加了电磁阀 设计的难度：标定和优化的工作曩随着控制变量的增多而呈指数级增长，需要m a p 标定和优化的高压共轨系统，开发时优化的工作量非常大，周期长，耗费太等等i l ”。 控制参数的多兀化既是高压接轨系统的一个突出优点( 因为这样就能够使控制 的自由度更大，更灵活) 同时又是标定和优化工作的难点。因为这使得共轨系统的 第一章绪论 标定工作量骤增，除了传统的主喷油m a p 外，还增加了喷油压力m a p 和预喷射定时 和预喷油量m a p 。 用传统的试验方法进行高压共轨柴油机的标定和优化时，其工作量可作如下估 算【1 3 l 。假如需要标定十几个典型工况点( 取2 0 ) ，每一个参数在其有效的值域区间 内取8 个值( 即8 个水平) ，而在每一个工况点处，需要做完所有参数水平的所有不 同组合，对于普通的电控系统( 只需要标定两个m a p ) ，需要8 8 = 6 4 次无重复试 验。保守的计算，做两次重复试验( 只有通过重复试验才能通过求均值的办法从理 论上消除偶然误差的不良影响) ，则做完全部试验需要6 4 2 0 2 = 2 5 6 0 次试验。如 果进一步考虑到试验验证和优化的问题，总的试验量是以千次计的这样一个数量级， 需要时间2 4 个月。而高压共轨系统( 需要标定5 个m a p ，对于预喷射油量和预喷 射定时，这里暂取4 个水平) ，则要8 8 8 x 4 x 4 2 2 0 = 3 2 7 6 8 0 次试验。试验 次数远远多于传统电控系统，其试验量不言而喻。所以要完成一台高压共轨柴油机 的标定和优化，即便几个台架同时工作，仍需1 5 年左右。 此外，标定工作的试验量巨大，耗费大，周期长，也导致参数优化工作数据处 理的难度大大增加，这都使得标定和优化工作成为高压共轨柴油机开发和设计过程 的难点和重点。 1 3 柴油机标定技术的研究现状 目前，针对高压共轨系统的研究在国内才刚刚起步，关于这种发动机标定和优化 方面的研究也才刚刚开始。国际上针对这个问题的研究以及所采用的方法也存在着 一些局限和不足，下文就此进行分析。 1 3 3 自动化标定系统的发展现状 发动机电控系统标定技术的发展与电控系统的发展息息相关【2 6 l 【2 7 1 【2 8 l 【2 9 】。随着发 动机电控系统的功能日渐强大，控制参数不断增加，控制算法日益复杂，现代电控 发动机的标定工作已经成为一项复杂的工程问题。于是针对这一复杂的工程问题的 发动机台架自动化标定系统便应运而生了。 目前，国际上在电控发动机台架标定技术上处于领先地位德国s c 玎刚c k 公司 和奥地利的a 、，l 公司都开发了发动机台架自动化标定系统。这些自动标定系统都是 在多维优化和自动优化技术的基础上结合局部优化和全局优化的思想开发成功的。 奥地利的a v l 公司的自动标定系统以c a m e o ( c o m p u t e r a i r e dm a n a g e m e n to f e n g i n eo p t i m i z a t i o n ) 软件为内核，德国s c h e n c k 公司的自动标定系统以v e g a 6 第一章绪论 系统软件为内核，而这两套软件都是基于a s a m ( a s s o c i a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o no f a u t o m a t i o na n dm e a s u r i n gs y s t e m s ) 平台而开发的。两家公司的自动化标定系统的功 能和结构都比较类似，在此仪以a v l 公司的e c u 标定系统( c a m e o ) 为例。 e c u 自动化标定系统从结构上包括三个层次。最高一层是标定系统主机，它的 作用是控制整个标定过程并最终完成试验数据的优化。下一层次是试验台的的自动 控制机，它控制整个标定过程并最终完成试验数据的优化。下一层是试验台的自动 控制机，它控制所有的测量和控制设备。这一层的控制机的另外一个功能是完成对 所需标定的发动机控制单元控制参数的更改。