基于模型的高压共轨柴油机高海拔标定

周广猛，刘瑞林，孙文龙，马文彬，张文建

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161；2.军事交通学院 基础部，天津 300161)



● 车辆工程Vehicle Engineering

基于模型的高压共轨柴油机高海拔标定

周广猛1，刘瑞林1，孙文龙1，马文彬2，张文建1

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161；2.军事交通学院 基础部，天津 300161)

为了解决高压共轨柴油机高海拔标定问题，采用基于模型的虚拟标定技术，建立了高压共轨柴油机基于模型的高海拔标定系统。在该标定系统的基础上，完成了试验设计、虚拟试验、模型构建、数据优化和脉谱生成等过程，获得了高压共轨柴油机循环喷油量、共轨压力和喷油定时的大气压力修正脉谱。基于模型的标定技术的应用，减少了高压共轨柴油机高海拔标定的工作量，缩短了开发周期，降低了开发成本。

高压共轨柴油机；高海拔；基于模型的标定

我国拥有世界上最为典型的高原地域，世界上海拔2 000 m以上的地域占全球陆地总面积的13.2%，而相应地域占我国陆地总面积的33%[1]，特殊的高原环境造成柴油机高原动力性等综合性能下降。为满足动力装备高原运行的需要，必须对其进行高原标定。随着发动机电子控制技术的广泛应用[2]，发动机标定工作量成指数地增加[3]，传统的标定方法已无法满足标定的要求，而基于模型的标定技术正是解决该问题的一种有效手段[4]。

早在20世纪70年代，标定工程师即为了提高标定结果的品质，在早期手工标定的基础上，运用数学过程取代以往的试验和直觉，通过对试验数据回归分析和建立回归模型，从中观察试验数据的变化趋势。这种把试验数据拟合建模并在模型基础上进行参数优化的方法即为基于模型的标定。基于模型的发动机标定技术，是指通过建立发动机物理模型或利用发动机试验数据建立喷油提前角、轨压等输入参数和功率、燃油消耗率等输出响应参数之间的模型，进而利用模型获得发动机最优控制参数的一种技术。目前，先进的虚拟设计/优化用于气门参数优化[5]、控制系统开发[6]、虚拟试验[7]等，并开始应用到电控系统标定[8-10]中，基于模型的标定技术也成为高压共轨柴油机高海拔标定的一种重要方法。该方法虽无法替代台架模拟试验标定或高原实地标定，但能够为高原标定提供基础脉谱，有利于减少标定工作量，降低试验成本，缩短开发周期。

1　基于模型的高海拔标定流程

基于模型的高海拔标定流程如图1所示。首先，建立高压共轨柴油机高原工作过程模型，并进一步完成基于模型的高海拔标定系统设计。基于该系统，依据试验设计结果，完成虚拟试验，采集得到试验设计点上的发动机性能数据；根据这些数据，构建循环喷油量等发动机输入控制参数和转矩等输出响应参数间的模型；基于该模型，完成数据优化，得到不同工况下的发动机最佳控制参数；利用这些最佳控制参数，插值得到循环喷油量、喷油定时和共轨压力的大气压力修正脉谱。

图1　基于模型的高海拔标定流程

2　基于模型的高海拔标定系统建立

2.1仿真模型的建立与验证

试验发动机为某直列6缸、增压中冷高压共轨柴油机，其主要技术参数见表1。利用一维仿真软件GT-Power建立该高压共轨柴油机的仿真模型。燃烧模型采用准三维喷雾模型——DIJet模型，传热模型采用Woschni模型，摩擦损失压力模型采用Chen-Flynn模型，压气机和涡轮机的特性数据按照实际脉谱输入。GT-Power增压器模型中没有机械式废气旁通阀模块，可通过增加新的PID模块和传感器模块实现，而放气阀的开启过程则通过设置PID控制参数来实现。

利用内燃机高原环境模拟试验台[11]得到3 000 m模拟海拔柴油机高原性能数据，利用该数据对仿真模型进行校正。图2为等油量全负荷工况下，柴油机转矩、功率和燃油消耗率的试验值和仿真值的对比图。由该图可见，该模型计算结果和试验结果基本相符，不同工况下的误差不超过5%，满足柴油机高原性能预测的要求。

