（光学工程专业论文）高压共轨增压中冷柴油机的性能优化和标定.pdf

y iyrllllrlllrl r r8lfl 1 f f1 i r f l o lf 4ll l r 嶝 保密- k2 年 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g i iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo fm a s t e r f u n c t i o n a l i m p r o v e m e n ta n dc a l i b r a t i o n ii f o rc o m m o nr a i ls y s t e mo fd i e s e le n g i n e s c h o o l d e p a r t m e n t ：s i n o g e r m a n y i n s t i t u t e m a j o r ：a u t o m o t i v e e n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：j i ar e n s u p e r v i s o r ：p r o f d r j i m i nn i j u n e ，2 0 0 7 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的e p j 本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：彳主么生 凶1 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 彳2 纽 岬年g 月c i c b 日 摘要 摘要 新一代发动机的发展正面临着在燃料消耗、废气排放和动力性三方面性能不 断提高的挑战。为了满足日益严格的排放法规，发动机电控技术的应用已成为当 今汽车行业发展的趋势。本文基于工程开发的实际需要，对发动机电控参数标定 技术在整车性能提高的应用上进行了系统的研究和深入的分析，为将来后续的发 动机在线标定技术的发展提供了理论和技术支持。 本文列举了电控柴油机优化标定的整个过程并详细介绍了离线标定技术。在 进行离线标定时，首先由标定系统根据标定工作的需要进行相关的试验，获得在 各种工况下发动机各项性能指标随特定控制参数变化的情况，然后以试验结果为 依据进行分析，按照一定的优化目标和限制条件预测计算最优的控制参数。离线 标定是后续在线标定的基础，因此具有很高的工程应用价值。 通过对m a t l a b 软件的介绍，阐述了发动机建模所应用的数学统计学知识， 包括最大似然估计法及插值原理。建立一个误差较小的模型是优化标定的基础， 可减小测量误差带来的影响。 本文通过对影响某款柴油机轿车性能的电控参数的优化标定，探讨了喷油提 前角、共轨压力等电控参数对发动机排放和燃油经济性的影响。经标定后的发动 机在整车n e d c 循环中，燃油经济性得到了一定程度的提高，验证了该技术在工 程应用中的可行性。 本文创新地提出了综合运用m a t l a b 标定软件c a g e 、动态仿真软件e n d y n a 与发动机匹配软件c r u i s e 的方法，对电控柴油机进行有效的优化。m a t l a b 标定 软件可对发动机每个工况点进行最优处理，在限制排放的前提下，尽可能地降低 油耗。电控参数优化后，还可通过c r u i s e 软件分析n e d c 循环中的高油耗区，考 虑通过修改发动机结构参数和传动系设计进一步优化整车性能。 最后，本文对课题的研究工作和创新点进行了总结，并对进一步工作的方向 进行了展望。 关键词：电控参数，优化标定，统计学，燃油经济性 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h en e wg e n e r a t i o ne n g i n ei sf a c i n gt h ec h a l l e n g eo ft h e n e e df o ri m p r o v i n gt h ef u e lc o n s u m p t i o n ，e x h a u s te m i s s i o n ，a n de n g i n ep o w e r f o r t h es a k eo ff u l f i l l i n gt h ei n c r e a s i n g l ys t r i c te x h a u s tc o d e ，t h ea p p l i c a t i o no ft h e e l e c t r o n i cc o n t r o l l e de n g i n eh a sb e c o