CN100526838C - 内燃机道路载荷数据测量的映射合成法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃机道路载荷数据测量的映射合成法。它包括如下步骤：1)通过车载试验来测量各种路况下，内燃机的进气压力p_in、 进气温度T_in、排气压力p_ex、排气温度T_ex、循环喷油量g_e、内燃机主功率输出端的瞬态转速ω_o和前端的瞬态转速ω_f并按时间序列记录；2)对内燃机进行台架试验；在各种工况条件下，包括稳态和不同时间尺度的瞬态，除p_in、T_in、p_ex、T_ex、g_e、ω_o、ω_f以外，同输出转矩T_L、缸内压力p_z以及零部件的温度和振动状况，按时间序列格式进行保存；3)通过车载测量参数序列在台架试验所构成的函数映射关系中进行映射，将转矩等载荷数据合成出来。本发明用于研究内燃机及其受力零部件的载荷谱，是一适应性好且成本较低的测量方法。

Description

内燃机道路载荷数据测量的映射合成法

技术领域

本发明涉及一种内燃机道路载荷数据测量的映射合成法。可有效应用与以内燃机为动力的移动设备(如汽车、轮船等)。

背景技术

构件的疲劳破坏是其发生失效的一种主要形式。从各种统计资料归纳来看，其比例约为80％～95％左右。疲劳破坏是一个很复杂的问题，影响疲劳强度的因素众多，而且大多数的影响因素目前还无法给出严格的物理机理解释，从数学上也难以给出较周密的定量描述，但人们在实践中不断总结发现，历史载荷数据(载荷谱)对构件的耐久性有显著的影响。在产品设计以及使用中，为保证设备具有足够的可靠性，对载荷谱的研究是必不可少的。可以认为载荷谱的测录、统计和应用是工程中解决疲劳可靠性问题的基石。

与一般道路载荷数据试验有所不同，内燃机曲轴、连杆及活塞等零部件在工作时的受力状态无法直接测量，一般用到的是间接测量辅助多体动力学分析的方法，通过可直测的内燃机的运行参数对其受力状况进行反推，最终得到一个虚拟或半虚拟的载荷谱。在这类试验中，需要专门组建数据采集和测录系统，然而该方法需要对汽车的传动系统进行相当程度的改造，成本较高，长时间测录时其测量系统本身的可靠性也较难保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种内燃机道路载荷数据测量的映射合成法。

它包括如下步骤：

1)通过车载试验来测量各种路况下，内燃机的进气压力p_in、进气温度T_in、排气压力p_ex、排气温度T_ex、循环喷油量g_e、内燃机主功率输出端的瞬态转速ω_o和前端的瞬态转速ω_f并按时间序列记录；

2)对车载测试所用设备的内燃机或磨损程度相近的另一台内燃机进行台架试验；在各种工况条件下，包括稳态和不同时间尺度的瞬态，内燃机的进气压力p_in、进气温度T_in、排气压力p_ex、排气温度T_ex、循环喷油量g_e、内燃机主功率输出端的瞬态转速ω_o和前端的瞬态转速ω_f，同时测量测功机的转矩T_L、缸内燃烧压力p_z以及缸头、排气管高温部件易疲劳部位的温度和振动状况，将台架测试数据按与车载测试数据相同的时间序列格式进行保存；

3)将车载测定的参数空间序列在台架试验所构成的函数映射关系中进行映射合成，将转矩、缸内压力、缸头、排气管高温部件易疲劳部位的温度和振动状况数据合成出来。

所述的合成方法为：台架试验构成了测量参数之间的函数映射关系，在误差范围内，该函数关系对于车载测试的组合参数时序同样成立，故通过将车载参数序列在台架参数映射空间中的映射重构，将T_L以及缸内压力、缸头、排气管高温部件易疲劳部位的温度和振动状况的路试评估数据合成出来，映射过程采用数值方法，通过在多维空间内应用数值方法寻找参数的最短欧氏距离来实现：