第三个层次是发动机和测功机。标定 系统主机通过a s a p 一3 接口或者其他通讯协议( 如t c p i p 协议) 与其他控制机通 讯，实现对发动机一测功机系统标定控制台的控制，完成试验过程，控制参数的设 定，工况点的设定，发动机性能参数和状态参数的采集等功能。控制参数的优化工 作由标定系统主机按照一定的优化算法完成。 其核心软件c a m e o 是一种模块化的工具软件包，它以办公软件。伍c e 为信息交 换平台，其功能囊括了自发动机台架试验到车辆试验整个过程所需的试验过程设定， 试验结果采集，数据分析与优化等一系列功能。 在强大的自动化系统支持下，以成熟的工具软件为基础，在台架试验环境中，能 自动完成发动机电控系统控制参数的台架标定工作，而且能够在线的进行优化问题 的求解p j 。 但即使在这种自动化标定系统的支持下，高压共轨柴油机的标定和优化工作，仍 然需要很长的时间，消耗大量的人力、物力才能完成【2 j 。这一方面是由于高压共轨柴 油机的特殊性，另一方面是这种在线标定系统本身所采用的试验策略和优化算法的 局限性所导致。 1 3 4 发动机标定的试验策略和优化算法分析 1 3 2 1 试验策略分析 在发动机标定的试验策略方面，以a 、几公司的c a m e 0 标定系统为例，采取的 方法基本上是全因子轮换法，即把所有参数各水平的所有水平的所有可能组合都进 行试验的试验方法。采用这种方法的原因是方法简单，易于在线自动的完成，这样 做试验通常所采集的数据量也比较充足。采用这种方法的局限是： ( 1 ) 这种方法在针对高压共轨柴油机的标定问题时，试验数据量特别的大，前文已 有估算。 ( 2 ) 由于试验过程是在线自动进行，难以对已有的试验结果进行统计分析，从而不 能充分利用已有的数据来指导下一步的试验。 在上述自动化标定系统中，也有一些试验量方面的措施，主要是采用发动机进行 7 第章绪论 边界的探测功能。这个功能是通过其软件包中的d o e ( d e s i g no f e x p e r i m e n t ) 工具 箱中的在线试验方法选择( o n i i n ed o es c r e e n i n g ) 和诸如喷油提前角扫描程序【1 3 】 ( s o i s w e e pp r o c e d u r e ) 等模块来实现的。 之所以要进行边界探测，是因为发动机在实际运行中受到法规、用户需求等各种 条件的约束，所以发动机控制变量( 在有效区间内) 所组成的向量空间往往会比发 动机实际运行空间广，所以要对发动机进行的可行域边界工况点进行确认。在控制 变量共轨压力和喷油时刻的有效区间内，打”x ”的点为不可行域，其他为可行域。 这种措施在一定程度上可以减少试验量，但是即使采用了这种措施由于发动机工作 范围的广泛以及高压共轨柴油机多m a p 标定的特点，台架标定的工作量依然非常大。 以进一步标定试验的效率和降低试验工作量为目的的基于统计学分析的试验策略， 还在进一步探索和研究之中1 4j 。 1 3 2 2 优化算法的分析 在上述试验策略的基础上，进行大量的台架试验之后，下一步的工作就是进行控 制参数的全局优化。 目前，通常采用的优化方案是首先利用最小二乘法或者二次函数拟合法等曲线拟 合技术讲离散的试验数据进行拟合，获得近似的连续函数，将之作为发动机输入输 出特性的模型，这样就把原来的离散函数寻优变为连续函数寻优。 然后，在上述模型的基础上，采用l a g 啪g e 拉个朗日乘子法进行多维有约束的全 局优化【5 3 1 【5 4 1 。 但是，针对高压共轨柴油机的标定和优化，上述的这种优化方案的缺点和局限就 显得尤为突出。这里给出结论，下文将详细阐述。 ( 1 ) 曲线拟合法的缺陷 在进行曲线拟合时，通常所采用的方法无论是最小二乘法，样条函数法还是一般 插值法，其实质都是一元( 维) 待定系数法，拟合函数的系数要根据试验数据逐一 计算得到。 在解决多维问题时，如高压共轨柴油机的标定，这种算法存在如下缺陷； 由于要考察的控制参数大大增加，导致曲线拟合计算的次数大大增加，计算开 销大。 