基于DOE設(shè)計實現(xiàn)DVVT的高效臺架標(biāo)定

姜　　坤　劉　　然　楊中華　喬佳偉（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心　河北　保定　071000　2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

基于DOE設(shè)計實現(xiàn)DVVT的高效臺架標(biāo)定

姜坤1，2劉然1，2楊中華1，2喬佳偉1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

介紹了基于模型的試驗設(shè)計（DOE）與優(yōu)化方法，結(jié)合一款3.0L直列六缸直噴增壓汽油機進排氣（DVVT）標(biāo)定過程，利用ASCMO軟件，建立了DOE方法一般流程。同時根據(jù)四個常用工況點DVVT正交試驗結(jié)果，對DOE優(yōu)化結(jié)果進行了驗證。結(jié)果表明：基于DOE設(shè)計的DVVT臺架標(biāo)定不僅能達到與正交設(shè)計優(yōu)化同等的結(jié)果，而且可以大幅度減少試驗時間，提高標(biāo)定效率。

試驗設(shè)計標(biāo)定效率流程VVT

引言

伴隨發(fā)動機技術(shù)的日新月異，各控制參數(shù)之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，標(biāo)定周期及費用急劇增長。為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，高效的發(fā)動機標(biāo)定方法是整車廠和供應(yīng)商不斷追求的目標(biāo)。在國外基于模型的試驗設(shè)計及優(yōu)化方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類發(fā)動機的標(biāo)定，開發(fā)和使用高效的標(biāo)定方法及流程，已成為發(fā)動機研發(fā)界的重要課題之一[1]。

本文針對某汽油機DVVT標(biāo)定過程，建立了DOE方法的一般流程，實現(xiàn)了發(fā)動機高效的臺架標(biāo)定。

1　DOE設(shè)計及模型介紹

DOE即試驗設(shè)計，其目的就是通過對試驗樣本空間分布的合理設(shè)計和試驗過程合理規(guī)劃進一步減少建模所需的試驗數(shù)據(jù)。

DOE模型的基本思想是把發(fā)動機系統(tǒng)當(dāng)成一個數(shù)學(xué)模型來對待，通過數(shù)學(xué)建模找到一個比物理模型簡單的近似模型，圖1表達了發(fā)動機與DOE模型的對應(yīng)關(guān)系。其中，模型精度需要通過判別系數(shù)R2確定，對其描述如下：

式中：y為輸出響應(yīng)值；y 為所有輸出響應(yīng)平均值；y?為模型推算的輸出響應(yīng)值；n為試驗點總數(shù)。

判別系數(shù)R2是評價DOE模型精度的重要指標(biāo)，其值越靠近1說明模型質(zhì)量越高[2]。

整個DOE標(biāo)定流程分為四個部分：試驗設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、建模及模型優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化及臺架驗證，本文基于此流程展開后續(xù)工作。

2　基于DOE的試驗設(shè)計

2.1發(fā)動機基本參數(shù)

本文基于一款電控直噴汽油機進排氣VVT標(biāo)定過程，進行DOE試驗設(shè)計，發(fā)動機的參數(shù)如表1所示。

2.2DOE試驗設(shè)計

2.2.1參數(shù)定義及水平設(shè)置

DOE參數(shù)可分為局部變量、全局變量，全局變量對工況點描述，局部變量描述該工況下的控制參數(shù)。本例中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷是全局變量，進排氣VVT為局部變量。

參數(shù)水平即步長，步長指試驗樣本取點的間隔，步長越短，試驗點數(shù)越多，越是重要的參數(shù)，其步長數(shù)越小，反之亦然[3]。根據(jù)以上信息，結(jié)合后文提到的DOE試驗邊界條件信息，本例參數(shù)定義及相關(guān)水平設(shè)置如表2所示。

表2中進排氣VVT角度是相對排氣上止點而言，之前為負，之后為正。-33°CA表示進氣門最早開，19°CA表示進氣門最晚開；-27°CA表示排氣門最早關(guān)，25°CA表示排氣門最晚關(guān)。

表2中的負荷是基于標(biāo)態(tài)下計算的相對進氣量，其大于100表明發(fā)動機處于增壓狀態(tài)。

2.2.2DOE試驗邊界條件

DOE邊界約束主要解決發(fā)動機試驗過程中的物理矛盾，這些矛盾的產(chǎn)生是由發(fā)動機零部件本身的特性和發(fā)動機的工作過程導(dǎo)致的。例如：為了保護發(fā)動機及增壓器必須對發(fā)動機排溫、渦前壓力、歧管溫度、增壓壓比進行限制；小負荷及怠速工況，考慮到燃燒穩(wěn)定性，氣門重疊角越小越好；增壓發(fā)動機中低轉(zhuǎn)速大負荷，氣門重疊角太小容易發(fā)生喘振，太大早燃發(fā)生的概率有增大趨勢?；谝陨峡紤]，需對DOE試驗邊界條件進行合理設(shè)置，這樣可以減少試驗點數(shù)，提高標(biāo)定效率。

