CN113984395A - 双vgt二级可调增压柴油机变海拔模拟试验系统及方法 - Google Patents

双vgt二级可调增压柴油机变海拔模拟试验系统及方法 Download PDF

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张众杰
刘瑞林
周广猛
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刘伍权
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Abstract

本发明公开了一种双VGT二级增压柴油机变海拔模拟试验系统及试验方法。本发明双VGT二级可调增压柴油机变海拔模拟试验系统包括环境压力模拟系统、发动机测功系统、燃烧分析系统、标定系统、高压级VGT即HVGT、低压级VGT即LVGT、柴油机控制单元ECU、增压器控制单元TCU，ECU实时控制喷油量、喷油提前角和共轨压力，TCU控制高、低压级VGT叶片开度。本发明方法在变海拔、变工况条件下，基于神经网络和遗传算法耦合优化得到的喷油参数和增压控制参数最优MAP，设计8因素3水平的正交试验，进行二级增压与喷油参数变海拔协同标定试验。实现了0m‑5500m柴油机“油‑气‑室”优化匹配，极大提升了柴油机变海拔、变工况动力性和经济性。

Description

双VGT二级可调增压柴油机变海拔模拟试验系统及方法
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，特别是涉及一种双VGT二级增压柴油机变海拔模拟试验系统及试验方法。
背景技术
车辆在高原公路(如青藏线、川藏线和滇藏线等)行驶时，具有海拔高、落差大、坡陡、长坡多、工况复杂的特点，进气充量减少致使柴油机燃烧恶化，功率、燃油消耗率、热负荷等各项技术性能劣化明显。为优化变海拔、变工况柴油机缸内燃烧过程，需对不同海拔柴油机二级增压与喷油参数协同标定，随着柴油机控制参数、开发任务以及对高原环境条件下柴油机标定需求的不断增加，高原模拟台架标定工作量呈指数增加。
发明内容
针对现有二级可调增压柴油机高原模拟标定试验工作量大的技术缺陷，本发明提供一种双VGT二级增压柴油机变海拔模拟试验系统及试验方法，设计一种基于仿真优化的正交试验方法，根据海拔和工况变化，协同标定柴油机二级增压控制参数和喷油参数，在0m-5500m海拔范围内，极大提升柴油机动力性和经济性。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种双VGT二级可调增压柴油机变海拔模拟试验系统，该系统包括环境压力模拟系统、发动机测功系统、燃烧分析系统、标定系统、高压级VGT即HVGT、低压级VGT即LVGT、柴油机控制单元ECU、增压器控制单元TCU组成；环境模拟系统包括制冷机组、排气稳压箱、环境控制系统，环境控制系统通过信号线控制制冷机组、排气稳压箱和进气节流阀，实现发动机高原环境压力和温度的模拟；发动机测功系统包括测功机、油耗仪、压力和温度传感器，测功系统下位机通过信号线与油耗仪、压力传感器和温度传感器相连，通过实时采集测量发动机转速、转矩、小时耗油量和油门开度信号并计算在上位机实时显示记录发动机功率、燃油消耗率、增压压力、涡前温度数据；燃烧分析系统通过采集缸内压力，实时计算并记录燃烧温度、燃烧放热率燃烧数据；标定系统通过采集海拔、柴油机工况、柴油机功率及高、低压级VGT叶片开度信号，经过标定系统内部逻辑算法，以全负荷工况柴油机动力最优，部分负荷工况燃油经济性最优，自动寻优得到不同海拔和柴油机工况下增压压力、高、低压级VGT叶片开度、喷油量、喷油提前角和共轨压力；随着大气环境的压力和温度、柴油机工况的转速和负荷)变化，根据反馈的柴油机性能和增压压力的数值，ECU实时控制喷油量、喷油提前角和共轨压力，TCU控制高、低压级VGT叶片开度。
一种双VGT二级可调增压柴油机变海拔试验标定方法，在变海拔、变工况条件下，基于神经网络和遗传算法(ANN-GA)耦合优化得到的喷油参数(喷油量、喷油提前角和共轨压力)和增压控制参数(HVGT、LVGT叶片开度和增压压力)最优MAP，充分考虑参数之间耦合作用对柴油机性能的影响程度，设计8因素3水平的正交试验，进行二级增压与喷油参数变海拔协同标定试验，基于标定得到不同海拔(0m-5500m)高、低压级VGT叶片开度、增压压力、喷油量、喷油提前角和共轨压力MAP，优化二级增压柴油机变海拔缸内燃烧过程，极大提升柴油机不同海拔动力性和经济性。