曲线拟合算法缺乏柔性，不便于修正计算。利用待定系数法进行曲线拟合时， 一旦数据源有所改动，比如数据的增删或者更改，都需要重新进行计算才能完成修 正。而发动机的标定和优化过程，是一个迭代的过程，往往需要试验，优化，再试 验，再优化几个循环之后才能得到所需结果，这需要能在已有的基础上对计算结果 不断进行修正，但是曲线拟合算法不能适应这种需要。 ( 2 ) l a g r a n g e 乘子法算法的缺陷 8 第一章绪 论 l a g r a n g e 乘子法只有在解决凸规划等问题时才能获得全局最优解，但发动机的 标定和优化问题，无法确定它属于凸规划。 l a g r a n g e 乘子法求解时，初始点，迭代步长的选取对迭代过程的收敛性，收敛 速度等都有影响，而且l a g m n g e 乘子的调整也要小心，否则求解过程中可能会发生 振荡或收敛缓慢。这些问题对于开发人员来说是较难解决的。 因此，发动机标定的全局优化算法的设计，仍是行业内研究的课题之一。目前在 这方面，有一些新的研究进展只得关注。也有利用遗传算法进行全局优化的研烈1 7 j 。 但在该研究中，整个标定工作是按照遗传算法的进程开展的，即标定试验根据遗传 算法的要求进行，以此来提供计算所需的数据。该研究方法的缺陷是对于高压共轨 柴油机，这种研究方法甚至会导致试验工作量增加归。 综上所述，目前，国外在进行高压共轨柴油机的标定和优化时，基本上都依赖于 其功能强大、技术先进的试验设备，进行大量的试验，用比较成熟的适用于发动机 控制系统的优化软件包进行全自动标定和优化匹配。由于在多m a p 标定的试验策略 和优化算法方面的研究还不完善，所以还存在耗费高、周期长的问题。 1 4 本文的研究内容与研究方法 1 4 1 基于模型的虚拟标定方法的提出 根据高压共轨柴油机标定和优化工作的特点和难点，本研究提出了一种基于模型 的虚拟标定方法。该方法首先根据发动机的尺寸配置和台架实验基于g t - p o w e r 建立 并验证发动机的性能和排放仿真模型。然后通过以下环节，在计算机上求解各控制 脚( 图1 5 为高压共轨柴油机虚拟标定流程图) 。 试验设计：采用科学的试验计方法得到最佳的实验策略，把仿真模型通过和 g t p o w e r 耦合的控制软件s i m u l i n k 的前后数据处理器，生成发动机的控制参数和输 出性能参数数据库。 响应建模：选取合适的回归模型，利用输入输出数据库进行回归分析，做建立发 动机性能预测响应模型。 优化求解m a p ：对响应模型利用优化计算工具，得到在n 似，p m 和c o 等排放 法规的约束下，在满足动力性的要求下的最低燃油消耗率为目标的最佳控制参数。 虚拟标定的核心是，建立发动机的仿真模型，实现虚拟控制器与仿真模型的耦合， 制定实验策略，建立回归模型和进行全局优化计算五部分。 9 第一$ 结 图卜5 虚拟标定流程图 1 4 2 本文的主要研究内容和方法 ( 1 ) 高压共轨柴油机仿真模型的构建 本文在o t p o w e r 软件平台上建立了高压共轨柴油机仿真模型。g t _ p o w e r 足 国际上通用的发动机仿真软件，功能非常强大。建模过程其实是前处理过程，前处 理主要是柴油机结构参数的输入，初始边界条件的输八，放热模型、传热模型和摩 擦功模型等计算模型的选择：求解器中的时间控制、流量控制和收敛控制等参数的 设定。计算由用户指定的系统初始条件开始，这些条件不断重复直至连续循环的求 解值收敛。 ( 2 ) 试验设计和虚拟试验 针对高压j e 轨柴油机标定和优化试验量特别f i 大的难点，本文比较分析了正交试 验设计、经典试验设计、优选试验设计和空间填充试验设计方法，并且通过统计分 析来指导g t 仿真模型运算，根据分析结果随时调整运算的方案以达到既减少试 验工作叠义保证运算精度的效果。 ( 3 ) 数据建模 本文根据控制参数对柴油机性能影响敏感程度不同的特点，提出了二阶模型的方 案。