电控柴油发动机标定的探讨与研究

1、武汉科技大学本科毕业论文题目：柴油发动机标定的探讨与研究摘 要随着对排放法规的不断严格，柴油发动机引入电控系统之后，其工况愈加复杂，为了使柴油发动机达到规定的要求以及更好地使电控系统与发动机相匹配，我们必须对柴油发动机进行优化标定。本文介绍了电控柴油发动机标定技术以及标定系统的发展，并以YC4112电控柴油发动机为案例，采用计算机辅助方法，对电控柴油发动机的优化标定进行了探讨与研究，主要优化标定的有燃烧室喷油优化标定、排放优化标定、全工况特性标定以及全负荷特性标定。本文着重分析了有效燃油消耗率及主要排放污染物(NOx、烟度等)的排放量随油束分布特征的变化趋势,并找出了一组满足欧排放法规且使油耗

2、率达最低水平的供油提前角，为该类型柴油机的性能分析提供了参考。本文介绍了YC4112型电控柴油机标定系统设计,提出了优化标定方法。选用合适的标定系统,运用优化标定方法优化标定电控柴油机,在满足排放法规和发动机设计指标的前提下,实现圆滑丰满的扭矩特性和最佳经济性。关键词： 电控柴油发动机； 标定； 性能优化Abstract with the strict regulations on emissions of diesel engine electronic control system was introduced, the working condition of increasingly

3、complex, in order to make diesel engines meet the requirements and make better matching with the engine electronic control system, we must optimize the diesel engine calibration. This paper introduces the electronic control diesel engine calibration technology and the development of the calibration

4、system, and with the examples of YC4112 electronic control diesel engine using computer aided method, the optimization of electronic control diesel engine calibration are discussed in this paper and the research, main optimized calibration of combustor fuel injection optimization, emission optimizat

5、ion calibration, all condition characteristics and the characteristics of full load calibration. This paper analyzes the effective fuel consumption rate and main pollutants emissions (NOx and smoke, etc.) along with the oil change trend of beam distribution characteristics, and find out a set of mee

6、t the emission regulations and fuel consumption rate was the lowest level of fuel delivery advance Angle, provides some reference for the analysis of the type of diesel engine performance. YC4112 type electronic control diesel engine calibration system are introduced in this design, the optimization

7、 method is proposed. Choose appropriate calibration system, using the optimization method to optimize calibration electronic control diesel engine, to meet emission regulations and engine under the premise of design index, achieve smooth full torque characteristics and the best efficiency. Key words

8、： Electronic controlled diesel； Calibration； Performance optimization目 录 绪论61柴油发动机标定技术及工作内容81.1试验设计技术81.2试验数据建模技术81.3参数优化技术91.4MAP优化技术91.5柴油发动机标定的具体工作内容91.5.1发动机台架标定试验101.5.2发动机整车标定试验102发动机标定系统122.1电控发动机标定系统的组成122.2电控发动机标定系统的功能132.3国内外电控发动机标定技术的发展现状143电控柴油机标定试验准备193.1标定系统选择193.2优化标定方法203.2.1局部优化与整体优

9、化203.2.2优化方法选择223.3标定试验的分析方法244YC4112电控柴油发动机标定试验254.1燃烧室内喷雾油线优化标定254.1.1理论基础254.1.2实机试验254.1.3结论284.2排放优化标定294.3全工况特性优化标定304.3.1供油量Map的确定304.3.2供油提前角Map的确定314.4全负荷特性优化标定325总结与展望345.1全文工作总结345.2工作展望34致谢35参考文献36绪论随着柴油机排放法规的要求越来越严格，人们对车辆驾驶性和舒适性的要求也在不断增加，柴油机行业面临着一些严重的挑战。而柴油机电控技术的应用成为了解决问题的有效手段，然而在柴油机采用电

10、控技术之后，在电控软硬件不变的情况下，柴油机的性能在很大程度上取决于它的标定结果。为了使柴油机获得它的最佳性能，我们必须对柴油机性能参数进行精确的优化标定。发动机乃至整个车辆的工作过程都是非常复杂的动态、非线性、具有相应滞后的混合时变系统，它们的性能都依赖于大量的机械动力学和热力学参数，很难用准确的数学模型精确地表达出来。发动机电控系统的控制参数对发动机的性能影响较大。为使发动机达到最佳的综合性能，必须对电控系统的控制参数进行精确的标定，使发动机按照最优的控制参数运行。标定是指根据整车的各种性能要求，如动力性、经济性、排放及辅助功能等，来调整、优化和确定整车上各电子设备控制单元（ECU）的运行

11、及控制参数的控制算法。标定系统则是根据匹配标定需求实时的将电子控制单元工作状态参数通过通信接口传送给操作人员作为判别电控装置运行性能的依据，将操作人员设置的控制参数传送到电子控制单元中1。发动机标定技术的发展是与电控技术的进步相关的。在上世纪七十年代末期，就已经开始研究发动机性能达到综合最佳的优化策略和方法了。八十年代以后，进一步明确了发动机控制参数标定工作的内容，提供了标定工作所需要的集成开发环境。进入九十年代，随着发动机电控技术的成熟，发动机标定技术也得以得到更加细致深入的研究。电控发动机的标定，是指根据电控发动机的各种性能参数要求，比如动力性、经济性、排放性等，来调整、优化和确定电控系统