双VGT二级可调增压控制系统的工作流程如下：
(1)采集和处理发动机控制系统和燃烧分析系统的传感器信号，包括传感器的模拟信号和数字信号；
(2)根据柴油机工况，按照控制策略，ECU根据压力传感器反馈信号，读取增压压力脉谱MAP，当实际增压压力升高，判断HVGT是否全开，若未全开，增加HVGT开度，若全开，判断LVGT是否全开，未全开，增加LVGT开度，若全开，执行结束；当实际增压压力降低，判断HVGT是否最小开度，若不是，继续关小HVGT开度，若是，判断LVGT是否最小开度，若不是，继续关小LVGT开度，若是，执行结束；
(3)上位机经RS232串口与下位机进行通信；
(4)二级增压系统TCU具备CAN通信功能，能够与柴油机控制单元ECU进行通讯，实现信号的传输和共享；
(5)根据增压系统运行情况，及时启动故障诊断程序，并将故障信号传输到上位机。
所述标定方法分为全负荷和部分负荷工况；在满足涡轮转速、排温、最高燃烧压力满足限制条件情况下，全负荷工况标定以柴油机转矩最大为目标，部分负荷工况以柴油机燃油消耗率最小为目标；通过测功机和油门开度实时调节柴油机运行工况，待进排气模拟压力和柴油机工况稳定后，记录试验数据：大气压力和温度、低压级压气机进口压力和温度、低压级中冷前压力和温度、高压级压气机进口压力和温度、高压级中冷前压力和温度、高压级中冷后压力和温度、高压级涡前压力和温度、低压级涡前压力和温度、低压级涡轮后压力和温度、高\低压级涡轮转速、燃油消耗量、柴油机转矩、柴油机转速、机油温度和机油压力，对柴油机进行不同海拔进行标定试验。
与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：
双VGT二级可调增压柴油机变海拔标定试验方法能够基于ANN-GA模型优化得到的喷油参数和二级增压控制参数最优MAP，充分考虑参数耦合作用对柴油机性能的影响程度，设计8因素3水平的正交试验，完成了二级增压与喷油参数变海拔协同试验标定，实现了0m-5500m柴油机“油-气-室”优化匹配，极大提升了柴油机变海拔、变工况动力性和经济性。试验结果表明：在海拔5500m全负荷工况下，与单级增压柴油机相比，双VGT二级可调增压柴油机最大转矩提升了37％，低速转矩提升了162％，标定点功率提升了29.7％，最低燃油消耗率降低了16.4％。
附图说明
图1所示为本发明的变海拔双VGT二级可调增压柴油机变海拔模拟试验系统；
图2所示为本发明的双VGT二级可调增压控制系统流程图；
图3所示为本发明的变海拔环境下双VGT二级可调增压柴油机性能试验流程图；
图4是为本发明的变海拔双VGT二级可调增压系统控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明变海拔双VGT二级可调增压柴油机变海拔模拟试验系统由双VGT二级可调增压器及其控制系统、环境模拟系统、发动机测功系统、燃烧分析系统、标定系统组成；环境模拟系统包括制冷机组、排气稳压箱、环境控制系统，环境控制系统通过信号线控制制冷机组、排气稳压箱和进气节流阀，实现发动机高原环境压力和温度的模拟；发动机测功系统包括测功机、油耗仪、压力和温度传感器，测功系统下位机通过信号线与油耗仪、压力传感器和温度传感器相连，该发动机测功系统通过实时采集测量发动机转速、转矩、小时耗油量和油门开度等信号，并计算在上位机实时显示记录发动机功率、燃油消耗率、增压压力、涡前温度等数据；燃烧分析系统通过采集缸内压力，实时计算并记录燃烧温度、燃烧放热率燃烧数据；标定系统通过采集海拔、柴油机工况、柴油机功率及VGT叶片开度信号，经过标定系统内部逻辑算法，以全负荷工况柴油机动力最优，部分负荷工况燃油经济性最优，自动寻优得到不同海拔和柴油机工况下增压压力、高、低压级VGT叶片开度、喷油量、喷油提前角和共轨压力。随着大气环境(压力、温度)、柴油机工况(转速、负荷)变化，根据反馈的柴油机性能和增压压力的数值，ECU实时控制喷油量、喷油提前角和共轨压力，TCU控制高、低压级VGT叶片开度。
如图2所示，本发明双VGT二级可调增压控制系统流程图，双VGT二级可调增压控制系统的工作流程包括：
(1)对采集和处理系统传感器信号，包括传感器的模拟信号和数字信号。
(2)根据柴油机工况，按照控制策略(如图2所示)，将控制信号发送至电控执行器。
(3)上位机与RS232串口进行通信。