m et h et r e n do ft h ed e v e l o p m e n to ft h e a u t o m o b i l ei n d u s t r y b a s e do nt h er e q u e s to fe n g i n e e r i n g , t h i st h e s i sp u t ss y s t e m i c r e s e a r c ha n di n - d e p t ha n a l y s i so nt h ea p p l i c a t i o no fi m p r o v i n gv e h i c l ep e r f o r m a n c e b yu s i n gt h ee c up a r a m e t e r sc a l i b r a t i o nt e c h n o l o g y , t h u so f f e r i n ga c a d e m i ca n d t e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fe n g i n eo n l i n ec a l i b r a t i o nt e c h n o l o g y t h i st h e s i sd e s c r i b e dt h ee n t i r ep r o c e s so ft h ec a l i b r a t i o no fa ne l e c t r o n i cc o n t r o l l e d d i e s e le n g i n ea n dp a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e dt h eo f f i i n ec a l i b r a t i o nt e c h n o l o g y w h e ny o u c a l i b r a t et h ee n g i n eo f f l i n e ，f i r s t l yt h e c a l i b r a t i o ns y s t e ms h o u l dd oc o r r e l a t i v e e x p e r i m e n t sa c c o r d i n gt ot h en e e do ft h ec a l i b r m i o n ，f o rt h ep u r p o s eo fo b t a i n i n g e v e r yp e r f o r m a n c et a r g e to ft h ee n g i n ew i t ht h ec h a n g eo fs p e c i a le c up a r a m e t e ri n t h ec i r c u m s t a n c eo fd i f f e r e n te n g i n es i t u a t i o n s a n dt h e ni ta n a l y z e sa c c o r d i n gt ot h e r e s u l to ft h ee x p e r i m e n t si no r d e rt of o r e c a s tt h em o s to p t i m i z e de c up a r a m e t e ri n t h el i g h to fd e f i n i t eo p t i m i z i n go b j e c t i v e sa n dr e s t r i c t s o f f l i n ec a l i b r a t i o ni st h eb a s i s o ft h ef b r t h e ro n l i n ec a l i b r a t i o n ，t h e r e f o r ei th a sg r e a tv a l u ei ne n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n b yt h ei n t r o d u c t i o no fm a t l a bs o f t w a r e ，i te x p a t i a t e st h ek n o w l e d g eo fm a t h s t a t i s t i c sw h e nb u i l d i n gt h em o d e l ，i n c l u d i n gt h et h e o r yo fm a x i m a ll i k e l i h o o d e s t i m a t ea n dv a l