12、软件的运行参数、控制参数和各种控制数学模型的整个过程。发动机标定过程包括了发动机台架、整车转鼓、“三高”（高温、高寒、高原）试验和实际道路的实验验证过程，其中有大约30%-50%的标定工作需要在台架上完成，50%-70%的标定工作需要在整车上完成。这些标定工作对发动机的性能有十分重要的影响。在采用电控技术之后，发动机的性能在很大程度上取决于控制参数的标定结果。随着排放法和燃油消耗标准的要求不断严格，以及人们对车辆舒适性、驾驶平顺性要求的不断提高，推动了发动机电子控制技术的不断发展，从而促进了发动机控制参数的不断增加，也因此，发动机标定的工作量成指数增加，传统的标定系统和标定优化方法可能已经无法

13、满足标定要求。为了更有效地进行标定试验，标定系统开发技术需要不断的发展。标定是一项十分复杂的工作，一方面，发动机的性能表现在多方面，诸如动力性、燃油经济性和排放性能进行控制参数的标定必须对各种性能指标的影响进行综合考虑；另一方面，发动机的各个控制参数之间也存在着相互影响，将各个控制参数单独地进行选择并不十分科学。因此，功能完善且灵活方便的标定系统是汽车电子产品高效开发的关键因素与支撑技术之一。标定系统是标定试验得以进行的前提和基础，其中融合了先进试验设计技术的自动标定系统能够显著减少标定的工作量，提高标定的效率；而基于模型的标定技术和基于实验设计的标定技术的运用为发动机标定试验的发展提供了优良

14、的途径。本文对先进标定系统开发技术进行了论述，上述的技术的运用目前已成为提高标定效率，减少标定工作量的有效途径。目前，国外的标定系统较国内的先进很多，这也是目前国产汽车大多采用国外发动机品牌的原因。我国的汽车工业较国外比较落后，但是在“九五”期间，汽车电子控制技术的国家科技攻关项目为发动机标定技术打下了良好的基础，近年来，一些高校和研究所开发的标定系统开始崭露头角，推进了我国电控发动机产业化进程。在92年的国外文献中首先引入了局部优化和全局优化的概念，标定开发技术有了显著的进步2。目前，国内对柴油机优化标定研究发展相对缓慢，对于优化标定的研究主要集中在标定技术中的个别技术方面。如北京理工大学开

15、展的二元回归建模以及控制参数的遗传算法优化研究。现在国内尚未形成比较完整的柴油机优化标定理论体系，这极大地制约了国内电控柴油机的发展。因此，对于电控柴油机的优化标定研究显得很迫切，这也是我写这篇文章的原因。发动机标定项有很多，包括了稳态测功标定、功率标定、冷机暖机燃油消耗标定、排放标定、高原标定、怠速标定等等。本文对柴油机标定的典型标定项进行了探讨与研究，对全局优化和局部优化进行了探讨与研究，并选取YC4112电控柴油机为案例分析。1 柴油发动机标定技术及工作内容目前，国内对柴油机优化标定研究发展相对缓慢，对于优化标定的研究主要集中在标定技术中的个别技术方面。如北京理工大学开展的二元回归建模以

16、及控制参数的遗传算法优化研究。现在国内尚未形成比较完整的柴油机优化标定理论体系，这极大地制约了国内电控柴油机的发展。因此，对于电控柴油机的优化标定研究显得很迫切。目前，按照优化标定过程的不同，优化标定技术可以分为试验设计技术、数据建模技术、参数优化技术和 MAP 优化技术四个方面，在电控柴油机的标定中均得到不同程度的发展3。1.1 试验设计技术试验设计方法于20世纪60年代由费雪在农业试验时最早提出，日本的质量管理专家田口玄一又将其应用于工业化过程优化，使得此方法得以普及和发展。传统的试验设计技术主要应用于对发动机稳定工况的标定。现如今发动机稳定工况的标定仍然可以采用传统的试验设计技术。这一技

17、术已经应用于发动机标定有十余年了，是一种可靠稳定的标定方法。试验设计是对试验方案进行优化设计，以降低试验误差及生产费用，是减少试验工作量并对实验结果进行分析的一种方法。后来。随着电控单元的控制参数的增加，适当地选择实验设计是现代企业采取的普遍做法。采用自编设计程序、建模算法和优化程序等来进行合理计算，在尽可能较少试验样本的情况下，完成对柴油机标定的优化。试验设计技术的应用，除了能够大幅度地减少样本容量，节约经费和时间之外，它还能够保证能够达到常规标定的理想结果。传统的试验设计技术的应用主要是对柴油机稳定工况的标定，对瞬态工况标定则较少。现在，采用贝叶斯统计法的试验设计技术就可以解决这个问题，贝