(4)二级增压系统TCU具备CAN通信功能，能够与ECU进行通讯，实现信号的传输和共享。
(5)具有故障诊断与保护功能，能够根据增压系统运行情况，及时启动故障诊断程序，并将故障信号传输到上位机。
如表1-表3所示，本发明0m-5500m海拔因素水平表，针对标定海拔：0m、2500m、3500m、4500m和5500m。标定试验分为全负荷和部分负荷工况。在满足涡轮转速、排温、最高燃烧压力等满足限制条件情况下，全负荷工况标定以柴油机转矩最大为目标，部分负荷工况以柴油机燃油消耗率最小为目标。即：
全负荷工况：Ttq→max (1)
部分负荷工况：be→min (2)
表1 0m海拔下计算所用的因素水平表
Figure BDA0003345640690000071
表2 3500m海拔下计算所用的因素水平表
Figure BDA0003345640690000081
表3 5500m海拔下计算所用的因素水平表
Figure BDA0003345640690000091
通过测功机和油门开度实时调节柴油机运行工况，待进排气模拟压力和柴油机工况稳定后，记录试验数据(大气压力和温度、低压级压气机进口压力和温度、低压级中冷前压力和温度、高压级压气机进口压力和温度、高压级中冷前压力和温度、高压级中冷后压力和温度、高压级涡前压力和温度、低压级涡前压力和温度、低压级涡轮后压力和温度、高\低压级涡轮转速、燃油消耗量、柴油机转矩、柴油机转速、机油温度和机油压力)。对柴油机进行不同海拔(0m、2500m、3500m、4500m和5500m)标定试验。
在全负荷工况中，选取1000r/min、1500r/min和2100r/min三个典型工况进行标定试验，分别代表发动机低速工况、最大转矩工况和标定功率工况。利用正交试验设计方法确定增压控制参数和喷油参数最佳的匹配策略，为实现变海拔柴油机功率恢复的目标提供参考。试验研究选择HVGT叶片开度、LVGT叶片开度、喷油量、共轨压力和喷油提前角5个因素作为影响因子，同时考虑HVGT叶片和LVGT叶片、HVGT叶片和喷油量、HVGT叶片和喷油提前角3对组合相互作用，每对相互作用看作一个新的影响因素。同时基于单因素仿真计算结果和二级可调增压系统特性试验经验确定各因素的水平，每个因素的水平数取3个，不同海拔和工况下计算因素水平表见表1-表3所示。其中，HVGT叶片和LVGT叶片开度取值范围为0.2-1.0；喷油量取值范围为110mg/cyc-180mg/cyc；喷油提前角取值范围为-2--18°CA；共轨压力取值范围80MPa-140MPa。
如表4所示，本发明计算所用的正交表，在因素和水平数确定好之后，本发明采用正交表L27(313)，构造好的完整正交表如表4所示。其中F1代表HVGT，F2代表LVGT，F12代表HVGT和LVGT的交互作用，F3代表喷油量，F13代表HVGT和喷油量的交互作用，F4代表喷油提前角，F14代表HVGT和喷油提前角的交互作用，F5代表共轨压力。利用正交表6-6安排试验，进行27组柴油机功率、转矩和BSFC标定试验。
表4计算所用的正交表
Figure BDA0003345640690000111
Figure BDA0003345640690000121
如图3所示，变海拔环境下双VGT二级可调增压柴油机性能试验流程图。基于标定完成的不同海拔柴油机二级增压与喷油控制参数MAP，进行0m-5500m五个海拔下柴油机缸内燃烧过程和外特性性能试验。在800r/min-1500r/min范围内，每隔200r/min选择一个工况点，1500r/min-2100r/min范围内，每隔300r/min选择一个工况点。选取发动机转速分别为800r/min、1000r/min、1200r/min、1400r/min、1500r/min、1800r/min、2000r/min和2100r/min。当记录完试验数据后，调整进排气压力至平原环境，并确认台架工作正常，停机并检查台架状况，分析试验记录数据。
如图4所示为变海拔双VGT二级可调增压系统控制流程图，ECU根据压力传感器反馈信号，读取增压压力MAP，当实际增压压力升高，判断HVGT是否全开，若未全开，增加HVGT开度，若全开，判断LVGT是否全开，未全开，增加LVGT开度，若全开，执行结束；当实际增压压力降低，判断HVGT是否最小开度，若不是，继续关小HVGT开度，若是，判断LVGT是否最小开度，若不是，继续关小LVGT开度，若是，执行结束。