u e i n s e r t e s t a b l i s h i n gam o d e lw i t hl o we r r o ri st h eb a s i so f o p t i m i z i n gc a l i b r a t i o n ，w h i c hr e d u c e st h ei n f l u e n c eo fm e a s u r i n g e r r o r b yc a l i b r a t i n gt h ee c up a r a m e t e r s ，w h i c ha f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e ，t h i s t h e s i sd i s c u s s e st h ei n f l u e n c e so fe c up a r a m e t e r si n c l u d i n gf u e li n j e c t i o na n g l ea n d c o m m o nr a i lp r e s s u r et ot h ee x h a u s ta n df u e lc o n s u m p t i o no ft h ee n g i n e t h ef u e l c o n s u m p t i o no ft h ec a l i b r a t e de n g i n eh a sb e e ni m p r o v e di nt h en e d cc y c l e - r u nt e s t ， t h u sv a l i d a t i n gt h ef e a s i b i l i t yi nt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h i st h e s i si n n o v a t e st h ec o m b i n a t i o no fm a t l a b ，e n d y n aa n dc r u i s es o f t w a r et o e f f e c t i v e l yo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo f t h ed i e s e le n g i n e a tf i r s tc r u i s es o f t w a r ec a n a n a l y z et h eh i g hf u e lc o n s u m p t i o nr e g i o n sa n dt h e ne n d y n ao p t i m i z e st h e s er e g i o n s b yc a l i b r a t i n gt h ee c up a r a m e t e r s i i t h es u m m a r yo ft h et h e s i sa n dt h ed i r e c t i o no ff u r t h e rr e s e a r c hw e r ed i s c u s s e d i n t h e e n d k e yw o r d s ：e c up a r a m e t e r s ，o p t i m i z i n gc a l i b r a t i o n ，s t a t i s t i c s ，f u e l c o n s u m p tio n 1 1 i 目录 目录 第l 章绪论1 1 1 选题背景1 1 1 1 排放法规的要求1 1 1 。2 控制措施2 1 1 3 喷油系统的要求3 1 2 国内外研究现状4 1 3 发动机电控系统标定的基本概念5 1 4 发动机电控标定系统研究的意义7 1 5e n i ) y n a 软件介绍7 1 6 论文的主要内容9 1 6 1 课题研究目的和意义9 1 6 2 本论文的主要t ：作9 第2 章电控柴油机标定流程1 0 2 1 高压共轨系统简介1 0 2 1 1 概述：l o 2 1 2 高压共轨系统的基本特点1 1 2 1 3 高压共轨电控喷射系统的基本组成1 l 2 1 4 电控喷射系统1 2 2 1 5 高压共轨系统的控制1 2 2 1 6 高压共轨系统控制内容1 3 2 2 电控柴油机标定系统应具有的功能1 5 2 3 电控柴油机标定系统的标定步骤1 7 2 4 本章总结1 9 第3 章基于数学函数的控制参数标定模型的建立2 0 3 1m a t l a b 标定软件简介2 0 3 2 电控参数优化的数学模型及原理2 1 3 3 人工神经网络建模原理，2 4 目录 3 4 试验所选发动机基本参数2 5 3 5 试验数据的编辑2 