18、叶斯统计法的主要特点或者说是突出特点就是可以根据以往的知识，来建立清楚地模型。目前，该技术已经成为柴油机试验设计标定技术的研究热点。1.2 试验数据建模技术20世纪70年代，标定工程师为了提高标定结果的品质，在早期手工标定的基础之上，逐渐运用数学方法取代以往的直觉和经验，通过对实验数据的分析和建立数学模型，从中观察数据变化的趋势。这样一种将实验数据拟合建立模型并在模型基础上进项参数优化的方法就是我们所说的基于模型的标定。其中建模是关键环节，一般要求是模型能够快速准确地反应。传统的建模方法是多项式建模方法，多项式建模方法在模型的复杂性和计算的效率上面具有很好的折衷，现在广泛应用于柴油机标定的拟合

19、模型。基于模型的标定和优化可以大大减少试验工作的工作量，除此之外，其还可以降低试验的成本，并且缩短试验周期。可以预见的是：随着标定技术的发展，基于模型的优化标定技术将会以其特有的优势得到普遍的关注，这决定了这项技术将会是未来电控柴油机标定技术的发展趋势。1.3 参数优化技术对柴油机电控系统控制参数的优化标定有局部优化和全局优化两大类，两者互为补充。局部优化是指不考虑参数之间的相互影响。独立地对各个参数匹配优化，此时工况的变化只与这单个参数的变化有关，与其它参数的变化无关。目前主要的局部优化方法是梯度法。全局优化是指将若干个工况点综合起来对控制参数进行优化。典型案例是在满足排放法规的前提下，对一

20、个排放法规试验循环内的各个工况进行优化，最后得到特定性能的最佳目标。这不单单是一个数学过程，还包括标量间的折中，因为柴油机的设计方案越来越多地考虑了约束条件和要求。全局优化的结果依赖于试验循环内各个工况的控制参数。传统的全局优化方法是枚举法和 Lagrange 法，目前全局优化方法主要的发展趋势是遗传算法、人工神经网络、鲁棒优化、随机试验法等。1.4 MAP优化技术获得MAP（电控单元里存储的参数数据）是优化标定的最终目的，电控单元中存储的参数数据（MAP）决定着发动机的工作质量。控制MAP的优化需要对发动机进行试验研究，试验工作量随着可控参数的增加按照指数增长。有效、精确地控制MAP优化已经

21、成为开发电控发动机性能的关键。传统的MAP优化方法有样条插值法和线性插值法。MAP图像的处理也仅能按一般的三维图像或表格方式显示和编辑，如NCA标定软件的MAP图。玉柴发动机研究院以标定工况点的优化控制参数为样本，采用人工神经网络方法对MAP进行优化计算，得到了更为紧密、平滑的MAP数据。生成平滑的MAP可能造成MAP值和最佳值的偏移，但约束MAP的平滑度却有利于提高车辆的驾驶性和发动机的瞬态性能。玉柴开发的MAP梯度优化约束软件，可以实现对MAP平滑度的折中。该软件能够对最大允许/理想的MAP梯度做出限制，可以用在全局模型的优化中，从而生成满意的MAP数据。1.5 柴油发动机标定的具体工作内

22、容发动机标定项目的工作内容，包括室内台架试验和室外道路试验，室外道路试验要求在汽车试车场进行，另外还要进行“高寒、高温及高海拔”的“三高”试验，它们分别是冬季试验、夏季试验及高原试验4。1.5.1 发动机台架标定试验1.5.1.1 发动机实际充气效率标定进气温度计算及发动机不同节气门开度状态进气效率标定。1.5.1.2 空燃比标定1) 理论空燃比开环燃油控制；2) 最稀空燃比（动力加浓）之下的最佳扭矩测试。1.5.1.3 点火正时标定1) 达到最佳扭矩的最小点火角标定；2) 爆震极限域标定；3) 发动机爆震控制敏感度标定；4) 功率加大及点火提前角修正标定。1.5.1.4 基本发动机热机标定1

23、) 排气温度测试与最高发动机排气温度控制标定；2) 燃油消耗率标定。1.5.2 整车标定试验1.5.2.1 整车废气排放标定1) 整车排放工况排放标定；2) 燃油闭环控制标定；3) 排放工况中碳罐吸附流量控制标定；4) 三元催化器保护标定。1.5.2.2 热带环境标定1) 热带夏季环境启动性能；2) 热带夏季环境驾驶性能；3) 热带夏季环境条件下的爆震控制标定；4) 零部件温度适应能力；5) 空调及冷却风扇控制系统标定。1.5.2.3 寒带环境标定1) 寒带严冬环境启动性能；2) 寒带严冬环境驾驶性能；3) 多次重复启动防止淹缸考核试验；4) 节气阀体防止结冰考核试验；5) 冷冻室内的低温起动

24、性标定。1.5.2.4 高原环境标定1) 高原地区启动性；2) 高原地区驾驶性；3) 高原地区汽车发动机的爆震控制标定。1.5.2.5 整车驾驶性标定1) 怠速稳定性标定；2) 加、减速及稳速的驾驶舒适性；3) 爆震控制系统标定。1.6 本章小结本章介绍了发动机标定技术的定义以及其具体的工作内容。2 发动机标定系统发动机标定技术的发展是与电控技术的进步相关的。在上个世纪七十年代末期，已经有学者开始研究使发动机性能达到综合最佳的优化策略和方法，提出了一些控制算法求解约束优化问题。八十年代以后，进一步明确了发动机电控系统参数标定工作的内容，提出了标定优化工作需要一个集成开发环境。即将进入21世纪时