表1　柴油机主要技术参数

图2　不同工况柴油机仿真值和试验值对比

2.2基于模型的高海拔标定系统设计

基于建立的高压共轨柴油机工作过程模型，利用Matlab/Simulink仿真软件、GUI界面开发工具、Model-based calibration toolbox设计基于模型的高海拔标定系统。该虚拟标定系统的主要功能是把标定参数及模型控制参数经通信端口输入到高压共轨柴油机工作过程模型进行运算，并进一步把仿真计算结果输出到Simulink中进行数据处理和保存。此外，该系统具有虚拟ECU计算、仿真计算结果超限报警、试验设计等功能，基于该系统能够开展基于模型的高海拔标定。

3　基于模型的高海拔标定

由于全负荷标定和部分负荷标定的优化目标、试验设计因子等不同，需要按照相似的标定流程分别完成标定。本文主要以全负荷标定为例，完成高压共轨柴油机基于模型的高海拔虚拟标定。

3.1试验设计与虚拟试验

3.1.1试验设计

试验设计是减少发动机标定工作量的有效方法之一，有利于用更少的试验点获得更多的试验信息[12]。在试验设计过程中，需要根据试验的需求确定试验设计因子、水平和方法。

(1)试验设计因子。高原全负荷标定的试验设计因子主要包括海拔高度、转速、循环喷油量、喷油定时和共轨压力。

(2)试验设计水平。海拔高度确定为0～5 000 m，每隔1 000 m确定一个水平，共6个水平；转速确定为从怠速到额定转速共13个水平；共轨压力、喷油定时、循环喷油量根据以往同型机标定数据进行设置，转速不同范围不同，转速越高，其范围越大。

(3)试验设计方法。主要包括古典试验设计、空间填充试验设计和最优试验设计等不同方法，方法不同其适用性不同，在标定过程中，需要根据对标定发动机响应的了解程度以及标定试验所能承受的试验强度等多种因素来考虑[4]。本试验设计方法采用空间填充设计，该方法适用于发动机控制参数对响应的影响了解较少或者根本不了解的场合，能够对输入参数在试验空间上按不同规则进行分配，使所分配的试验点之间的距离尽可能均匀分布于输入参数确定的超立方空间[5]。该设计适用于径向基函数模型[13]。在研究过程中，进一步选用了分层拉丁超立方体方法进行空间填充试验设计。

3.1.2虚拟试验

在高海拔下，低转速和高转速区性能下降严重[14]，是标定的重点。为防止样本数据过少，导致模型预测不准，在低转速和高转速区增加了部分试验点，包括全负荷工况83个试验点、部分负荷工况138个试验点，共计221个试验点。图3为全负荷工况试验设计结果。基于该结果，利用设计的高海拔虚拟标定系统，进行虚拟试验，得到不同工况和喷油控制参数下柴油机的性能数据。

图3　全负荷工况试验设计结果

3.2模型构建

高压共轨柴油机全负荷工况下的模型构建，主要是建立该工况下柴油机输入控制参数和输出响应参数之间的映射关系，有如图4所示的一阶模型和图5所示的二阶模型两种形式。

图4　全负荷工况一阶响应模型示意

图5　全负荷工况二阶响应模型示意

一阶模型是指输入参数对输出参数的影响程度被视为相同，可以用同一类型的函数“一视同仁”地表达输入与输出的关系。显然一阶模型不能反映柴油机试验因子固有的分层关系和柴油机试验的阶段性特点，特别是喷油定时对柴油机性能的影响很大，因此，喷油定时应该成为一个独立的模型变量，在最终建立的模型中显著表示[12]。图5所示的二阶模型可以体现柴油机标定试验分阶段重复试验的特点，能够简单直观地反映出不同试验阶段的柴油机特性。同时，二阶模型也便于调整和修改，可以根据不同的试验数据选择合适的拟合模型，因此，本文采用二阶模型进行建模，喷油定时定为局部变量。