5 3 5 i 试验数据与试验设计的匹配2 6 3 5 2 试验数据的分类2 7 3 6 试验数据建模2 7 3 6 1 发动机的二阶段模型( t w o s t a g em o d e l s ) 2 7 3 6 2 试验设计3 0 3 7 模型的导出3 5 3 8 本章总结3 5 第4 章电控参数的优化3 6 4 1 优化流程3 6 4 2c a g e 标定软件3 7 4 2 1 特征标定3 7 4 2 2 标定的权衡3 8 4 2 3c a g e 标定流程3 9 4 3 共轨压力控制4 0 4 3 1 共轨油压控制策略4 0 4 3 2 共轨压力标定4 4 4 4 喷油控制4 6 4 4 1 喷油量控制4 6 4 4 2 喷油正时控制4 9 4 4 3 喷油率控制5 l 4 5 标定结果比较分析5 3 4 6 内燃机稳态排放的特点? 5 6 4 7 本章总结5 7 第5 章试验模拟的应用开发5 8 5 1 高压共轨系统模型的建立5 8 5 1 1 动态仿真试验5 8 5 1 2 软件的模块5 8 5 1 3 预处理6 1 5 2n e d c 循环测试6 2 v 目录 5 3 发动机优化标定对整车经济性影响的仿真分析个6 6 5 4 与c r u i s e 软件的联合运用6 9 5 5 在线设计7 1 5 5 1d s p a c e 系统组成及特点7 l 5 5 2e n d y n a 在线系统。7 1 5 6 本章总结7 2 第6 章总结与展望7 3 6 1 总结7 3 6 2 展望7 4 致谢7 5 参考文献7 6 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果7 9 v i 第1 章绪论 1 1 选题背景 第1 章绪论 柴油机比汽油机有更好的经济性，其热效率可达4 5 5 ，是当今各种动力机 械中热效率最高的一种f l 】。此外，柴油机可靠性好，有害排放物总体比汽油机低。 先进的柴油机即便不采用任何机外处理措施，其有害气体的排放量也可以达到带 有三元催化反应器并采用闭环控制系统的汽油机的排放指标【2 】。这些优点使得柴 油机被选为各种运输工具的动力源【3 】。在车用范围内，装载车辆几乎都用柴油机 作为动力，并且已逐步进入小客车的使用领域。我国的车用内燃机也逐渐向着柴 油机化这一趋势发展。随着柴油机应用领域的不断扩大，也同时带来了一系列问 题。能源危机、排放和噪声同益为人们所重视，尤其是对排放的呼声越来越高。 现在全世界每年生产上千万台柴油机，大约有一半装在公路交通车上，目l ；i 全球 车辆保有量己超过8 亿辆。美国大气中8 2 的c o ，9 8 的n o x 和5 8 的h c 来自汽车排 出的废气。在日本，9 9 的c o ，9 8 的n o x 和3 6 的h c 来自汽车排放。降低油耗和减 少排放己成为柴油机的发展趋势。柴油机电控共轨高压喷射系统的出现，以及发 动机标定技术研究的同益深入，为柴油机满足当代及未来社会需要提供了非常有 利的支持，预示着新一轮柴油机技术的大发展1 4 - 6 。 1 1 1 排放法规的要求 汽车污染在世界范围内已成为城市污染的主要因素。工业发达国家相继制定 了一系列严格的排放法规，美国、日本、欧盟的汽车排放法规是当今世界三个主 要体系。北京和上海也相继制定了较严格的排放标准，我国的排放标准基本属于 欧盟标准。 表1 1 欧共体载重汽车排放标准( 单位：g k w h ) 等级执行时间 c oh cn o xp m 烟度 欧i 1 9 9 24 51 18 o0 6 1 2 欧l i1 9 9 6 1 0 4 01 17 oo 2 5 欧i i i2 0 0 0 1 02 o0 65 00 1 0 欧 2 0 0 5 1 0l50 ，4 63 50 0 2o 5 第1 章绪论 表1 2 美国车用重型柴油机排放标准( 单位：g b h p h ) 车型年份h cc on o xp m 重型车用柴油机 1 9 9 01 31 5 56 o0 6 0 1 9 9 11 31 5 55 o0 2 5 1 9 9 81 11 1 o4 0o 1 0 2 0 0 50 68 02 5o 1 0 表1 3 中国车用柴油机排放标准( 单位：g k w h ) 执行时间 c ot t cn o x p m 1 9 9 7 1 0 11 1 22 41 4 41 5 6 2 0 0 0 1 1 4 51 18 oo 6 l 2 0 0 4 1 04 01 17 oo 1 5 欧盟的载重汽车排放标准如表1 1 所示。美国车用重型柴油机的排放标准如 表1 2 所示。中国车用柴油机的排放标准如表1 3 所示。柴油机的c 0 和h c 均比汽油 机低，n o x 略低于汽油机，然而柴油机排出的碳烟颗粒物比汽油机多的多，因此， 柴油机的排放研究的重点应放在n o x 和颗粒排放上 7 - 9 1 。 