25、，发动机电控技术取得了飞跃发展，国外已经开始研究自动优化技术。标定工作取得质的飞跃是在局部优化和全局优化的概念被提出来之后。随着排放法规不断严格，以及对发动机动力性能、燃油经济性的要求不断提高，电控系统的功能不断增强，控制参数不断增多，控制方法越来越复杂，对控制精度的要求也越来越高，因此对标定系统的要求也越来越高5。2.1 电控发动机标定系统的组成发动机电控系统主要由传感器、电控单元(ECU)和执行器组成。发动机电控系统的开发一般可分为研制开发和应用开发两个阶段。研制开发主要包括传感器的研制(或选型)、电控单元的软硬件的设计、执行器的研制；应用开发主要将电控系统与发动机及整车相匹配，并通过调试

26、和优化使发动机和整车性能达到最佳。应用开发阶段是整个电控系统研制的最终阶段，也是工作量最大、最困难的阶段。这个阶段的工作目标就是保证发动机和汽车的性能指标满足当前排放法规和使用要求的情况下，获得最佳的汽车动力性和燃油经济性。运用发动机标定系统对安装了ECU的发动机进行喷油特性、点火特性、怠速特性及瞬态过渡工况的综合实验，使ECU在实际应用中获得理想效果，让发动机具有较大的柔性，可以对应各种工况、环境和状态，让发动机在最优状态下运行，获得最佳动力性和燃油经济性6。电控系统性能的发挥主要依赖于各种脉谱图(MAP)、数据表和常数的质量，获得这些ECU内部参数的标定上作是相当烦琐的。标定工作需要反复进

27、行发动机台架试验和道路试验，反复修改电控单元(ECU)的数据，而且，发动机的许多指标是相互矛盾的，寻求一种良好的全局优化，最终确定ECU的各种内部参数，需要性能优良的标定系统的支持。一般来说，要求标定系统能够实现对发动机运行参数和电控单元控制参数的实时采集和数字方式显示，能够对控制参数进行离线或者在线优化，同时还可以对数据结果以一定的格式保存等7。电控系统本质上是一个复杂的控制系统，其复杂性主要表现在以下四个方面：第一，电控系统需要实现众多的控制项目，如启动控制、怠速、部分负荷、全负荷、加速、减速等；第二，电控系统的控制应能使发动机的潜力充分发挥，使功率、油耗、排放和汽车的操纵性等多方面性能达

28、到综合最佳状态；第三，影响发动机上作的因素众多，除一些典型的参数如转速、油门开度、喷油正时、点火提前角、曲轴位置外，还包括一些附加参数如油温、废气再循环率等，电控系统需要综合考虑这些因素才能使发动机运行在最佳状态；第四，电控系统如何调整才能更好的适应外界环境的变化，如大气温度变化、蓄电池电压波动、海拔位置改变等。借助电控发动机标定系统及其台架试验，可以帮助我们找到发动机的最佳控制参数，得到发动机的控制规律。2.2 电控标定系统的功能由于发动机在排放性能、动力性能和经济性能之间相互制约，因此，要想发动机工作在全局最优状态下是一项十分复杂的工作，这要求要求标定系统可以对各个参数进行同时监测，进行大

29、量的试验，然后利用算法，在各种相互矛盾的参数中寻找最优的控制参数。根据对任务评价准则的不同，其结果取舍各异，一般是在一个或几个容易测量的参数引导之下，进行发动机的喷油特性及点火特性的匹配试验，提高匹配效率，节省匹配时间8。一般发动机标定的目标是在发动机动力性、经济性和排放性上进行折衷，取得良好的整体性能。在中小负荷下，喷油量的设定应该首先注重其对经济性目标的影响，同时注意其他目标；而在怠速区域内，以减小排放污染和获得稳定怠速为首要目标；在大负荷区域，动力性成为喷油量标定的首要目标9。随着电子技术在汽车上的日益广泛的应用，现在的汽车与传统的汽车相比，在控制方法上己经有本质的区别，当今的汽车已经是

30、一个相当复杂的机电一体化的综合系统。就发动机来讲，随着日益严格的排放和燃油经济性法规的施行，使发动机电子控制技术得到更广泛应用的同时，也给ECU与发动机的匹配带来了一些新的课题。由于发动机在排放性能、动力性能和经济性能之间相互制约，因此要想让发动机工作在全局最优状态下是一项十分复杂的工作，要求标定系统能够对许多参数进行同时监测，进行一系列大量的匹配试验，然后规划优化方法，在各种矛盾的要求目标中寻求最优。根据对任务评价的准则不同，其结果取舍各异，一般是在一个或几个容易测量的参数引导之下进行发动机的喷油特性及点火特性的匹配试验，提高匹配效率，节省匹配时间10。标定系统保证在台架试验条件下，实现对开

31、发标定用ECU控制参数的实时在线调整，满足发动机与电控优化标定的需要，为ECU控制参数优化MAP的确定，提供标定工作平台。除此之外，还应该尽可能使标定系统成为一个通用型的发动机标定系统。具体说来，标定系统应具有以下基本功能：1)控制电控单元(ECU)工作在标定过程中，ECU相当于标定系统的执行器。标定系统通过通讯单元向ECU发出各种控制指令，由ECU来实时控制发动机运行。2)完成数据采集标定系统通过通讯单元接收来自传感器的信息，监视ECU和发动机的工作状况；并能够接收发动机测试设备的信息，评价发动机的工作，作为标定的依据。3)试验数据的实时显示为了使试验人员及时掌握试验进程，系统应该提供能及时

