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[发动机] 高效的发动机标定优化方法研究(一)

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发表于 2016-2-10 05:33:12 | 显示全部楼层 |阅读模式

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高效的发动机标定优化方法研究(一)

高效的发动机标定优化方法研究(一)

        为应对市场与日俱增的对性能、油耗和排放的需求,发动机的设计正变得越来越复杂。本文采用了一种先进的标定优化方法,以最大限度地挖掘发动机的潜能,尽量减少由于发动机复杂性的增加所带来的试验工作量的增加。同时,该方法能够建立起精确的可重复利用的发动机性能模型。在一汽V12自然吸气可变进气相位汽油机上,采用此标定优化方法与传统的标定流程相比,输出扭矩得到进一步的改善。
        简介
        为了满足客户和法规的要求,现代发动机采用了越来越多的新技术,如双凸轮独立可变进气相位(DIVCP)、进气增压、汽油直喷、可变气门升程和发动机停缸技术等。然而,这些新技术的出现极大地增加了发动机可标定参数的数量,而且除了增加变量以外,控制参数之间的耦合特性使得传统逐点扫描的标定方法走到了尽头。对汽车生产厂来讲赢得市场的关键在于缩短开发时间、降低开发费用、提高开发质量,因此需要探索新的标定方法以满足要求。
       

高效的发动机标定优化方法研究(一)

高效的发动机标定优化方法研究(一)

        为了研究新的标定过程,以确定其实际应用的复杂性和可行性,一汽集团公司(以下简称“一汽”)技术中心与MathWorks公司合作开展相关研究以找到解决方案。研究过程在一汽为大红旗国宾车而全新自主开发的V12发动机上展开。为了加速发动机台架标定试验的进度,确保得到优化的标定结果,MathWorks公司的基于模型标定工具箱(Model-Based Calibration Toolbox)用于整个项目,以支持试验设计、统计建模和标定优化等标定工作。首先采用传统标定方法进行标定以建立参考基准,然后以其为目标来确认和判定新的基于模型标定过程的结果。采用这两个步骤来研究新的标定过程可行性,以及建立起相应的概念。
        一、传统的标定过程概述
        众所周知,在发动机标定过程中进气门开启时刻的优化在发动机标定过程中是一个主要任务之一。因为需要花费大量台架时间来调整气门正时、点火正时和空燃比,在扭矩和油耗之间进行寻优,同时也受爆震和排气温度的约束限制。传统标定过程通常在于优化发动机的控制脉谱,这些脉谱通常是发动机整个工作范围内转速和负荷的函数。例如,点火正时和进气凸轮相位脉谱通常划分为16×12个脉谱断点的数组。为了高精确度和可靠地标定这些脉谱,传统的标定过程通常要求采用全因子试验,例如对控制参数各种组合一组一组地进行扫描。假设在每个发动机转速和负荷工况点测量10个点火正时和10个进气相位开度角,要求总共进行19200(16×12×10×10)次发动机测量试验以优化单一可变进气凸轮相位发动机的基本性能。
       

高效的发动机标定优化方法研究(一)

高效的发动机标定优化方法研究(一)

        如果仅考虑完成一项带可变进气凸轮相位的发动机台架基本扭矩优化标定任务,外加空燃比的变化,在通常传统标定过程中,以全因子方法进行试验设计就有将近83710个测试点,如果每个测量点耗时2min,那么完成全部试验就需要进行2790h的测量,这种试验要求在日常的工作中是难于实现的。因此在V12发动机台架标定过程中采用了特殊的优化方法和软件,通过选择一些特征试验点和插值点来加速试验。结果选出了大约3 440个测量点,台架标定工作时间也因随之减到114.7h的合理范围内(如图1所示)。然而,随着今后更多控制功能的引入,这种优化标定过程将仍然面临着严峻的挑战,例如排气VCP、进气增压和连续可变进气门升程(CVIVL)等。因此需要探索一种可持续升级的、更有效的标定方法论。基于模型的标定(MBC)可看作是未来潜在的解决方案,因为它利用非线性统计模型工具辅助DoE设计和标定优化。
        二、项目目标和测量原则
        为了研究基于模型标定技术的优越性,一汽和MathWorks公司在V12发动机上展开合作。在项目开始阶段,首先忽略从传统标定过程中所预先得到的有关该发动机的一些知识,以确保对标定结果进行客观的评价。研究过程的设计遵照该方法的正常开发过程,即使一些边界值在先前的试验中已经得到了,还是假设面对着全新的发动机。与传统标定方法相比,要求V12发动机性能的研究结果,诸如最大扭矩、最大功率和比油耗接近于传统标定方法的性能结果。考虑到两个过程之间的测量和控制的不确定性,传统和基于模型的性能结果之间允许有5%的误差。为了得到好的比较基准,所有两种方法的验证比较试验应该在同一天、同一发动机、同一台车、同一测量设备和相同的试验工程师基础上进行。考虑到各试验之间的不稳定性,要求三次原始标定试验和三次MBC标定试验衔接着进行。
       