1 1 2 控制措施 由于排放同益成为人们关心的问题，因而目前的研究热点，已经开始从以往 的只关注经济性，转而对经济性和排放两者相兼顾。目前有效的改善柴油机经济 性的途径有：增大压缩比、改进燃烧室、采用废气涡轮增压、提高充气效率、降 低泵气损失、降低冷却损失、提高机械效率等等【l o l 。 对车用柴油机的排放污染控制的措施，归纳起来主要有三个方面 1 1 - 1 3 】： 前处理净化。如柴油中加消烟添加剂；排气再循环；进气管喷水或柴油 机掺水；增压中冷( 以控$ 1 j n o x 丰 e 放) 等。 机内处理净化。如改进进气道( 供气系统) ；改进燃烧室结构和参数；改 进燃油系统参数( 燃油压力、喷油正时、喷油速率和喷油量等参数优化) ；在轿车 柴油机中，采用增压技术( 通常指增压或增压加中冷) 的主要目的是改善燃烧、 减少碳烟颗粒，而提高功率则在其次。中冷还可以降低循环温度，有抑毹i l j n o x 形 成的作用。现又发展有可变几何参数的涡轮技术，优化增压系统，可改善动态工 况颗粒排放。 后处理净化。如柴油机的微粒后处理；催化转化器等。 一般地说来，n o x 降低时，往往使得颗粒排放增大，两者之间是相互矛盾的。 同时，使n o x 降低的措施也往往使得油耗率增大，经济性变差，这两者之间又是 相互矛盾的。因而在具体实旌时，各种技术均具有一定的作用，但在某种程度上 2 第1 章绪论 有一定的局限性。 图1 1 为车用柴油机采取不同的措施后n o x 和颗粒p m 排放之间的关系。 6 81 0 x t v k w h j 图1 1 车用柴油机n o x 、p m 与各种措施的关系 1 2 对柴油机本身而言，提高经济性和降低排放的核心措施仍然是优化燃烧质 量。对柴油机技术的进一步发展，着眼点必然是在于燃烧系统的改进。柴油机的 供油系统、进排气系统、燃烧室形状的设计都是为了更好地合理组织燃烧，因此 对燃烧过程进行更深入细致的研究将会有助于柴油机性能的优化。因此，对柴油 机的喷油系统进行合理的设计和性能参数优化，是提高经济性和改善柴油机排放 的最有效的措施之一。 1 1 3 喷油系统的要求 燃油喷射系统参数优化是很有效的一种净化排放措施。对废气的排放物c o 、 h c 、微粒( p m ) 、n o x 等的控制可以通过对燃油系统的参数优化来降低。同时可以 提高燃油的经济性，降低油耗【h _ 1 6 1 。 对柴油机喷油系统的控制，主要是喷射压力、喷油正时、喷油量和喷油速率 的控制。目前，主要实行高压喷射、精确的喷油定时和喷油量、可控制的喷油速 率等措施。 实行高压喷射，能增加燃油的经济性，同时可降低c o 、h c 、p m 等的排放。 但高喷油压力，会使得气缸最高燃烧压力和燃烧温度升高，从而使得n o x 排放高， 这就要相应减少喷油提前角，以降低n o x 4 s 放；另外，喷油压力提高后，可以缩 短总喷油时间，这也可以降低n o x 排放。 对喷油量的控制不仅包括各种负荷下的精确喷油量，还包括燃油预喷射、 l 8 e 唾 2 o a o o o 譬上暑一囊 第1 章绪论 主喷射和后喷射( 如有必要) 的喷油量比例和时间间隔。 对喷油速率的控制可以降低n o x 、h c 等。如：采用快速停油可以降t k 乇h c 的 排放；降低初始喷油速率，即采用预喷射、三角型喷射或靴型喷射可以有效降低 n o x 排放和噪声；同时，采用预喷射、三角型喷射或靴型喷射，可以使得放热率 比较平稳，从而可以降低n o x 的排放。 对喷油提前角( 正时) 的控制。不同工况下的喷油量和喷油正时的控制可 以提高燃油经济性，降低排放。有资料表明，柴油机喷油始点偏离期望值l o 。c a ， n o x 排放增加5 ；提前2 ”c a ，会使气缸爆发压力升高1 0 b a r ；延后2 0 。c a ，会使排 气温度升高2 0 。c 。又有资料表明，柴油机喷油始点变化l 。ca ，油耗增加2 ，h c 排放增大1 6 ，n o x 增n 6 。这就要求须精确控制喷油定时。另一方面，通常由于 保证燃油经济性和保证排放是相互矛盾的，燃油系统参数优化的目标是保证排放 的基础上，达到最佳的燃油经济性。为使得柴油机有更好的经济性和排放，须使 油气充分混合，这就要求在短的喷油期内具有高的喷射压力，而且精确地保持喷 油量和喷油始点。对于喷油量的调整、喷油始点的调整和喷油过程的形成，必须 具有极高的柔性，以使柴油机在各种工况下都能按最佳状态运行。 精确控制喷油量、喷油正时和喷油压力可降低油耗、提高经济性、改善排放、 增加动力性( 如低速高扭矩) 。这只有通过电子控制喷油系统，才能达到最佳的实 现。比如，日本电装公司的共轨系统用的喷油嘴采用双流量节流量孔，在保持n o x 排放不变的情况下，能减少烟度7 、降低油耗4 。 可以知道，对柴油机喷油系统的最重要的特性要求有：高喷油压力，并可调 节；高精度控制喷油量；灵活的喷油定时控制：可进行灵活的喷油速率( 预喷射 等) ；可进行小油量喷射；使用寿命内的高精度。