CN105302932A - 一种基于仿真的高压共轨柴油机高海拔标定方法 - Google Patents

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刘瑞林
周广猛
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一种基于仿真的高压共轨柴油机高海拔标定方法，包括如下步骤：①模型建立；②试验设计：将试验设计因子设为三层，第一层为海拔高度，第二层为包括转速和负荷的工况参数，第三层为喷油参数；③模型构建：将海拔高度单独提出，建立海拔、负荷不同层次，全局模型和局部模型结合的高压共轨柴油机高海拔响应模型；④数据优化：根据响应模型利用遗传算法数学方法优化得到不同海拔、不同工况下最佳喷油参数；⑤脉普生成：通过将由数据优化得到的不同工况下的最佳值采用插值的方法得到脉谱节点数据。该方法能够为高原实地标定提供基础脉谱，有利于减少标定工作量、缩短开发周期、降低开发成本，标定工作量和开发成本能够降低50％以上。

Description

一种基于仿真的高压共轨柴油机高海拔标定方法
技术领域
本发明属于发动机技术领域，涉及一种基于仿真的高压共轨柴油机高海拔标定方法。
背景技术
随着排放法规和燃油消耗标准的不断严格，以及对整车驾驶性和舒适性要求的不断提高，发动机电子控制技术不断应用，发动机控制参数不断增加，电控发动机标定工作量也成指数地增加。传统的标定手段和标定方法均无法满足标定要求。如采用全因子标定试验方法对一个采用最新技术的发动机进行标定，可能需要上百年的时间才能完成，传统的标定方法已不能胜任现代发动机的标定要求。对我国而言世界上海拔2000m以上的地域占全球陆地总面积的13.2％，而海拔2000m以上的地区，占我国陆地总面积的33％，同时还有大量的高寒和高温地区。特殊的“三高环境”对电控柴油机的高原标定提出了特殊要求，特别是表现在实地试验的试验成本高、试验周期长，试验难度大，严重制约着整机的开发进程，基于仿真的电控柴油机高海拔标定成为一种有效的标定手段，该标定方法能够为高原实地标定提供基础脉谱，有利于减少标定工作量、缩短开发周期、降低开发成本，但尚未有相关研究进行报道。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种基于仿真的高压共轨柴油机高海拔标定方法，该方法在电控柴油机高原工作过程模型的基础上，综合采用试验设计、模型构建、参数优化和脉谱生成的方法进行电控柴油机的高原环境标定。
如上构思，本发明的技术方案是：一种基于仿真的高压共轨柴油机高海拔标定方法，其特征在于：包括如下步骤：
①模型建立：利用发动机性能仿真软件仿真建立发动机高原工作过程模型，该模型作为基于仿真的标定的基础，充当“虚拟发动机”；
②试验设计：将试验设计因子设为三层，第一层为海拔高度，第二层为包括转速和负荷的工况参数，第三层为喷油参数，包括循环喷油量、共轨压力和喷油定时；
③模型构建：将海拔高度单独提出，建立海拔、负荷不同层次，全局模型和局部模型结合的高压共轨柴油机高海拔响应模型，即采用多层次多阶模型构建方法，将喷油定时作为局部变量，构建局部模型；以转速、共轨压力和循环喷油量为全局变量，建立全局模型，并且将全负荷和部分负荷建立不同的模型单独进行优化；
④数据优化：根据步骤③建立的不同海拔和工况下的高压共轨柴油机高海拔输入输出响应模型利用遗传算法数学方法优化得到不同海拔、不同工况下最佳喷油参数；
⑤脉普生成：通过将由数据优化得到的不同工况下的最佳值采用插值的方法得到脉谱节点数据。
上述步骤②第一层海拔高度选定为3km、4km、4.5km和5.5km作为标定海拔。
上述步骤②第二层转速体现在标定转速和最大转矩转速、排放控制转速和低转速，负荷直接可以分为全负荷和部分负荷两种工况。
上述步骤②第三层喷油参数直接利用传统的空间填充试验设计进行。
本发明该基于仿真的高压共轨柴油机高海拔标定方法能够减少标定工作量，将原本需要在高原实地或高原模拟试验台架上进行的试验利用仿真模型进行，并提供了柴油机高原工作过程模型建立、试验设计、模型构建、参数优化和脉谱生成在内的一整套标定方法。试验设计由传统的采用同一种的试验设计方法变成根据试验设计因子的不同进行的分层试验设计方法。模型构建由传统的构建单级模型或二级模型变成建立海拔、负荷等不同层次，全局模型和局部模型结合的高压共轨柴油机高海拔响应模型。为提高高压共轨柴油机高海拔下的瞬态性能，在脉谱生成考虑了对脉谱梯度的控制。本发明能够为高原实地标定提供基础脉谱，有利于减少标定工作量、缩短开发周期、降低开发成本，标定工作量和开发成本能够降低50％以上。
附图说明：
图1是本发明的工作流程图；
图2是分层试验设计示意图；
图3是模型构建示意图；
图4是脉普生成示意图。
具体实施方式：
如图所示：一种基于仿真的高压共轨柴油机高海拔标定方法，包括发动机高原工作过程模型建立、试验设计、模型构建、参数优化和脉谱生成五个步骤。具体步骤如下：
(1)发动机高原工作过程模型建立，利用发动机性能仿真软件仿真建立发动机高原工作过程模型，该模型作为基于仿真的标定的基础，充当“虚拟发动机”。
(2)试验设计
试验设计技术是减少电控发动机标定工作量的有效技术之一，可以用更少的试验点获得更多的试验信息。古典设计方法、空间填充设计方法、最优设计方法等都是试验设计常用的方法，以上三种方法又有各自的不同分类，如古典试验设计方法包括中心复合试验设计、Box-Behnken试验设计方法等。但上述试验设计方法均将试验设计因子一视同仁地视为同一水平，均匀地去进行试验设计，但在高原环境标定中，涉及的可变参数多，包括环境参数(大气压力)、工况参数(转速和负荷)、喷油参数，不同试验设计因子对结果的影响不同。
根据不同因子的特点及对响应等的影响不同，将试验设计因子设为三层，如附图2所示。第一层为海拔高度，第二层为工况参数(包括转速和负荷)，第三层为喷油参数，包括循环喷油量、共轨压力和喷油定时。由于在3km以下海拔范围内柴油机高海拔性能受到影响较小，故高压共轨柴油机高海拔标定，主要考虑3km以上海拔和车用柴油机运行的极限海拔(5500m)之间，按照常用道路分布情况，主要选定3km、4km、4.5km和5.5km作为标定海拔，这一层次试验设计采用分区域的人工因子设计。
第二层工况参数，主要包括转速和负荷。其中转速包括不同转速范围，转速并不能平均设计试验参数主要体现在：标定转速和最大转矩转速、排放控制转速、低转速等转速在试验过程更为关注，需要着重考虑。负荷直接可以分为全负荷和部分负荷两种工况，全负荷工况直接根据转速确定。部分负荷工况可以根据负荷的大小，进行试验设计。第三层为喷油参数，包括循环喷油量、共轨压力和喷油定时，可以直接利用传统的空间填充试验设计进行。在标定过程中，由传统的采用同一种的试验设计方法变成根据试验设计因子的不同所进行的分层试验设计方法，这也是高压共轨柴油机高海拔标定方法上的创新。
(3)模型构建
根据试验设计结果，利用高压共轨柴油机高海拔工作过程仿真模型进行试验，得到在喷油提前角等不同输入参数下发动机转矩等输出响应参数，并利用上述试验数据，建立发动机输入参数和输出响应参数之间的响应模型，用于不同工况下发动机最佳喷油参数优化。
在模型建立过程中，根据输入参数对输出响应参数的影响不同，以及优化参数的优化目标不同，按照附图3所示的多层次多阶模型构建方法。由于喷油定时对柴油机性能具有明显的二次曲线的关系，将喷油定时作为局部变量，构建局部模型；与此相对应，以转速、共轨压力和循环喷油量为全局变量，建立全局模型。然而由于高压共轨柴油机高海拔全负荷工况以动力性为优化目标，部分负荷工况以燃油经济性为优化目标，建立不同的模型单独进行优化。同时在标定过程中标定海拔有限，然而在高压共轨柴油机高海拔标定修正脉谱的标定过程中，又是极为重要的基准，又考虑到如果将海拔作为独立的一个变量进行建模的话，由于海拔的变量相对较少，会对模型的精度造成影响，故将海拔这一因素单独提出，建立海拔、负荷等不同层次，全局模型和局部模型结合的高压共轨柴油机高海拔响应模型。
(4)数据优化
根据建立的不同海拔和工况下的高压共轨柴油机高海拔输入输出响应模型利用遗传算法等数学方法优化得到不同海拔、不同工况下最佳喷油参数，如附图4中的A、B、C和D点。
(5)脉谱生成
附图4给出了脉谱生成的示意，通过将由数据优化得到的不同工况下的最佳值(如图中数据A、B、C、D点)，采用插值的方法得到附图4所示的脉谱节点数据(如图中的1-10点)。由于在加速等瞬态过程中，柴油机根据脉谱值查表得到不同工况下的喷油参数最佳值，在过渡工况下，如果最佳值的变化过大，将导致发动机工作不稳定，瞬态性能降低，而脉谱的变化梯度对喷油参数的变化幅度具有直接影响，在脉谱生成过程中引入脉谱梯度控制约束函数，通过对脉谱梯度进行控制，在脉谱插值过程中，调整得到的脉谱最大梯度，从而实现对脉谱梯度的控制。

