CN115114785B - 一种发动机性能指标参数化快速预测方法 - Google Patents

一种发动机性能指标参数化快速预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发动机性能指标参数化快速预测方法，属于发动机技术领域，该方法包括以下步骤：建立发动机性能指标与发动机技术参数之间的拟合函数；将发动机的技术参数数值输入至拟合函数，获得发动机性能指标；拟合函数的基本形式为：其中，Fun代表发动机的一项设定的性能指标，init是一个拟合常数，m代表选定的技术参数的总数量，n代表每个技术参数拟合项中的总项数，j为第j个技术参数，Pj代表第j个技术参数的取值，i代表每项技术参数拟合项中的第i项，Ai，j为第j个技术参数拟合项中的第i个常数项，Bi，j为第j个技术参数拟合项中的第i个指数项。该方法能够快速且准确地预测发动机性能指标的优劣。

Description

一种发动机性能指标参数化快速预测方法
技术领域
本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种发动机性能指标参数化快速预测的方法。
背景技术
增程型插电混合动力车的电动机直接驱动车轮，发动机则用来驱动发电机给电池进行充电，因为发动机并不直接驱动车轮，因此也不需要变速箱，就相当于在普通的电动车上装上了一台汽油发动机(主要应用在普通乘用车上)或柴油发动机(主要用在重载车辆上)。在发动机的概念设计阶段，通过仿真软件建立发动机物理模型并进行仿真计算，存在基本信息量需求大、建立模型的时间成本高，且需要在专用的商用软件上进行，这对相关工程人员的要求也较高(比如需要对商用的仿真软件非常熟悉)，同时，建立的物理模型经常发生计算不收敛等问题，这导致工程师们难以快速且准确地获知一套技术参数方案下的发动机性能指标优劣，并将其作为原型发动机的建立基础，这使后期发动机的优化设计过程也难以继续进行。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种发动机性能指标参数化快速预测方法，该方法通过建立发动机性能指标和与其性能指标密切相关的主要技术参数之间的拟合函数，只需将发动机相关的主要技术参数输入拟合函数，就能够快速准确地预测发动机性能指标的优劣，进而为原型发动机的建立和后期的优化设计工作奠定良好的基础。
本发明采用以下技术方案：
一种发动机性能指标参数化快速预测方法，包括以下步骤：
建立发动机性能指标与发动机技术参数之间的拟合函数；
将发动机的技术参数数值输入至所述拟合函数，获得发动机性能指标；
所述拟合函数的基本形式为：
其中，Fun代表所述发动机的一项设定的性能指标；init是一个拟合常数；m代表选定的技术参数的总数量；n代表每个技术参数拟合项中的总项数；j为第j个技术参数；Pj代表第j个技术参数的取值；i代表每项技术参数拟合项中的第i项；Ai,j为第j个技术参数拟合项中的第i个常数项；Bi,j为第j个技术参数拟合项中的第i个指数项。
进一步地，所述发动机为柴油机；
所述性能指标为有效热效率或有效功率；
所述技术参数包括转速、喷油正时、空燃比、进气压力、缸径、冲程、压缩比、进气阀开启正时、排气阀开启正时、进气阀开启持续期延长角度、排气阀开启持续期延长角度；
所述拟合函数的具体形式为：
其中，Ai,1～Ai,11、Bi,1～Bi,11均为拟合系数；RPMS为标准化转速；INJTimeS为标准化喷油正时；AFRS为标准化空燃比；Intake_PS为标准化进气压力；BoreS为标准化缸径；StrokeS为标准化冲程；CRS为标准化压缩比；Intake_TiS为标准化进气阀开启正时；Exh_TiS为标准化排气阀开启正时；Intake_DWS为标准化进气阀开启持续期延长角度；Exh_DWS为标准化排气阀开启持续期延长角度。
