1、电控柴油发动机标定的探讨与研究综述题目：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
2、规且使油耗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 increasi
3、ngly 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 calibra
4、tion 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 opti
5、mization 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 o
6、f meet 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 optimiz
7、ation 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
8、words： 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
9、化标定方法 203.2.1局部优化与整体优化 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
10、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
11、、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
12、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，
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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) 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
24、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
25、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，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
26、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
27、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
28、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
29、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
30、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
31、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
32、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