要满足喷油系统这些特性要求， 传统的普通喷油系统已很难实现。这种喷油系统的特性只能通过电子控制喷油系 统来实现。 1 2 国内外研究现状 国外对柴油机电控喷油系统的研究始于2 0 世纪7 0 年代。到目前为止，柴油 机电予控制燃油系统已经经历了三代变化，分别是位置式、时间控制式和压力一 时间控制式。同时，共轨式电控喷油系统又大致可分为三种，即蓄压式电控高压 喷射系统、电控液压泵一喷嘴系统和高压共轨式电控喷射系统l i 7 - 1 8 o 国外柴油机目前一般采用共轨新技术、四气门技术和涡轮增压中冷技术相结 合，使发动机在性能和排放限制方面取得较好的成效，能满足欧4 排放限制法 规的要求。目前全球主要的燃油系统生产厂商都致力于发展电控共轨燃油喷射系 4 第1 章绪论 统，比如美国的b k m 公司、卡特匹勒公司，德尔福公司；德国博世公司等。其中 较为典型的共轨式电控喷油系统有：美国b l ( m 公司s e r v o j e t 蓄压式电控高压喷 射系统；美国卡特匹勒公司的电控液压泵一喷嘴系统；日本电装公司e c d u 2 高 压共轨式电控喷射系统；德国博世公司c r 共轨式电控喷油系统；德尔福公司 m u l e t c 系统。 高压供油系统和喷油系统的电子控制是柴油机技术满足未来排放法规要求 和提高柴油机经济性要求的关键技术之一。在未来燃油系统的发展中，提高喷射 压力，仍是喷油系统发展的主题之一。在电子控制的喷油系统中，共轨系统以其 优异的控制柔性度将得到进一步的发展和提高。根据国外主要共轨喷油系统制造 厂商的发展趋势来看，高压共轨喷油系统的发展趋势主要围绕提高喷射压力，提 高喷油控制的响应速度，提高喷油规律控制的柔性度和喷油量的控制精度这四个 方面1 9 1 。 我国2 0 0 7 年将全面实行欧i i i 排放法规，而共轨系统被认为将占有大部分 喷射系统的市场份额。目前国外主要的生产共轨系统的跨国公司如博世公司、德 尔福公司等都对中国进行大规模的投资，并相继设立研发中心，以期能够占领中 国更大的市场份额。由于柴油机电控技术的要求越来越高，柴油机电控的内容不 断增加，柴油机电控系统参数的标定技术也越来越成为研究的重点。传统的标定 方法是通过大量柴油机实机试验，获得全部测试方案下柴油机对应的性能，然后 根据试验的结果处理计算出相应的数据并制成报表曲线，试图找出不同工况下满 足要求的最佳控制量。柴油机标定需要综合考虑各个工况和各控制参量的相互关 系，在不同工况下进行控制参数的大量调整试验，这给标定工作带来了很大的困 难。一方面由于试验条件的变化难以校准，一般的试验台架系统很难提供标准的 动态工况；另一方面，反复地进行动态试验对台架影响很大，使标定过程难以再 现。因此，传统的标定方法缺乏严格的科学性，效率较低。为了减少试验量，提 高参数标定的精度，最新发展的方向是基于模型的标定技术。 1 3 发动机电控系统标定的基本概念 新一代发动机的发展正面临着在燃料消耗、废气排放和动力性三方面性能不 断提高的挑战。为了满足日益严格的排放法规，发动机电控技术应用己成为当今 汽车行业发展的趋势i 2 0 - 2 2 j 。 发动机电控系统主要由传感器、电控单元( e c u ) 、程执行器组成。整个系统 的研制开发主要包括：传感器的研制、执行器的研制、电控单元( e c u ) 的硬件设 计、控制软件的开发以及电控系统与发动机及整车相匹配的应用开发工作。将电 第1 章绪论 控系统与发动机及整车相匹配，并通过调试和优化使发动机和整车达到最佳性能 的过程，是电控系统的应用开发阶段。在这个阶段完成电控系统各部件与发动机 的连接以及系统参数的优化，并进行各部件之间的匹配试验。应用开发阶段是整 个电控系统研制的最终阶段，也是工作量最大、最困难的阶段之一。这个阶段的 工作目标就是要保证发动机和汽车的性能指标满足当前排放法规和使用要求的 情况下，获得最佳的汽车动力性和燃油经济性。 发动机标定( c a l i b r a t i o n ) 是指在发动机与电控系统的硬件适配以及电控系 统功能检验完成的基础上，根据整车的各种性能要求如动力性、经济性、排放等， 调整、优化和确定电控系统软件的运行参数、控制参数和各种控制数学模型的整 个过程。电控系统本质上是一个复杂的控制系统，其复杂性表现在多个方面。首 先，电控系统需要实现众多的控制项目，如启动、怠速、部分负荷、全负荷、加 速、减速控制等；第二，电控系统的控制应能使发动机的潜力充分发挥，使功率、 油耗、排放和汽车操纵性等多方面性能达到综合最佳状态；第三，影响发动机工 作的因素众多，除些典型的参数如转速、油门开度、喷油j 下时、曲轴位置外， 还包括一些附加参数如油温、废气再循环率等，电控系统需要综合考虑这些因素 才能使发动机运行在最佳状态；第四，电控系统如何调整才能更好的适应外界环 境的变化，如大气温度变化、蓄电池电压波动、海拔位置改变等。