整个发动机的响应模型南局部模型和全局模型构成，而局部模型本文比较分析 了多项式( p o l y 2 ) ，牛长模型( m m 0 爹佯条函数p o i y s p i i n e ( p s 2 2 ) 和自由节点样 条函数( f k 2 ) 优劣，全局模型比较分析多项式，混合样条函数h y b ds p n e s ， 径向 第一章绪论 基准函数r a d i a l b a s i sf i j n c t i o n s 和混合r b f s ( 多项式+ r b f ) 的优劣。 ( 4 ) 优化计算 本文利用利用自己编写的遗传算法程序进行基于模型的全局优化。 目前，国际上电控柴油机产品已经发展到第三代。与之相比，我国的相关研究开 展较晚，但柴油机采用电控技术已成为中国汽车工业发展的必然趋势。正是由于国 家的大力度支持，以及高压共轨燃油喷射系统本身的结构移植方便，适应范围宽， 能与目前的小型、中型以及重型柴油机很好的匹配的优点，国内很多的内燃机厂家 已经在致力于高压共轨系统的开发和研究，比如大连柴油机厂，玉林柴油机厂，无 锡油泵油嘴研究所等。 目前，关于高压共轨柴油机标定和优化方面的研究工作还远没有达到成熟的程 度，还有很多方面需要进一步完善和提高。作为高压共轨柴油机开发的核心关键技 术之一，掌握标定和优化技术是我国掌握高压共轨柴油机开发技术的必由之路。这 是不可能仅仅通过购买和使用几套软件就能掌握的，因为这些软件中的标定和优化 过程基本上都是“黑箱”操作，无法让使用人员真正掌握其中的关键技术。开展共 轨柴油机匹配标定方法的研究，对我国柴油机技术水平的提高，具有重要的实际意 义。 1 5 本论文的结构 本论文共分6 章，即 第一章一一绪论 第二章一一高压共轨柴油机仿真模型的构建； 第三章一一试验设计 第四章一一预测响应模型 第五章一一优化计算 第六章一一全文总结及展望 第一章高压共轨柴油机仿真模型的构建 第二章高压共轨柴油机仿真模型的构建 2 1 直喷式增压中冷柴油机的计算模型 2 1 1 发动机仿真建模的发展现状 计算机辅助过程( c a e ，c o m p u t e ra i de n g i n e 州n g ) ，发动机工作模拟的发展可 以追溯到早期用计算机模拟发动机的放热规律p 引。到了6 0 年代中期，计算机的 发展为包括进排气过程在内的整个发动机工作过程模拟创造了条件。随后，发动 机缸内燃烧模型不断完善，进排气系统的数值求解方法也得到比较大的发展【3 1 】 1 3 2 1 。尤其到了9 0 年代初，一批商用发动机工作过程模拟软件的开发，如奥地利 a v l 公司的b o o s t 、英国g a m m a 公司的g t p o 、v e r ，砌c a r d o 公司的w a v e ， 美国西南研究所的v 妒r e 等，标志着发动机工作过程模拟已经达到了实用化的 程度【3 3 】。 2 1 2 粤- p o w e r 简介 g t s u i t e 涵盖了发动机、驱动系统、冷却系统、燃油供给系统、曲轴机构、 配气机构等六个方面，是汽车厂和发动机制造公司理想的c a e 工具，g t - s l t e 软件使用方便、功能强大。g t p o 、e r 是g t - s u i t e 系列软件中最著名的基于一 维流体动力学计算的，进行发动机的性能、噪声的仿真计算分析以及完整的电子 控制功能的设计的一个软件。g t - p o 、肥r 可以用于发动机稳态和瞬态的仿真计 算，也可以用于发动机动力系统的控制系统分析。它适用于几乎所有形式的内 燃机，同时用它的部件可以搭建出用户设计的各种新型发动机p 4 儿”j 。 2 2 共轨柴油机仿真模型简介 2 2 1 高压共轨柴油机仿真模型的结构 本文在g t p 0 w e r 软件平台上建立了高压共轨柴油机仿真模型，如图2 1 所 示。模型采用灵活的、可组合的模块化结构。所采用的模块包括：管子、系统边 界、气缸、进气和排气道、空气滤清器、空气中冷器、涡轮增压器；另外，在各 管道上定义了一定数量的测量点( 此测量点并不影响流体的流动) ，以监测温度、 压力、流量、扭矩等参数。