32、观察和分析试验数据的人机界面。现场采集的状态参数、控制参数、计算结果以及标定结果都可以通过标定界面以数字或图表的方式显示。4)控制参数的在线调整根据标定的需要，标定人员通过标定界面在线修改电控系统的控制参数，修改完成后标定系统通过通讯单元向ECU发出指令，由ECU来改变喷气脉宽和点火提前角等控制参数，以适应不同标定目的和要求的需要。5)试验数据的存储系统能够将发动机的所有状态参数、控制参数以及性能参数和部分环境参数以一定的数据格式保存下来。本文开发的标定系统将这些数据保存到相应的数据库中。6)试验数据处理为了到达匹配的目的，需要对采集的试验数据进行分析、比较、计算等处理。7)MAP图的生成与存

33、储根据试验数据以及优化方法，生成实际需要的MAP图，最后生成的MAP图将以数据形式自动存储到ECU的MAP数据存储区中，或者以文件形式存于上位机中9。此外，目前国内的标定系统大多数是作为电控系统研发的辅助工具出现的。由于国外先进的标定系统非常昂贵，因此在为某特定型号发动机开发电控系统时，也配套开发了用于电控系统后期匹配优化工作的标定系统。这类系统的通信协议应用层均为自定义，当机型更换时，标定系统必须作较大的改动，使得系统无法通用，具有局限性。因此，标定系统还应具有通用性的特点。标定系统的通用性主要体现在系统的可复用性、可扩展性和可互换性上。可复用性指的是标定系统的现有技术能够在不同的平台和系统

34、上移植使用；可拓展性指的是标定系统的控制策略、通信方式、传感器、微控制器等方面的技术在不断的发展，可以在不改变已有模块的前提下，将最新的技术应用到标定系统中来；可互换性指的是标定系统各功能模块相互之间独立，相互之间的访问通过标准的接口，每一个功能模块都可以被相同接口的模块替换，方便对系统进行更新以及升级。2.3 国内外电控发动机标定技术的发展现状2.3.1 国外标定技术发展现状近年来，电控柴油发动机的发展有点跟不上时代发展所提出的要求。解决这些问题的一个有效的方法就是将电子控制技术应用到汽车和发动机上。目前在国外，发动机电控系统优化匹配的研究正在成为热点研究问题。在国外，各大汽车生产厂家，研究

35、单位都十分重视在线标定系统的开发设计工作，用了很大的精力去完善和改进在线标定系统的功能，提高实验的自动化水平和实验精度，缩短电控系统开发周期，最终提高了产品的竞争力。国外针对电控发动机台架匹配标定试验专门设计了试验台、试验测试系统及试验设备，并且每种类型的发动机都配以专用的电控系统，为实验周期长的专项实验做好了准备。目前，欧美国家对匹配标定的研究已发展得比较完备，而且不断有新的标定软件问世，比如大众公司的vsloo以及通用公司的CalTool均为目前较为先进的标定系统。国际上在电控发动机标定技术上处于领先地位的是德国的SCHENCK公司和奥地利的AVL公司。以SCHENCK公司的系统为代表，如

36、图21所示，该系统从结构上看属于多机控制标定系统，自动化程度高，系统包括三个层次。标定系统主机通过专用接口卡与试验台自动控制计算机通讯，实现对发动机-N功机系统和标定控制台的控制，完成工况点设定、控制参数设定、发动机性能参数和状态参数采集等功能世，比如大众公司的vsloo以及通用公司的CalTool均为目前较为先进的标定系统10。图2.1 SCHENCK公司的发动机自动化标定系统SCHENCK公司的发动机基本控制参数试验标定软件包叫VEGA，它基于微软公司的WINDOWS NT操作系统。该软件包除了具有进行控制参数标定所必需的控制、测量、优化等功能，还具有对测试循环进行分析的功能，可以计算代表

37、工况点。其基本原理是基于扩展目标函数法，完成一个带有喷油定时自动控制装置的直列泵的优化匹配，只需进行7轮迭代试验，与单参数试验和手工优化方法相比，大大地节约了时间，提高了精密度。AVL公司的自动化标定系统CAMEO如图22所示，其在结构和功能上有与VEGA系统相似之处，但CAMEO系统集成的数据库，并不作为标定对象模型，而是单纯的数据存储功能。CAMEO的特点是它能与MATLAB软件相结合实现试验设计、试验数据建模、优化算法及MAP生成等功能。图2.2 CAMEO自动优化标定系统我们可以看出来，把两种优化方法结合结合起来是SCHENCK公司和AVL公司的自动化标定系统的特点。另外采用不同的方法