Claims (4)

1.一种双VGT二级可调增压柴油机变海拔模拟试验系统，其特征在于：该系统包括环境压力模拟系统、发动机测功系统、燃烧分析系统、标定系统、高压级VGT即HVGT、低压级VGT即LVGT、柴油机控制单元ECU、增压器控制单元TCU；环境模拟系统包括制冷机组、排气稳压箱、环境控制系统，环境控制系统通过信号线控制制冷机组、排气稳压箱和进气节流阀，实现发动机高原环境压力和温度的模拟；发动机测功系统包括测功机、油耗仪、压力和温度传感器，测功系统下位机通过信号线与油耗仪、压力传感器和温度传感器相连，通过实时采集测量发动机转速、转矩、小时耗油量和油门开度信号并计算在上位机实时显示记录发动机功率、燃油消耗率、增压压力、涡前温度数据；燃烧分析系统通过采集缸内压力，实时计算并记录燃烧温度、燃烧放热率燃烧数据；标定系统通过采集海拔、柴油机工况、柴油机功率及高、低压级VGT叶片开度信号，经过标定系统内部逻辑算法，以全负荷工况柴油机动力最优，部分负荷工况燃油经济性最优，自动寻优得到不同海拔和柴油机工况下增压压力、高、低压级VGT叶片开度、喷油量、喷油提前角和共轨压力；随着大气环境的压力和温度、柴油机工况的转速和负荷变化，根据反馈的柴油机性能和增压压力的数值，ECU实时控制喷油量、喷油提前角和共轨压力，TCU控制高、低压级VGT叶片开度。
2.一种双VGT二级可调增压柴油机变海拔试验标定方法，其特征是，在变海拔、变工况条件下，基于神经网络和遗传算法ANN-GA耦合优化得到的喷油参数和增压控制参数最优脉谱，所述喷油参数为喷油量、喷油提前角和共轨压力，所述增压控制参数为HVGT、LVGT叶片开度和增压压力；充分考虑参数之间耦合作用对柴油机性能的影响程度，设计8因素3水平的正交试验，进行二级增压与喷油参数变海拔协同标定试验，基于标定得到不同海拔高度、低压级VGT叶片开度、增压压力、喷油量、喷油提前角和共轨压力MAP，优化二级增压柴油机变海拔缸内燃烧过程。
3.根据权利要求2所述的双VGT二级可调增压柴油机变海拔试验标定方法，其特征是，双VGT二级可调增压控制系统的工作流程如下：
(1)采集和处理发动机控制系统和燃烧分析系统的传感器信号，包括传感器的模拟信号和数字信号；
(2)根据柴油机工况，按照控制策略，ECU根据压力传感器反馈信号，读取增压压力脉谱MAP，当实际增压压力升高，判断HVGT是否全开，若未全开，增加HVGT开度，若全开，判断LVGT是否全开，未全开，增加LVGT开度，若全开，执行结束；当实际增压压力降低，判断HVGT是否最小开度，若不是，继续关小HVGT开度，若是，判断LVGT是否最小开度，若不是，继续关小LVGT开度，若是，执行结束；
(3)上位机经RS232串口与下位机进行通信；
(4)二级增压系统TCU具备CAN通信功能，能够与柴油机控制单元ECU进行通讯，实现信号的传输和共享；
(5)根据增压系统运行情况，及时启动故障诊断程序，并将故障信号传输到上位机。
4.根据权利要求2所述的双VGT二级可调增压柴油机变海拔试验标定方法，其特征是，所述标定方法分为全负荷和部分负荷工况；在满足涡轮转速、排温、最高燃烧压力满足限制条件情况下，全负荷工况标定以柴油机转矩最大为目标，部分负荷工况以柴油机燃油消耗率最小为目标；通过测功机和油门开度实时调节柴油机运行工况，待进排气模拟压力和柴油机工况稳定后，记录试验数据：大气压力和温度、低压级压气机进口压力和温度、低压级中冷前压力和温度、高压级压气机进口压力和温度、高压级中冷前压力和温度、高压级中冷后压力和温度、高压级涡前压力和温度、低压级涡前压力和温度、低压级涡轮后压力和温度、高\低压级涡轮转速、燃油消耗量、柴油机转矩、柴油机转速、机油温度和机油压力，对柴油机进行不同海拔进行标定试验。
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