高效的发动机标定优化方法研究(一)

高效的发动机标定优化方法研究(一)

        标定方法概况
        图2展示了一个基于模型的发动机标定优化过程。该标定过程的第一步是利用空间填充法进行试验设计(DoE)确定一套发动机测试点,用来勾画发动机性能;第二步是按照DoE试验计划在V12发动机台架上收集相应的发动机响应数据;第三步是利用台架上收集的数据结果进行统计建模;第四步是对上一步所开发的发动机统计模型进行数学优化,以产生优化的发动机控制脉谱,例如以发动机转速和负荷为函数的点火提前角、进气凸轮相位和空燃比等;最后一步是优化结果验证,如果存在缺陷,则进行模型的增强设计。
        试验设计(DoE)
        在标定项目的初始阶段,将试验设计划分为调查试验、扩充试验和验证步骤。
       

高效的发动机标定优化方法研究(一)

高效的发动机标定优化方法研究(一)

        一、因素范围确定
        如图3所示为测试发动机而选择的输入因素和测量响应。进气凸轮相位、点火提前角、发动机转速、发动机负荷和Lambda在测试发动机上是独立控制的。出于标定开发目的,输出扭矩、排气温度和实际相对负荷是发动机主要响应。
        下表列出了图3所示的输入因素及其工作范围。
        二、调查试验设计
        在对全新发动机不了解的情况下,为了确定发动机工作范围极限,需要生成一个调查试验设计。选择一种Sobol空间填充设计是因为从采用可变凸轮相位发动机所具有的经验已经知道,对于可接受的模型精度要求采用非线性统计模型类型, 也因为空间填充设计比传统DoE方法更有效。因为模型的非线性,所以不能采用最优设计的DoE方法。采用Sobol设计的DoE方法允许对原有设计进行扩展(增加采样点),而不重复生成已经采样的点。
       

高效的发动机标定优化方法研究(一)

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        如图4所示,以成对的视角来观看项目中所使用的初始60个点的调查DoE。其中的Sobol空间填充设计使采样点随机分布在发动机试验因素整个工作空间内,因此得到均衡的试验覆盖。
       

高效的发动机标定优化方法研究(一)

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        三、试验方法
        在图4的转速-负荷子图中,很显然设计的DoE采样点覆盖了整个笛卡尔(长方形)区域。尽管事实上由于发动机充气特性的物理限制(如节流损失或泵气损失),发动机不可能工作在笛卡尔空间的所有工况点上。此外,发动机排气温度的限制将影响空燃比的选择。通过下面的测试规则,在调查试验中确定发动机的这些工作约束:
        (1) 如果不能够达到所要求的负荷,用开启节流阀所能达到的最高负荷来代替;
        (2)如果对于给定的点火提前角造成排气温度过高,加浓空燃比以满足排气温度限制。调查试验中的空燃比初始目标是理论空燃比(λ=1)。
       

高效的发动机标定优化方法研究(一)

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        四、理论空燃比区域设计拓展
        在测功机上完成调查试验后,可运行的测试点结果被用来确定发动机的转速-负荷工作区域包络,以及确定基于排气温度限值的理论空燃比和加浓工作区域。发动机以理论空燃比运转所能达到的工作区域轮廓,以及转速-负荷工作区域包络限制如图5所示。其中左上角的子图表明,理论空燃比工作区域的上边界在3000r/min以上随着转速的提高而急剧下降,在发动机转速和负荷平面上形成了独特的形状。从以前的研究结果可知,需要在调查试验的理论空燃比区域添加额外的采样点来进行测量拓展,以对标定优化提供足够的模型精度。围绕着发动机转速和负荷区域的理论空燃比测试点创建一个边界数学模型来生成增强的DoE,用更多的测试点填充该区域。图5中阴影区域显示了边界模型的拓展情况。
       

高效的发动机标定优化方法研究(一)

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        图6显示了对理论空燃比区域进行40个额外采样点的拓展,添加到原始调查试验设计中,利用边界模型区域来限制拓展的范围。
        五、加浓区域设计拓展
        在调查试验中,当点火提前角按照上面测试方法所描述的试验规则变化时,需要调整空燃比进行加浓以满足排温控制的要求。作为上述加浓调整的结果,通过应用边界模型,利用从测功机返回的试验点确定发动机加浓区域,类似于在理论空然比区域所使用的方法。图7表明,在发动机高速/高负荷工作区域必须调整空燃比来限制发动机排温,该图所示为发动机工作在加浓温控区域的边界模型,其用于对图8所示加浓区域的41个增补DoE设计点拓展的约束。
        (未完待续)
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