38、求解全局优化问题对整个优化试验过程和优化试验结果有直接影响。从很多文献中看，国外普遍采用Lagrange乘子法和遗传算法进行求解11。2.3.2 国内标定技术发展现状国内目前的标定技术基本是借鉴国外的经验并根据自身的实际情况进行探索性试验。我国在标定方面和发达国家的差距较大，尤其是在自动标定和优化控制软件方面，要发展民族汽车工业，就必须建立自己的标定系统。国内标定系统研究虽然己经取得些进展，但大多采用人工在线标定方法，存在标定成本较高且标定质量难以保证的不足，不能满足工程实践的要求；购置国外自动标定系统价格又过于昂贵。我国汽车工业比较落后，但在，“八五”期间和“九五”期间，汽车电子控制技术国家

39、科技攻关项目为发动机电控系统标定技术打下了良好的基础。电控发动机真正走向产业化的任务己刻不容缓，发动机电控标定技术在这个过程中起着关键性作用。近年来，清华大学与北京吉普车有限公司合作进行了切诺基吉普车配装电控系统的标定试验；上海交通大学利用引进的vsloo优化标定软件进行了电控汽油机的标定试验；北京理工大学开发了在线标定匹配系统与采用Intell96单片机的JSl25汽油机电控单元在实验台上进行了标定实验：吉林大学与长春汽车研究所研制了基于计算机控制的柴油机电控标定系统，图23所示为开发的6110电控柴油机标定系统。监控PC机通过键盘和鼠标接受命令，ECU按照接受到的PC机命令控制执行器动作，

40、采集发送数据。ECU把传感器采集的信号作为发动机运行参数传给PC机，通过显示器监视发动机运行状态。专用CPU选用M68HC05单片机。串行通信接口电路完成PC机RS232串行通信接口和单片机串行通信接口SCI间的电平转换。该系统针对MDTICS泵和6110柴油机进行了优化匹配，寻找不同工况下满足要求的供油量和供油提前角，以改善柴油机的性能。标定系统的应用试验，获得了圆滑丰满的扭矩特性和最佳经济性，提高了发动机控制的灵活性。这些都推进了我国电控发动机产业化的进程12。图2.3 柴油机标定系统国内发动机电控系统的研究起步比较晚，但到目前为止，已经取得了较大进展，已研制成功了适用于各种发动机机型的不

41、同控制模式的电控系统，但距离实用仍有相当大的差距。除了可靠性、工艺性等原因外，关键是电控系统与发动机优化匹配的工作没有开展起来，而不经过优化匹配，就无法获得良好的性能，也就无法体现出电子控制相对于机械控制的优势，实用推广也就无从谈起。解决优化匹配问题，切实提高电控发动机的各项性能是国内发动机电控系统从实验室走向生产应用的关键。发动机匹配(Matching)是指为某型发动机配用电控系统，使之实现发动机及整车的各种性能要求，而对整车、发动机、电控系统进行选型、配套设计、部件适配、标定以及为此进行的各种试验与开发的整个过程。其中难度最高、工作量最大的就是标定工作，而且最终整车的各项性能的优劣在很大程

42、度上取决于标定工作的水平。我国的汽车产业正在迅猛发展，电控发动机已经从引进国外的产品逐渐转为自主研发，电控发动机标定技术在这个过程中起着关键性作用。近年来，国内企业和大专院校、科研院所在发动机标定系统的研究方面已经做了许多有意义的探索，并取得了一些阶段性的成果。虽然国内对电控发动机标定系统的研究取得了以上成果，但是这与国际先进水平相比，还存在以下问题：1)参数标定处于手工与自动化之间的状态目前，国内标定系统中ECU、测功机、油耗仪、废气分析仪之间是相互独立的，不能共享数据。在进行电控系统控制参数台架标定时，发动机工况的设置和发动机性能变化的监控都需要由人工干预完成。2)未采用全局优化思想全局优

43、化根据一定的汽车测试规范确定发动机若干代表工况，对他们的控制参数进行综合优化，能实现发动机各性能指标之间良好的折中，满足汽车整体性能的要求。传统的标定方法经常是根据进口样本获得发动机某些控制参数与MAP数据，无法获得发动机和汽车的整体最优性能。3)未实现真正意义上的在线标定一般标定分离线标定和在线标定。在线标定指在发动机运行过程中对控制参数、MAP数据进行修改，这是发动机标定实时优化的必要前提，对标定主机通讯方式与通讯速率提出了很高的要求，要实现真正的在线标定还有待提高这方面的水平。4)未实现商品化国内的标定系统主要是由高校，汽车研究机构，并未实现真正意义上的汽车厂商通过这些机构的研制进行整车

44、试装。汽车厂商只为有限的机型自己研制，这就决定了其不成熟、不完善，缺乏不断推出新版本的限制13。2.5 本章小结本章介绍了发动机标定系统的组成以及功能，分析了发动机标定系统应该具有的特点，阐述了目前国内外发动机标定系统技术的发展，分析了国内发动机标定系统发展的不足之处。3 电控柴油发动机标定试验准备我们以以YC4112LQ四气门柴油机为标定对象。这是一款玉柴集团生产的典型的电控柴油发动机。为适应国内更严格的排放法规,根据研发欧3产品的发展方向,广西玉柴机器股份有限公司技术中心试验室在试验中采用了成飞单体泵及控制系统,将原有的YC4112ZQL四气门涡轮增压中冷柴油机改造为电控单体泵柴油机,旨在