${\left({\hat{T}}_L\right)}_{\mathrm{ob}}={\left(T_L\right)}_{\mathrm{bed}}{|}_{\min =\left(\left|\right|{(p_{\mathrm{in}},T_{\mathrm{in}},p_{\mathrm{ex}},T_{\mathrm{ex}},g_e,{\mathrm{\ω}}_o,{\mathrm{\ω}}_f)}_{\mathrm{ob}}-{(p_{\mathrm{in}},T_{\mathrm{in}},p_{\mathrm{ex}},T_{\mathrm{ex}},g_e,{\mathrm{\ω}}_o,{\mathrm{\ω}}_f)}_{\mathrm{bed}}\left|\right|\right)}$

以上各式中，下标ob表示车载测录结果，下标bed为台架试验结果。

本发明采用较小的代价，研究内燃机及其受力零部件(特别是缸内受力零部件)的载荷谱。基本思路是通过车载试验和台架试验之间的映射关系对发动机输出转矩和缸内压力进行重建，利用了曲轴轴系动力学系统所需要的参数：及发动机缸内压力、瞬态转速和输出负载转矩三者之间的时变相关性。是一种间接的但是适应性更好且成本较低的测量方法。

附图说明

图1是内燃机道路载荷数据测量的映射合成法流程图；

图2是本发明的车载测试系统框图；

图3是本发明的台架试验系统框图。

具体实施方式

本发明在总线数据之外，附加测量轴系瞬态转速，此处称其为负载参数。车载试验后，将记录的数据进行统计，提取典型的工况点在同型号发动机的动力总成台架试验上进行“播放”，或直接进行全工况播放，将各个工况下的转矩在台架上直接测出来。播放之后，发动机的负载—时间历程就可以根据播放过程中所得到的“工况—载荷”映射数据对应再现出来。再结合多体分析与结构有限元计算结果，则疲劳分析所需要的应力—时间历程数据即可以合成得到，试验基本流程如图1所示。相对而言，“测录—播放—映射—合成”法是一种间接的方法，

但成本较低，基本不需对汽车进行改造，容易操作，可靠性高，便于进行大范围的道路载荷数据调查。本发明解决该问题所采用的技术方案是：

一、车载试验系统的硬件构成

如图2，车载测试数据包括常规的比较容易测量的发动机运行参数，包括内燃机的进气压力p_in、进气温度T_in、排气压力p_ex、排气温度T_ex、循环喷油量g_e等，另外还需测量内燃机主功率输出端的瞬态转速ω_o和前端(风扇及辅助装置端)的瞬态转速ω_f并按时间序列记录。

二、台架试验系统的构成

如图3，台架测试数据除了测量的发动机运行参数，包括内燃机的进气压力p_in、进气温度T_in、排气压力p_ex、排气温度T_ex、循环喷油量g_e等，另外还需测量发动机主功率输出端的瞬态转速ω_o和前端(风扇及辅助装置端)的瞬态转速ω_f之外，还测量了发动机输出转矩、缸内压力(输出转矩和缸内压力主要作为发动机内部主要受力零部件，如曲轴、连杆等合成载荷谱的边界条件)以及根据需求的其它参数，如直接对排气管易损部位进行温度和振动的测量等。台架试验数据也按时间序列记录。

三、试验方法流程

1、车载(移动)测试；利用具有移动存储功能的数据采集设备，获取设备在实际工作条件下，反映内燃机工作负荷状况的参数，其中有：内燃机的进气压力p_in、进气温度T_in、排气压力p_ex、排气温度T_ex、循环喷油量g_e、内燃机主功率输出端的瞬态转速ω_o和前端(风扇及辅助装置端)的瞬态转速ω_f。各个参数按时间同步记录，保存成时间序列的形式，数据采集系统由运转周期的起始点触发开始进入测录运行状态，运转周期结束时，结束数据的测录并将数据下载到计算机上。视具体情况，可进行多个运转周期的测录以全面的获取设备的典型工况。车载测试数据可形成车载组合参数时序：

{(p_in，T_in，p_ex，T_ex，g_e，ω_o，ω_f)_ob}_(t)        (1)