进一步地，确定所述拟合函数中拟合系数与拟合常数的方式为：
建立柴油发动机的物理模型，获得不同技术参数数值下的柴油发动机有效热效率或有效功率的仿真数据；
以所述拟合函数在所述技术参数数值下的函数值与所述仿真数据之间的方差值最小为优化目标，确定所述拟合函数中的拟合系数与拟合常数。
进一步地，所述技术参数数值通过统计算法随机获得。
进一步地，利用遗传算法进行优化。
进一步地，所述拟合函数中的n值为3。
有益效果：
(1)本发明通过建立发动机的主要技术参数与其性能指标之间的拟合函数，进而只需将与发动机性能指标相关的主要技术参数输入拟合函数，就能够快速且准确地预测发动机性能指标的优劣，弥补了仿真软件需要的基本信息量大、建立仿真模型时间成本高等缺点，为原型发动机的建立和后期的优化设计工作奠定良好的基础。
(2)本发明通过遗传算法与反映发动机完整工作过程的物理模型确定拟合函数完整表达式，能够使确定出的拟合函数对发动机性能指标的预测结果与仿真软件仿真结果十分接近，进而，后期对不同参数组合情况下发动机的性能指标预测可以只使用该拟合函数而不再需要建立发动机的物理模型进行仿真实验，预测快速且准确。
(3)本发明在确定拟合函数完整表达式时，利用统计学获得不同的技术参数组合，保证了确定出的拟合函数能够对不同技术参数的发动机都有精准的性能指标预测结果。
(4)本发明在确定柴油机有效热效率、有效功率两个性能指标的拟合函数时，利用了与这两个性能指标密切相关的十一个技术参数，兼顾到了技术参数的数量与性能指标预测精度的关系。
(5)本发明选定的柴油机的拟合函数基本形式，形式简单，而且足以复现柴油机性能指标与其技术参数的关系。
(6)本发明确定的柴油机拟合函数中，将各技术参数都进行标准化，使得所有标准化后的技术参数变化范围在0～1之间，进而保证了各个拟合系数的值均在同一量级上，便于利用统计学以及优化算法选择最优的拟合函数；而且，标准化的技术参数计算公式涵盖了柴油机常见的各技术参数数值分布范围，使得能够利用该拟合函数对不同柴油机进行性能指标预测。
附图说明
图1为本发明实施例二与仿真模型在50组随机技术参数组合方案下的有效热效率计算结果对比示意图；
图2为本发明实施例二与仿真模型在50组随机技术参数组合方案下的有效功率计算结果对比示意图。
具体实施方式
以下结合附图并举实施例，对本发明详细说明。
实施例一：
本发明的核心思想在于：虽然发动机各技术参数对其性能指标(这里的性能指标指具体所研究的发动机的某一项性能指标)具有耦合影响，但其影响规律仍具有一定模式，在数值计算方法的协助下，利用大量实验数据和合理的控制函数框架可以拟合出一个包含有各种主要技术参数的用于发动机性能指标预测的拟合函数(在实际工程中，工程师往往只关注对所研究的性能指标具有较大影响的主要技术参数)。利用此拟合函数，即使在缺乏发动机完整参数信息的条件下，只需要输入包含这些主要技术参数数值的设计方案，便可以快速获知所研究的发动机性能指标指标的优劣，这为原型发动机的建立和后期的优化设计工作奠定良好的基础。
基于上述核心思想，本实施例提供了以下具体技术方案：
建立发动机性能指标与发动机技术参数之间的拟合函数；
将发动机技术参数数值输入至所述拟合函数，获得发动机性能指标。
具体地，可以先给定一种合适的拟合函数的基本形式，该基本形式中应当包含有与发动机性能指标密切相关的技术参数，比如可以选择如下的拟合函数基本形式：
其中，Fun代表所研究的发动机的某一项设定的性能指标；init是一个拟合常数；m代表选定的技术参数的总数量；n代表每个技术参数拟合项中的总项数；j表示第j个技术参数，j＝1,…，m；Pj代表第j个技术参数的取值；i代表每项技术参数拟合项中的第i项，i＝1,…，n；Ai,j为第j个技术参数拟合项中的第i个常数项；Bi,j为第j个技术参数拟合项中的第i个指数项。