借助电控发动 机标定系统及其台架试验，可以找到发动机的最佳控制参数，得到发动机的控制 规律。 发动机电控系统的标定主要包括离线和在线标定。由图1 2 可知，发动机e c u 控制参数的离线优化过程包括：通过试验测得e c u 控制参数，然后针对这些参数 采用数学函数方法，加入目标和约束条件对其进行优化，最后将优化结果反馈给 发动机电控系统，完成发动机控制参数的优化。在线优化能更加直观、实时的观 察优化结果对发动机性能的影响。 囿茎目；o 二 画一 图1 2 发动机控制参数的离线优化及在线优化 6 第1 章绪论 1 4 发动机电控标定系统研究的意义 发动机电控技术从兴起至今已经有二十多年的历史了。目前，汽车工业发达 国家的发动机电控技术己发展到相当成熟的阶段，电控系统在控制功能多样化、 控制方法先进化、控制部件标准化、通用化、系列化等方面取得了很大发展。与 之相适应，电控系统标定技术也达到了很高的水平，西方国家的标定开发系统在 优化思想、自动化程度等方面都很先进。在我国虽然汽车工业与国际水平存在相 当的差距，但自“八五期间开始国家已将汽车工业列为国民经济的支柱产业， 而汽车电子控制更是国家攻关项目的重点。电控标定技术直接影响电控发动机的 产业化进程。“九五”期间，由清华大学、浙江大学、吉林工业大学等高校以及 中国一汽、二汽、威孚集团等企业合作进行的“汽车电子控制技术”国家科技攻 关项目，在电控单元软硬件的开发、控制参数标定开发设备和电控系统诊断设备 的研制等方面都取得了重要的成果，为发动机电控系统推广应用打下了良好的技 术基础。由于国内汽油机在轿车中的广泛应用，所以汽油机的标定系统先于柴油 机发展。目前，清华大学、吉林工业大学对汽油机电控系统的标定技术作了一定 的研究，对于电控柴油机的标定技术的研究国内还处于起步阶段。但我国各主要 汽车和发动机生产厂家对电控柴油机技术的应用表现出极大的兴趣，无论从技术 上还是从市场上来看，柴油机电控系统在我国推广应用的条件都在不断成熟。车 用发动机标定技术作为电控技术应用阶段的关键一步，其发展的趋势更令人关注 【2 3 2 s 1 。 1 5e n d y n a 软件介绍 e n d y n a 软件在发动机电控系统的开发及优化方面有着强大的功能，利用 s i m u l i n k 模块可动态模拟电控参数的改变对发动机性能( 动力性、排放、燃油 经济性) 的影响。 e n d y n a 2 6 1 软件中提供了各种不同的内燃机模型，模型的基本功能是为用户提 供了用于内燃机仿真的实时模型。最为典型的应用领域是用于内燃机控制算法的 开发和测试、在线诊断( o b d ) 、基于硬件在回路的控制器和元件测试以及与试验 车辆的联合测试。在e n d y n a 中用户可以得到完整的、预定制的发动机模型，这 些模型由丰富的模块组成。模块以s i m u l i n k 库文件的形式进行封装。用户可以 通过编辑、修改、组装这些模块来搭建适用于自身的内燃机仿真模型。图1 3 介 绍了e n d y n a 软件的工作过程：e c u 根据发动机转速和油门踏板的位置判断发动 机当前工况，通过查m a p 图得到喷油量的基准值，再根据进气温度、进气压力和 7 第1 章绪论 冷却液温度等信号对该基准值进行修正，得到目标喷油量，经过喷油定时计算确 定喷油始点和喷油持续期后，c p u 向驱动电器发出控制信号，控制单体阀上的电 磁阀动作，从而实现对电控柴油机的精确控制。 图1 3e n d y l l a 软件j 【：作过程 图1 4 是e n d y n a 软件建模的界面。在这种可视化的界面中，用户很容易对 发动机模型进行建模，并进行后续的标定。 图1 4e n d y n a 建模界面 8 第1 章绪论 1 6 论文的主要内容 1 6 1 课题研究目的和意义 随着我国国民经济的高速发展，对动力装置的需求大幅度增加，环境保护的 压力也越来越大。专家们预计至s j 2 0 0 8 年我国将全面实行欧i i i 排放法规，一些中 心城市可能还要提前一些。此外，加入w t o 以后，内燃机行业面临的国际市场的 竞争也日趋激烈。我国燃油喷射技术的水平与国际先进水平相比存在的巨大差 距，严重制约柴油机技术水平的提高。因此，开发研制现代电控高压燃油喷射装 置的需求也越来越迫切【2 。 由于高压共轨燃油喷射系统高度的自由控制，它可以非常灵活并且准确地控 制喷油压力、喷油难时以及喷油量，从而可以根据发动机转速、负荷以及其它发 动机工况提供相应最优的喷油规律，从而给发动机的工作性能带来革命性的改 变。但是j 下是由于这种高的自由度，也给发动机的燃油系统标定带来了大量的工 作量。如果只是采用人工标定，不但研发周期大大延长，而且其优化程度也不是 很精确。