建立的二阶响应模型的自变量只有喷油定时，因此局部模型的建模就是建立喷油定时和转矩、燃油消耗率等输出参数的数学关系。根据内燃机原理和试验经验可知，喷油定时和性能参数之间呈二次曲线的变化规律，故选择二阶多项式回归模型建立局部模型。模型中的回归系数在不同工况下是不相同的，需要建立全局变量和局部模型回归系数间的映射函数，即把局部模型映射到全局变量中。常见的全局模型主要包括多项式模型和神经网络模型两类，由于全局变量和回归系数是多维非线性映射关系，同时多项式模型对噪声数据也过于敏感，难以满足全局模型建模的需要，而人工神经网络的非线性映射功能强大，而且具有学习和记忆功能，故选择径向基函数神经网络模型作为全局模型。

利用虚拟试验得到的试验数据完成局部模型的构建和全局模型的训练，构建该高压共轨柴油机性能预测二阶响应模型，得到该高压共轨柴油机不同海拔、工况和喷油参数下对应的转矩、燃油消耗率等性能数据。响应模型的输入变量多，本文只给出了图6所示的其他参数固定的情况下该高压共轨柴油机部分参数(转矩、涡前排温和最高燃烧压力)随转速和喷油提前角的变化关系。

(a)转矩

(b)涡前排温

(c)最高燃烧压力图6　全负荷工况二阶响应模型预测结果

3.3数据优化与生成脉谱

数据优化是对输入输出响应参数进行优化从而得到不同工况下的最佳控制参数的过程。全负荷优化以动力性最优为优化目标，以最高燃烧压力(≤16 MPa)、涡前排温(≤710 ℃)和增压器转速(≤1.2×106r/min)为约束限制条件。部分负荷优化以燃油经济性最优为优化目标，在部分负荷工况下，发动机涡前排温、最高燃烧压力和增压器转速难以超过约束限制条件，在标定过程中不予考虑。文中优化问题属于单目标、多变量、多约束非线性优化问题，为了加快开发速度，直接利用Matlab软件中的CAGE优化工具箱中的foptcon函数完成数据优化，得到不同工况的最佳喷油控制参数，并进一步通过这些离散的数据利用双调和曲面插值法得到图7所示的循环喷油量、喷油定时和共轨压力的大气压力修正脉谱。其中，高海拔实际循环喷油量和喷油定时的大气压力修正脉谱是其平原脉谱数值与图7(a)和7(b)中脉谱修正值相减而得；实际共轨压力的大气压力修正脉谱是平原脉谱数值与图7(c)中脉谱修正值相加而得。该共轨柴油机的控制是基于油量的控制，喷油定时和共轨压力的高海拔修正是通过不同工况下高原油量的变化来实现的。

(a)循环喷油量修正脉谱

(b)喷油定时修正脉谱

(c)共轨压力修正脉谱图7　大气压力修正脉谱

4　结　语

针对高压共轨柴油机高海拔标定问题，采用基于模型的虚拟标定手段，建立了高压共轨柴油机基于模型的高海拔标定系统，通过试验设计、模型构建、数据优化和脉谱生成等关键步骤，标定获得了该高压共轨柴油机循环喷油量、喷油提前角和共轨压力的大气压力修正脉谱。标定得到的脉谱能够为高海拔模拟标定或高原实地标定提供参考，有利于提高标定效率，减少标定工作量。

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(编辑：关立哲)

Model-based Calibration of High Pressure Common Rail Diesel Engine at High Altitude

ZHOU Guangmeng1,LIU Ruilin1,SUN Wenlong1,MA Wenbin2,ZHANG Wenjian1

(1.Military Vehicle Department,Military Transportation University,Tianjin 300161,China; 2.General Courses Department,Military Transportation University,Tianjin 300161,China)

To solve the calibration problem of high pressure common rail diesel engine at high altitude,the paper establishes model-based calibration system with virtual calibration technology.With this system,the experiment design,virtual experiment,model construction,data optimization and map generation were conducted,and the injection quantity,common rail pressure and injection timing pressure corrected maps were acquired.The application of model-based calibration technology decreased the workload of high pressure common rail diesel engine high altitude calibration,shortened the development period,and reduced the development cost.

high pressure common rail diesel engine; high altitude; model-based calibration

2015-10-05；

2015-10-20.

国防预研资助项目(40407030103).

周广猛(1984—)，男，博士，讲师.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.01.011

TK421

A

1674-2192(2016)01- 0043- 05