同时，在商业软件中建立一个反映发动机完整工作过程的物理模型，并在大量的技术参数下进行仿真实验，获得不同技术参数数值下(不同的技术参数数值可以通过统计算法在软件中随机生成)的发动机性能指标仿真数据，最后将拟合函数在上述不同技术参数下的函数值与仿真数据之间方差最小作为优化目标，利用如遗传算法反复迭代计算，确定拟合函数中的最优的拟合常数与拟合系数(上述拟合函数中init是拟合常数，Ai,j与Bi,j是拟合系数)，从而获得最终的拟合函数完整表达式。
实施例二：
在上述实施例一的基础上，本实施例提供一种快速预测柴油机性能指标的方法。
柴油机的有效热效率与有效功率是柴油机的两个重要的性能指标，而柴油机的转速、喷油正时、空燃比、进气压力、缸径、冲程、压缩比、进气阀开启正时、排气阀开启正时、进气阀开启持续期延长角度、排气阀开启持续期延长角度等十一个技术参数与这两个性能指标指标又密切相关。在本实施例中，分别建立这两个性能指标与这十一个技术参数之间的如下具体拟合函数形式：
其中，Fun代表性能指标为有效热效率(单位为％)或有效功率(单位为kW)；Ai,1～Ai,11、Bi,1～Bi,11均为拟合系数，在有效热效率与有效功率的预测函数中分别根据拟合结果分别取值；RPMS为标准化转速，等于(RPM-700)/5300，RPM为实际转速，单位为r/min，700为柴油机常见的最低转速，5300为柴油机常见最高转速6000r/min与最低转速之差；INJTimeS为标准化喷油正时，等于[INJTime-(-30)]/40，INJTime为实际喷油正时，单位为°CA，-30为柴油机常见的最早喷油正时，40为柴油机常见的最晚喷油正时10°CA与最早喷油正时之差；AFRS为标准化空燃比，等于[AFR-22.88]/34.32，AFR为实际空燃比，无单位，22.88为柴油机常见的最浓空燃比，34.32为柴油机常见的最稀空燃比57.2与最浓空燃比之差；Intake_PS为标准化进气压力，单位为bar，0.7为柴油机常见的最低进气压力，3.8为柴油机常见的最高进气压力4.5与最低进气压力之差；BoreS为标准化缸径，等于[Bore-50]/100，Bore为实际缸径，单位为mm，50为现代柴油机常见的最小缸径，100为柴油机常见的最大缸径150与最小缸径之差；StrokeS为标准化冲程，等于[Stroke-50]/130，Stroke为实际冲程，单位为mm，50为现代柴油机常见的最小冲程，130为柴油机常见的最大冲程180与最小冲程之差。CRS为标准化压缩比，等于[CR-12]/12，CR为实际压缩比，无单位，12为现代柴油机常见的最小压缩比，12为柴油机常见的最大压缩比24与最小压缩比之差；Intake_TiS为标准化进气阀开启正时，等于[Intake_Ti-280]/80，Intake_Ti为实际进气阀开启正时，单位为°CA，280为柴油机常见的最早进气阀开启正时，80为柴油机常见的进气阀最晚开启正时360与最早正时之差；Exh_TiS为标准化排气阀开启正时，单位为°CA，A，100为柴油机常见的最早排气阀开启正时，80为柴油机常见的排气阀最晚开启正时180与最早正时之差；Intake_DWS为标准化进气阀开启持续期延长角度，等于[Intake_DW-0]/10，Intake_DW为实际进气阀开启持续期延长角度，单位为°CA，0为柴油机常见的最小开启延长角度，10为柴油机常见的最大开启延长角度10与最小开启延长角度之差；Exh_DWS为标准化排气阀开启持续期延长角度，等于[Exh_DW-0]/10，Exh_DW为实际排气阀开启持续期延长角度，单位为°CA，0为柴油机常见的最小开启延长角度，10为柴油机常见的最大开启延长角度10与最小开启延长角度之差。