Claims (4)

1.一种基于仿真的高压共轨柴油机高海拔标定方法，其特征在于：包括如下步骤：
①模型建立：利用发动机性能仿真软件仿真建立发动机高原工作过程模型，该模型作为基于仿真的标定的基础，充当“虚拟发动机”；
②试验设计：将试验设计因子设为三层，第一层为海拔高度，第二层为包括转速和负荷的工况参数，第三层为喷油参数，包括循环喷油量、共轨压力和喷油定时；
③模型构建：将海拔高度单独提出，建立海拔、负荷不同层次，全局模型和局部模型结合的高压共轨柴油机高海拔响应模型，即采用多层次多阶模型构建方法，将喷油定时作为局部变量，构建局部模型；以转速、共轨压力和循环喷油量为全局变量，建立全局模型，并且将全负荷和部分负荷建立不同的模型单独进行优化；
④数据优化：根据步骤③建立的不同海拔和工况下的高压共轨柴油机高海拔输入输出响应模型利用遗传算法数学方法优化得到不同海拔、不同工况下最佳喷油参数；
⑤脉普生成：通过将由数据优化得到的不同工况下的最佳值采用插值的方法得到脉谱节点数据。
2.根据权利要求1所述的基于仿真的高压共轨柴油机高海拔标定方法，其特征在于：上述步骤②第一层海拔高度选定为3km、4km、4.5km和5.5km作为标定海拔。
3.根据权利要求1所述的基于仿真的高压共轨柴油机高海拔标定方法，其特征在于：上述步骤②第二层转速体现在标定转速和最大转矩转速、排放控制转速和低转速，负荷直接可以分为全负荷和部分负荷两种工况。
4.根据权利要求1所述的基于仿真的高压共轨柴油机高海拔标定方法，其特征在于：上述步骤②第三层喷油参数直接利用传统的空间填充试验设计进行。
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