图2 1 是发动机的仿真模型，其中压气机的空气来 自环境j n 认m b i e n t ，经过管接头o r i 6 c e c o n n ( 空气滤清器) 和管9 0 l 提供空气给 1 2 第二章 高压共轨柴油机仿真模型的构建 压气机c o m p r e s s o r ，经过管7 8 和管5 2 0 压缩窄气被导入中冷器i n t e r c o o l e r 。管 5 2 l 把被冷却压缩的空气导入进气歧管模块( 包括进气道以及分支7 1 1 7 1 6 ) 。在 气缸1 6 之后的排气歧管模块( 包括排气道和分支7 6 1 7 6 6 ) 。燃烧气体通过管 8 8 3 和管8 8 4 到达涡轮增压器t u r b i n e 的涡轮机进口端。管子8 8 5 、管接头( 排气 消声器) 把燃烧气体排到剧围环境e x h a m b i e n t 。 2 2 2 高压共轨柴油机仿真模型的构建过程 建模过程其实是前处理过程。前处理主要是柴油机结构参数的输入，初始边 界条件的输入，放热模型、传热模型和摩擦功模型等计算模型的选择；求解器中 的时间控制、流量控制和收敛控制等参数的设定。 本课题主要研究的是内燃机的控制参数的标定，具体的说，就是研究内燃机 的功率、比油耗、扭矩n o x 、s 0 0 t 、p m 在一定转速下随控制参数喷油量、喷油 压力、喷油速率、喷油定时等的变化关系。本章主要阐述如何将现实系统转化为 仿真模型的问题。 根据柴油机仿真的需要，在模块库中找到对应的模块。这些模块采用图形化 技术，用鼠标就可以从模块库拖到建模面板上，然后输入其所需的参数和参考模 块。g t 软件具有可视化、图形化和模块化的特点，使得界面非常友好，不需要 知道各模块中的具体程序，只需要设置模块初始参数和进出口条件( 图2 2 为高 压共轨柴油机仿真模型构建示意图) 。 第二章高压共轨柴油机仿真模型的构建 图2 2 高压共轨柴油机仿真模型构建过程示意图 2 2 3 柴油机的主要参数配置 g t - p o 、榭是一维动力学模拟，很多数据需要参照实验并依原机实际的结构 参数设置，这样才能到仿真的效果。具体参数见表2 1 。 表2 一l 发动机的主要参数配置 基本规格 t c i 缸径 咖 由1 2 6 行程 咖 1 3 0 连杆长度 衄 7 5 总排量 l 9 7 2 6 汽缸数 6 点火顺序 1 5 3 6 2 4 压缩比 0 5 1 6 5 ：l 最大爆发压力限值 b a r 1 2 0 1 4 第二章 高压共轨柴油机仿真模型的构建 旋涡比2 1 5 气门座圈内径( 进气) 舳 1 5 5 气门座圈内径( 排气) 彻 l 5 0 进气排气门间隙 咖0 3 e v c ( d e g c r aa t d c )2 7 5 i v 0 ( d e g c r ab t d c ) 2 9 i v 0 ( d e g c r aa v d c ) 6 4 燃油 柴油 低热值 k j k g 4 2 9 0 0 理轮空燃比 k g k g 1 4 6 燃油喷射装置b o s c h 高压共轨 2 3 气缸模块 气缸模块代表内燃机的工作气缸。有传统的曲柄连杆运动系的运动方式以及 可以自定义活塞运动。对于简单的燃烧建模，可以采用b e 、双区v i b e ( 主 要 用于汽油机) 或对放热率进行每点定义方法。另外，可以针对柴油机分层均 质燃烧以及直喷燃烧进行燃烧建榭3 6 1 。 2 3 1 有关燃烧参数的确定 关于燃烧参数的确定，采用了原柴油机气缸压力曲线，通过使用g t 中的 b u r n 确定燃烧放热规律和韦伯参数，作为计算的输入参数。 为了使发动机具有好的冷起动性能和高热效率，压缩比应适当的提高。因此 选取发动机的压缩比为1 6 5 ：l 。计算得到的最大爆发压力在1 6 0 b a r 以下。 对于热力循环计算，要求输入放热率( r o 陬) ，通常由b e 函数计算放热 率，主要与燃烧持续时间和形状参数有关。燃烧放热率影响气缸压力和温度，从 而影响循环效率、最大爆发压力和排气温度。 图2 3 显示了在涡轮增压型发动机计算中所采用的燃烧放热率r o 胍。