在本实施例中，上述拟合函数的基本形式中的n取值为3。利用1000组通过统计算法随机组合的技术参数方案(每组技术参数方案都包含上述十一个技术参数的具体数值)，并通过在相关仿真软件中建立发动机完整工作过程的物理模型获得这1000组技术参数方案下的有效热效率与有效功率(为了提高效率，可以通过相关算法与仿真软件中的物理模型连接，从而通过算法自动改变物理模型在1000组技术方案下对应技术参数值的调整，当然理论上也可以人工手动调整)，最后以拟合函数在这1000组技术参数下的函数值与仿真实验数据方差最小为优化目标，利用遗传算法，确定拟合常数与拟合系数的最优取值，最终获得最优的拟合常数与拟合系数如下所示：
有效功率拟合函数中拟合常数与各拟合系数为：
A1，1＝5.15；A2，1＝5.95；A3，1＝5.90；A1，2＝-4.1；A2，2＝-5.95；A3，2＝-5.95；
A1，3＝-6；A2，3＝-5.95；A3，3＝-6；A1，4＝5.95；A2，4＝5.95；A3，4＝5.95；
A1，5＝-2.90；A2，5＝6；A3，5＝6；A1，6＝-1.0；A2，6＝5.85；A3，6＝5；
A1，7＝0.05；A2，7＝5.65；A3，7＝-2.60；A1，8＝5；A2，8＝-6；A3，8＝-5.8；
A1，9＝-6；A2，9＝-6；A3，9＝-6；A1，10＝5.95；A2，10＝0.35；A3，10＝5.8；
A1，11＝-5.95；A2，11＝-6.0；A3，11＝-6.0；
B1，2＝0.48；B2，1＝1；B3，1＝2；B1，2＝0.62；B2，2＝1.26；B3，2＝2.02；
B1，3＝0.58；B2，3＝1.0；B3，3＝2.06；B1，4＝0.86；B2，4＝1；B3，4＝2；
B1，5＝0；B2，5＝1.32；B3，5＝2.02；B1，6＝0.08；B2，6＝1.04；B3，6＝2；
B1，7＝1.0；B2，7＝1.02；B3，7＝2.78；B1，8＝0；B2，8＝1.58；B3，8＝2；
B1，9＝0.9；B2，9＝1；B3，9＝2；B1，10＝0.84；B2，10＝1.56；B3，10＝2；
B1，11＝0.62；B2，11＝1.16；B3，11＝2；
init＝72.50
有效热效率拟合函数中拟合常数与各拟合系数为：
A1，1＝-6；A2，1＝-6；A3，1＝-6；A1，2＝-3.55；A2，2＝0.35；A3，2＝5.15；
A1，3＝3.6；A2，3＝-2.8；A3，3＝0.4；A1，4＝5.15；A2，4＝-2.8；A3，4＝-1.2；
A1，5＝0.75；A2，5＝5.15；A3，5＝-2.85；A1，6＝-1.2；A2，6＝3.55；A3，6＝-2.85；A1，7＝5.3；A2，7＝1.6；A3，7＝3.55；A1，8＝3.55；A2，8＝-6；A3，8＝0.35；
A1，9＝0.75；A2，9＝-2.8；A3，9＝1.15；A1，10＝-2.4；A2，10＝-2.85；A3，10＝5.1；
A1，11＝-2.85；A2，11＝-1.2；A3，11＝-2.8；
B1，1＝1；B2，1＝1.62；B3，1＝2.94；B1，2＝0.7；B2，2＝1.0；B3，2＝2.0；
B1，3＝0.94；B2，3＝1.0；B3，3＝2.94；B1，4＝0.64；B2，4＝1.94；B3，4＝2.24；
B1，5＝0.94；B2，5＝1.62；B3，5＝2；B1，6＝0.02；B2，6＝1.94；B3，6＝2；
B1，7＝0.04；B2，7＝1.94；B3，7＝2.94；B1，8＝0.02；B2，8＝1；B3，8＝2.86；