45、将原机的欧2排放水平提高到欧3排放水平,如表3.1为YC4112LQ发动机的各性能参数。表3.1 YC4112LQ发动机参数型号YC4112LQ型式直列、水冷、四冲程、直喷增压缸径*行程 mm112*132气缸排量 L5.202标定功率 kW155标定转速 r/min2200标定点油耗率 g/kW.h235最大扭矩 N.m820最大扭矩转速 r/min<=1500900转扭矩 N.m>=780加速烟度 Bosch<=2.0怠速稳定转速（r/min）650-700目前我国在电控柴油机的试验研究方面仅仅是出于起步阶段。本试验主要研究柴油机燃油标定、功率的标定和高原标定，供油提前角

46、的变化对电控柴油机的性能和排放影响，同时对进排气系统、增压系统的匹配进行优化，最终使得电控柴油机在性能、排放方面达到较好的匹配效果。3.1 标定系统选择我们采用如图3.2所示的系统来进行标定： ECU控制执行器动作并且采集发送数据，命令是由PC机接受并传输的，ECU处理完数据之后再将数据传回给PC机,PC机在显示屏上显示ECU运行状况。发动机测试设备测试各项性能指标,测量值通过键盘输入PC机,由PC机记录并存储。图3.2 标定系统结构专用CPU选用M68HC805B6单片机。串行通讯接口电路完成PC机RS-232串行通讯接口和单片机串行通讯接口SCI间的电平转换。监控PC机软件的质量决定标定系

47、统的能,Windows环境下开发的PC机软件包,以Visual Basic作为编程语言,集成了Access、Excel、Matlab等应用软件,大大提高了标定工作的灵活性。这个电控柴油机标定系统可以实现的功能有：控制ECU工作、完成数据采集、处理并且存储试验数据、生成MAP并且优化14。3.2 优化标定方法3.2.1 局部优化与整体优化柴油机燃烧室喷油雾线标定要解决的问题是：在一定的条件下,以使电控柴油机达到最佳性能为目标的各种优化问题15。3.2.1.1 局部优化局部优化只在特定的发动机运行状态下进行,与其它运行状态无关。这是一种比较简单的情况,此时目标函数与约束的变化只与控制参量的变化有关

48、。选择供油量作为控制参量,其它控制量如供油提前角不变。为保证发动机的正常运转需要设置一些约束条件如烟度限制、排温限制、最大缸内压力限制等。这些约束被称为状态约束,它们只作用于这一特定的运行状态,其它运行状态可以有不同的定义。3.2.1.2 整体优化整体优化不是在某一运行状态下,而是在一系列发动机运行状态下进行。最典型的是在一个排放实验循环内进行优化,通过优化达到在满足排放法规的前提下,追求特定性能的目标。在YC4112电控柴油机的标定优化过程中,发动机的运行状态由ECS(欧洲稳态循环)实验决定（如图3.3），选择供油提前角作为控制参量。整体优化的结果依赖于实验循环内不同工况下控制参量的变化。由

49、于在YC4112电控柴油机应用开发的前期工作-燃烧开发过程中,在采用具有较高喷射压力的电控喷油系统的同时,己经对诸如进气涡流、燃烧室、油嘴、高压油管、凸轮轴、增压器等部件进行了匹配，从实机试验中得知其微粒排放比较容易达到欧3的排放标准因此在这里主要是以氮氧化合物的排放约束作为整体约束。图3.3 ESC13工况稳定循环试验规范图3.4 YC4112电控柴油机的理想外特性曲线根据13工况稳态循环试验规范YC4112电控柴油机的理想外特性曲线（图3.4）得出欧3排放和扭矩的设定如表3.5所示：表3.5 欧3排放转速和扭矩的设定以上分析可以看出,标定工作优化问题可由发动机运行状态、控制参量、目标和约束

50、4个方面定义。3.2.2 优化方法选择图3.6所示的优化试验过程提供了求解上述优化问题的具体方法。在最初始的优化试验循环,控制参量取少量数据点粗略地覆盖整个可变范围,通过少量试验产生控制参量的整个变化范围内目标与约束的拟合曲线。例如在某一工况下,油耗和Nox排放随供油提前角而变化,把测得的油耗和Nox排放数据拟合成两条二次曲线,如图3.7,图上标出了无排放约束时油耗的最优解和有排放约束时油耗的最优解。选择二次曲线作为曲线拟合函数是因为实践证明二次曲线与发动机性能指标的变化趋势基本符合,而且标定试验对模型的精度要求不高,二次曲线可以大大减少运算量。使用Matiba应用程序库中的函数POYFIT可

51、以用最小二乘法获得试验数据模型16。图3.6 优化实验流程图3.7 有约束和无约束最优解3.3 标定试验的分析方法标定试验工作量巨大，面对数以万计的大量试验数据，如何进行分析，从而标定出正确的控制参数，分析方法是至关重要的。试验通常采用的基本分析方法大致有以下三种。（1）工况分析法。工况分析指的是在实验过程中同时、均匀地采集记录工况信息和ECU的测控参数，收集完数据之后就要对数据进行处理。这里特别强调“同时"的重要性，只有各测量数据具有同样的时间基准，才便于对试验数据进行正确的分析。工况分析法深入到发动机的任一工况中去，可根据记录的信息，分析ECU所发出的控制参数是否符合我们要求的目