这些 图来源于排放达到欧i 标准的同档次发动机全负荷下的气缸压力曲线。 第二章高压共轨柴油机仿真模型的构建 e _ j p 嘤r 吧l 。；i ：；器；嚣l l 鲫脯 ：产高。等 ； i 矗 7 h，妒 。，少 4矽 印叭 l f：j # f 矿$ h ? 蚣；x ；i k i 鬯2 1 牌，哩c 唑 蠹三j 露i 露j 篆l ff 曙 f、 x f j雁 j v 彳| 、 ， 吣 ，、 酱 乜 b 自 14 1 矗乙- ；i 。”1 1 乙。 图2 3 燃烧放热率 燃烧品质因数m 是表征放热率分布的一个参数，m 值的大小影响放热曲线的 形状。m 值较小时，初期放热量多，压力升高率大，燃烧粗暴。反之，m 值增大 时，初期放热量小，压力升高率小，燃烧柔和。柴油机转速愈低，m 值愈大。平 均有效压力愈高，m 值也愈大p 引。各类内燃机的数值统计范围如下表。 表3 内燃机的m ，矿，统计 。 内燃机型式 m口 岛 直喷式高速柴油机 0 1 5 1 25 0 1 5 0一1 2 o 直喷式中速柴油机 0 5 2 05 0 1 2 0一1 2 o 分隔式高速非增压柴油机 0 4 0 66 0 1 0 01 2 o ( 表中所燃烧品质指数，表征放热率分布的一个参数； 岛- 燃烧开始角；伊- 燃烧持续角) 。 在标定工况正常燃烧情况下一般取5 5 。一8 0 。之间；通过计算可以得到与实测 示功图很接近的示功图，计算出的发动机最大爆发压力和平均指示压力在允 许的精度范围内。 2 3 2 缸壁传热 内燃机的传热由以下4 部分组成：( 1 ) 燃烧室内的对流和辐射传热；( 2 ) 活塞组 与缸套间摩擦热的传递；( 3 ) 燃烧室内壁薄层内的循环瞬态导热：( 4 ) 燃烧室部件 内的稳态导热 1 6 第章高压共轨柴油机仿真模型的构建 2 3 3 燃烧模型 燃烧排放模型及特征参数的设置： 缸内燃烧过程的模拟是发动机工作过程模拟的核心部分，直接影响到整个模 拟的可靠性和计算精度【3 1 1 。燃烧模型可分为零维模型、准维模型和多维模型。 受计算机条件和多维燃烧模拟复杂性的限制，目前循环模拟中的燃烧模型仅限于 零维和准维模型【1 8 】。 零维模型： 零维燃烧模型又称热力学模型，它将缸内燃烧过程视为瞬态均匀的过程通过 对大景燃烧放热过程的统计分析，找出规律性，用经验公式或曲线拟合的方法， 建立起一种表达燃烧过程参数问的经验关系式。常见的零维模型有a u s t e n l 帅的 三角法模型、w h i t e h o u s e 的准备率模型和v i b e 函数模型等1 3 7 1 。 准维模型： 准维模型主要是为了研究和预测柴油机的排放特性，及寻求对其控制的措施 而发展起来的。柴油机的燃烧主要受控于燃料和空气的混和，即喷雾区内的物理 化学过程。喷雾中燃料和空气的混和决定了缸内的温度和化学成分场，从而在不 同的区域产生了各种燃烧产物。 准维燃烧模型即基于这一特点，将整个燃烧过程抽象为喷雾、燃烧( 包括燃 烧准备) 、传热和化学反应等子过程，分别建立子模型，再由燃烧室内总质量、 能量守恒和容积等约束条件确定各子模型的关系，来描述整个燃烧过程，计算排 放产物的形成。 分类： l 油汽模型忽略燃料雾化和蒸发过程 2 油滴模型( d i j e t ) 用燃料油滴的蒸发速率控制燃烧 以广安博之为代表，它忽略了液体射流的雾化分裂过程，假定燃料直接以 油滴形式射入燃烧室，并认为油滴的蒸发速率对燃烧过程起控制作用。 本课题在研究基于模型的标定时，采用的是广安博之的燃料油滴的蒸发速率 控制燃烧的准维模型。 2 4 增压器模型和特征参数的选择及与发动机的匹配 废气涡轮增压器在稳定运行过程中必须满足涡轮与压气机能量平衡、流量平 衡及转速相等三个条件。 1 7 第二章高压共轨柴油机仿真模型的构建 2 4 1 涡轮增压器的匹配 选择涡轮增压器的重点是着重研究增压器与内燃机方案上的匹配和内部工 作的匹配两方而【3 8 】1 3 9 】。内燃机耗气特性或流通特性是表示单位时问内通过内燃 机的空气流常与内燃机转速和气体增压压力之间的关系。进气压力增加，流量增 加：进气阻力增加，流量