B1，9＝0.02；B2，9＝1；B3，9＝2.62；B1，10＝0；B2，10＝1.98；B3，10＝2；
B1，11＝0.62；B2，11＝1.94；B3，11＝2.62；
init＝26.2
至此，分别确定了柴油机有效热效率与有效功率的一个拟合函数，为了检验拟合函数对柴油机性能指标预测的准确性，随机选择了50组技术参数组合方案，并在Matlab软件中构建了上述的柴油机有效热效率与有效功率的拟合函数，运行计算出50组技术参数组合方案对应的有效热效率与有效功率预测值，并将其与商业仿真计算软件GT－Power在这50组技术参数组合方案下计算出的相应结果进行对比，数据如附图1和2所示。
经过计算，有效热效率预测结果的平均相对误差为2.62％，有效功率预测结果的平均相对误差为3.75％，由数据可以看出通过该拟合函数获得的柴油机性能指标误差较低，进而说明上述拟合函数具有较高的可靠性。
值得注意的是，在上述获得拟合函数的过程中虽然构建了物理模型，且通过这个构建的物理模型能够获得不同技术参数下对应的发动机性能指标的优劣，但是如背景技术中提到的物理模型存在对相关工程人员的要求较高、经常发生计算不收敛等问题，因此借助物理模型获得一个相关工程人员或其它有需求的人可以直接简单使用并得到不同技术参数下发动机性能指标优劣的拟合函数是大有裨益的。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种发动机性能指标参数化快速预测方法，其特征在于：
建立发动机性能指标与发动机技术参数之间的拟合函数；
将发动机的技术参数数值输入至所述拟合函数，获得发动机性能指标；
所述拟合函数的基本形式为：
其中，代表所述发动机的一项设定的性能指标；/>是一个拟合常数；/>代表选定的技术参数的总数量；/>代表每个技术参数拟合项中的总项数；/>为第/>个技术参数；/>代表第/>个技术参数的取值；/>代表每项技术参数拟合项中的第/>项；
各技术参数均进行标准化，使所有标准化后的技术参数变化范围在0~1之间；
所述发动机为柴油机；
所述性能指标为有效热效率或有效功率；
所述技术参数包括转速、喷油正时、空燃比、进气压力、缸径、冲程、压缩比、进气阀开启正时、排气阀开启正时、进气阀开启持续期延长角度、排气阀开启持续期延长角度；
所述拟合函数的具体形式为：
其中，~/>、/>均为拟合系数；RPMS为标准化转速；INJTimeS为标准化喷油正时；AFRS为标准化空燃比；Intake_PS为标准化进气压力；BoreS为标准化缸径；StrokeS为标准化冲程；CRS为标准化压缩比； Intake_TiS为标准化进气阀开启正时；Exh_TiS为标准化排气阀开启正时；Intake_DWS为标准化进气阀开启持续期延长角度；Exh_DWS为标准化排气阀开启持续期延长角度。
2.如权利要求1所述的一种发动机性能指标参数化快速预测方法，其特征在于，确定所述拟合函数中拟合系数与拟合常数的方式为：
建立柴油发动机的物理模型，获得不同技术参数数值下的柴油发动机有效热效率或有效功率的仿真数据；
以所述拟合函数在所述技术参数数值下的函数值与所述仿真数据之间的方差值最小为优化目标，确定所述拟合函数中的拟合系数与拟合常数。
3.如权利要求2所述的一种发动机性能指标参数化快速预测方法，其特征在于，所述技术参数数值通过统计算法随机获得。
4.如权利要求3所述的一种发动机性能指标参数化快速预测方法，其特征在于，利用遗传算法进行优化。
5.如权利要求1至4任一项所述的一种发动机性能指标参数化快速预测方法，其特征在于，所述n值为3。
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