52、标，以及数学模型的控制策略正确与否。这种方法花费少，简单易行，是标定试验中基本的分析手段。(2)空燃比分析法空燃比的测量方法有两种：一种是供给空燃比，由测量供油量和进气量计算得到；另一种是实际燃烧空燃比，由排气分析得到。前一种方法不能连续测量，只能测得平均的空燃比，用于稳态工况，显然不能满足电控系统标定的要求。后一种方法响应快，能进行连续分析，并直接反映气缸内的燃烧状况，对动态过程分析具有极大的优越性。大型的排气分析设备能从排气中分析空燃比，适用于发动机台架试验。小型专用的空燃比分析仪，虽然精度差一些，但能随车进行测量，对整车道路试验非常有用。电控系统对发动机喷油量的控制，实质上就是对发动机不

53、同工况所需的最佳空燃比的控制，因此对供给空燃比和实际燃烧空燃比进行对比分析更有助于获取标定试验中的最佳控制参数。(3)排气分析法排气分析就是在试验过程中记录排气中各种气体成分的全部分析数据，然后进行整理、计算和分析。排气分析直接反映缸内的燃烧状况，是标定试验中的重要判据。国外发展电控技术的根本起因是为了解决排气污染问题。国内的排放法规也日趋严格，因此排气分析是标定试验中必不可少的手段。3.4 本章小结本章主要介绍了YC4112电控柴油发动机的性能参数以及我们所要采用的标定方法，阐述了局部优化和全局优化的定义以及他们的区别，并且进一步地介绍了标定试验的分析方法，为下一章节优化的叙述做好了准备。4

54、 YC4112电控柴油发动机标定试验4.1 燃烧室内喷雾油线的优化标定柴油机电控系统的开发一般可以分为研制开发和应用开发两个阶段。研制开发工作主要包括传感器、执行器和电控单元硬件软件的研制。系统的应用开发主要解决电控系统与发动机的匹配问题,这时需要反复进行发动机台架试验和道路试验,多次修改ECU中的数据,逐步完善的工作量十分巨大。在当今各种具有分析、模拟、预测、评价、优化等功能的CAD/CAM/CAE技术发展得红红火火的年代,在进行应用开发试验的同时,辅以计算机仿真技术,则可以缩短产品开发的周期,降低成本。柴油机电控系统所改善的是燃烧过程中极为重要的组成部分即其喷油过程,但是喷油过程不是影响燃

55、烧过程的好坏的唯一因素。喷射压力提高后,高压喷射系统需要和燃烧室良好匹配,才能达到预期的效果。因此,在YC4112电控柴油机燃烧开发过程中,我们首先利用CAD软件对喷雾油线在燃烧室内的分布进行优化。4.1.1 理论基础直喷柴油机喷雾特性与燃烧室的匹配是影响柴油机性能的最重要的因素之一。小缸径直喷燃烧系统采用半开型燃烧室,通过适当的进气涡流组织油气混合燃烧。喷雾油束在燃烧室内的分布,应能充分利用燃烧室内的每一处空气,使油气在燃烧室内尽量以等空燃比混和,通过缸内气流运动的组织,使局部混合气尽可能均匀。喷雾油线与燃烧室的匹配,己有的研究资料已提供了一些评价和设计的准则,如油线在活塞顶燃烧室投影的等面

56、积、等圆弧分布及喷油嘴头部伸出气缸盖高度值等。已有的研究在讨论喷雾油束在燃烧室轴向分布时,一般用油线在燃烧室壁的落点高度、油嘴伸出气缸盖的高度值、以及喷油嘴的喷孔夹角等表示。采用上述参数仅能考虑单一因素的影响,而另一个重要的因素一气缸余隙未列入其中。若将这些参数归纳为一个评价参数来表示,即各喷油油线形成的锥面把燃烧室有效空间分成上下两部分容积,为使油气沿燃烧室轴向分布均匀,活塞到达上止点位置时,油线形成的锥面把燃烧室空间分成的这两部分容积应该相等。查阅资料得知已有的研究在讨论喷雾油束在燃烧室轴向分布时,一般只考虑单一因素的影响。而实际情况应该是：在确定了喷油嘴位置之后,影响油线空间轴向分布的因

57、素还有很多17。4.1.2 实机试验用于进行燃烧系统匹配的燃烧室和油嘴的种类比较多,在该项试验中选用的是达欧排放水平的原机的燃烧室A和专为电控柴油机所设计的燃烧室B。以油束夹角为148°的油嘴分别对燃烧室A和B进行匹配,优化油嘴突出高度。首先,确定不同油嘴突出高度时的Vr值,如图4.1。可以看到,当油嘴突出高度为2.8mm时,夹角为148°的油线形成的锥面正好把燃烧室A等分。在进行实机试验时,采用油嘴安装加垫片的方法改变油嘴突出高度,使油嘴的突出高度分别为2.lmm、2.6mm和3mm,然后测量发动机的性能,部分试验结果如图4.2所示。图4.1 不同油嘴突出高度对Vr值的影响（A活塞）图4.2 不同喷油嘴突出高度时的性能变化（A活塞）测试结果表明,当油嘴突出高度使油线形成的锥面接近等分燃烧室时,即突出高度为2