2、台架测试；将车载测试所用设备的发动机(或磨损程度相近的另一台内燃动机)安装到内燃机实验室中进行台架试验。将车载测试数据进行统计分析获取典型工况，在各种典型工况条件下(包括稳态和不同时间尺度的瞬态)内燃机的进气压力p_in、进气温度T_in、排气压力p_ex、排气温度T_ex、循环喷油量g_e、内燃机主功率输出端的瞬态转速ω_o和前端(风扇及辅助装置端)的瞬态转速ω_f，同时测量测功机的转矩T_L(有效输出转矩)、缸内燃烧压力p_z以及根据不同需要而测量的参数(如缸头、排气管等高温部件易疲劳部位的温度和振动状况等)，将台架测试数据按与车载测试数据相同的时间序列格式进行保存。台架测试可构成映射空间(以转矩为例)：

{(p_in，T_in，p_ex，T_ex，g_e，ω_o，ω_f，T_L)_bed}       (2)

3、映射合成；台架试验构成了函数映射关系(2)，在较小的误差范围内，该函数关系对于车载测试的组合参数时序(1)同样成立，故通过将参数序列(1)在映射空间(2)中的映射重构，即可将T_L(或其它车载测试不方便测量的参数，如缸内压力、缸头、排气管等高温部件易疲劳部位的温度和振动状况等)的路试评估数据合成出来：

${\left({\hat{T}}_L\right)}_{\mathrm{ob}}={\left(T_L\right)}_{\mathrm{bed}}{|}_{\min =\left(\left|\right|{(p_{\mathrm{in}},T_{\mathrm{in}},p_{\mathrm{ex}},T_{\mathrm{ex}},g_e,{\mathrm{\ω}}_o,{\mathrm{\ω}}_f)}_{\mathrm{ob}}-{(p_{\mathrm{in}},T_{\mathrm{in}},p_{\mathrm{ex}},T_{\mathrm{ex}},g_e,{\mathrm{\ω}}_o,{\mathrm{\ω}}_f)}_{\mathrm{bed}}\left|\right|\right)}---\left(3\right)$

以上各式中，下标ob表示车载测录结果，下标bed为台架试验结果。

Claims (1)

1、一种内燃机道路载荷数据测量的映射合成法，其特征在于，它包括如下步骤：

1)通过车载试验来测量各种路况下，测量内燃机的进气压力p_in、进气温度T_in、排气压力p_ex、排气温度T_ex、循环喷油量g_e、内燃机主功率输出端的瞬态转速ω_o和前端的瞬态转速ω_f并按时间序列记录；

2)对车载测试所用设备的内燃机或磨损程度相近的另一台内燃机进行台架试验；在各种工况条件下，包括稳态和不同时间尺度的瞬态，内燃机的进气压力p_in、进气温度T_in、排气压力p_ex、排气温度T_ex、循环喷油量g_e、内燃机主功率输出端的瞬态转速ω_o和前端的瞬态转速ω_f，同时测量测功机的转矩T_L、缸内燃烧压力p_z以及缸头、排气管高温部件易疲劳部位的温度和振动状况，将台架测试数据按与车载测试数据相同的时间序列格式进行保存；

3)将车载测定的参数空间序列在台架试验所构成的函数映射关系中进行映射合成，将转矩、缸内压力、缸头、排气管高温部件易疲劳部位的温度和振动状况数据合成出来，所述的函数映射关系，在误差范围内，该函数关系对于车载测试的组合参数时序同样成立，故通过将车载参数序列在台架参数映射空间中的映射重构，将T_L以及缸内压力、缸头、排气管高温部件易疲劳部位的温度和振动状况的路试评估数据合成出来，映射过程采用数值方法，通过在多维空间内应用数值方法寻找参数的最短欧氏距离来实现：

${\left({\hat{T}}_L\right)}_{\mathrm{ob}}={\left(T_L\right)}_{\mathrm{bed}}{|}_{\min =\left(\left|\right|{(p_{\mathrm{in}},T_{\mathrm{in}},p_{\mathrm{ex}},T_{\mathrm{ex}},g_e,{\mathrm{\ω}}_o,{\mathrm{\ω}}_f)}_{\mathrm{ob}}-{(p_{\mathrm{in}},T_{\mathrm{in}},p_{\mathrm{ex}},T_{\mathrm{ex}},g_e,{\mathrm{\ω}}_o,{\mathrm{\ω}}_f)}_{\mathrm{bed}}\left|\right|\right)}$

以上各式中，下标ob表示车载测录结果，下标bed为台架试验结果。

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