本文利用当前先进的发动机模拟计算工具，首先为标定工作进行理论上 的分析，随后利用m a t l a b 软件的标定功能对一款电控柴油机进行了标定，为e c u 和整机的优化提供了支持。最后，在e n d y n a 、c r u i s e 软件上对标定完的发动机 进行模拟n e d c 循环测试，计算其燃油消耗值，验证标定的结梨2 s - 3 0 。 1 6 2 本论文的主要工作 本文以国外某款车用柴油机为研究对象，运用e n d y n a 软件建立其仿真模型， 对其进行性能仿真研究，最后对其进行了离线标定，主要的研究内容包括： 1 ) 应用e n d y n a 软件搭建高压共轨柴油机模型。 2 ) 通过采集的试验数据建立m a t l a b 软件下的标定模型，并将模型导入到 c a g e 软件进行后续标定工作。 3 ) 采用标定软件c a g e 对此款柴油发动机进行优化标定，对比优化标定前 后的发动机万有特性图。 4 ) 控制策略的分析和讨论。 5 ) 采用e n d y n a 软件对其进行离线模拟n e d c 循环测试，动态观察优化后 的发动机在整车上的性能表现。 6 ) 电控参数优化后，采用c r u i s e 软件分析其在n e d c 循环中的高油耗区， 通过修改发动机结构参数及传动系设计可进一步降低油耗。 9 第2 章电控柴油机标定流程 第2 章电控柴油机标定流程 当代主流汽车厂商主要采用v 模型开发流程完成电控发动机的优化开发。v 模型主要包括离线仿真、程序编码、e c u 仿真模拟、系统测试、实车试验等。 v 模型开发流程中，发动机电控参数的标定是极其重要的一个环节。本章 将围绕当今主流发展趋势的电控高压共轨柴油机，讨论其开发应用过程中的标 定流程。 a b b 1 1 1 e n t w i c 囊l u n ge l e k t r o n i s c h e rp i l n k t i o 秘e nn a c hd e mv - m o d e l l 图2 1v 模型的电子功能开发流程 2 1 高压共轨系统简介 2 1 1 概述 燃油喷射系统是影响缸内燃烧过程的关键因素，对柴油机的动力性、经济 性和排放性能都有重要影响。要改善柴油机缸内燃烧，燃油喷射系统一方面要 有理想的喷射速率特性，另一方面要提高喷射压力。传统的喷射系统由于结构 和原理等限制，不能同时达到这两个要求，因此，柴油机电控喷射系统逐渐发 展起来。 在传统的喷射系统基础上首先发展起来的电控喷射系统是位置控制系统， 称之为第一代电控喷射系统，而基于电磁阀的时间控制系统则称为第二代电控 喷射系统。第三代电控系统高压共轨系统被世界内燃机行业公认为2 0 世纪 三大突破之一，将成为2 l 世纪柴油机燃油系统的主流。 1 0 第2 章电控柴油机标定流程 共轨式电控喷射系统改变了传统的柱塞泵脉动供油的原理，通过高压共轨 形式形成高压。采用压力时间式燃油计量原理，用电磁阀控制喷射过程，可以 实现对喷射油量和喷射定时的灵活控制。 德国b o s c h 公司、日本d e n s o 公司和英国l u c a s 公司都研制出了电控高压 共轨系统，并开始小批量向市场供货【3 h 3 1 。 2 1 2 高压共轨系统的基本特点 高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，并 消除燃油中的压力波动，然后再输送给每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁 阀实现喷射的开始和终止。其主要特点可以概括如下【3 4 - 3 5 】： 共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构；而且共轨 腔内是持续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。 通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状况以及经济性 和排放性的要求对共轨腔内的油压进行灵活调节，尤其优化了发动机的低 速性能。 通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时，喷射油量以及喷射速率，还可以灵 活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。 2 1 3 高压共轨电控喷射系统的基本组成 高压共轨系统由五个部分组成，即高压油泵、共轨腔及高压油管、喷油器、 电控单元、各类传感器和执行器。供油泵从油箱将燃油泵入高压油泵的进油口， 由发动机驱动的高压油泵将燃油增压后送入共轨腔内，再由电磁阀控制各缸喷 油器在相应时刻喷油。 图2 2 高压共轨系统的组成 第2 章电控柴油机标定流程 2 1 4 电控喷射系统 预喷射在主喷射之前，将小部分燃油喷入气缸，在缸内发生预混合或者部 分燃烧，缩短主喷射的着火延迟期。这样缸