邊界條件的確定是建立在對研究機型深入了解的基礎(chǔ)上，本例DVVT標(biāo)定之前，就對進氣系統(tǒng)做了摸底試驗，初步確定每個轉(zhuǎn)速外特性點所需的最大進氣量以及每個轉(zhuǎn)速下考慮燃燒穩(wěn)定所需的最小進氣量，根據(jù)這些信息對DOE邊界條件進行限制，結(jié)果體現(xiàn)在表2中。

2.2.3確認(rèn)DOE試驗點數(shù)

確定試驗樣本數(shù)量時，需考慮三種因素：用于建模的樣本數(shù)；用于模型驗證的樣本數(shù)；用于驗證測量穩(wěn)定性的樣本數(shù)。筆者根據(jù)以往項目經(jīng)驗，設(shè)定試驗點數(shù)為2500個。

根據(jù)以上信息，利用ASCMO軟件進行DOE試驗設(shè)計，結(jié)果如圖2、3、4所示。

表1汽油機主要技術(shù)參數(shù)

表2發(fā)動機參數(shù)及水平數(shù)設(shè)置

圖1　 發(fā)動機DOE模型示意圖

圖2　 DOE工況點分布

圖3　 DOE進氣VVT空間分布

圖4　 DOE排氣VVT空間分布

3　數(shù)據(jù)采集

根據(jù)ASCMO軟件DOE試驗設(shè)計結(jié)果，對數(shù)據(jù)進行采集，數(shù)據(jù)采集過程中，要嚴(yán)格控制發(fā)動機的試驗邊界條件，同時要對發(fā)動機狀態(tài)進行檢查，確保試驗數(shù)據(jù)的可信度。

4　DOE建模

4.1確定模型的輸入與響應(yīng)

DOE建模之前需要確定模型的輸入與響應(yīng)，結(jié)合DVVT參數(shù)優(yōu)化的實際過程，本例中的輸入為：轉(zhuǎn)速、負荷、進排氣VVT。輸出響應(yīng)為：油耗、扭矩、排放、制動平均有效壓力（BMEP）、平均有效指示壓力循環(huán)變動率（IMEPCOV）、排溫。

4.2數(shù)據(jù)檢查

模型輸入輸出確定后，需對采集的試驗數(shù)據(jù)進行檢查，主要考慮以下因素：一方面是試驗設(shè)備的隨機誤差以及試驗員的誤操作；另一方面輸出響應(yīng)要符合最優(yōu)目標(biāo)的優(yōu)化原則，對于優(yōu)化進、排氣VVT來講，主要原則是考察油耗、扭矩、排放、IMEPCOV、排溫的表現(xiàn)，對不符合優(yōu)化原則的響應(yīng)輸出（過大或過?。┮M行篩選，防止為了局部模型精度而進行過擬合，導(dǎo)致模型階數(shù)過高，容易構(gòu)成“過匹配”對優(yōu)化不利。

4.3模型建立

預(yù)測扭矩

RMSE：124.5249，R2:0.992031

預(yù)測NO x

圖5 建模結(jié)果

模型可以優(yōu)先選用ASCMO軟件自帶的ASCModel。模型建立后，可通過評估模型精度，本例模型精度如圖5所示，模型的都在0.97以上，模型的預(yù)測值與實際測量值非常接近，模型精度較高。過程中若遇到異常點，導(dǎo)致模型精度偏差大，需要進一步論證，是發(fā)動機本體的特殊點還是數(shù)據(jù)真實性導(dǎo)致，根據(jù)論證結(jié)果，對異常點進行取舍，確保模型精度。

根據(jù)建模結(jié)果，可以直觀分析模型響應(yīng)對輸入的變化趨勢，如圖6所示，在1000r/min、負荷為100%的工況點，隨著排氣VVT的晚關(guān)，油耗率先減小后增大，隨著進氣VVT的提前開啟油耗率逐漸增大。

圖6　 模型響應(yīng)

5　參數(shù)優(yōu)化

5.1優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定

根據(jù)建好的DOE模型（判別系數(shù)R2＞0.9），就可以針對進排氣VVT進行參數(shù)優(yōu)化，VVT功能的最大作用在于提升扭矩，降低油耗，因此本例的優(yōu)化目標(biāo)為：在目標(biāo)工況下（表2所示），通過進排氣VVT的不同組合，使發(fā)動機扭矩最大，油耗最低，同時兼顧HC、NO x排放，優(yōu)化目標(biāo)如表3所示。

5.2模型優(yōu)化結(jié)果

目標(biāo)工況按照優(yōu)化目標(biāo)得到最優(yōu)進、排氣VVT結(jié)果如圖7、8所示。圖7排氣VVT曲面變化相對平滑，圖8進氣VVT曲面在中小負荷區(qū)域凹凸不平，這是因為發(fā)動機的性能、油耗、排放對進氣相位的變化更為敏感[4]，優(yōu)化過程只考慮最優(yōu)目標(biāo)，而不會考慮結(jié)果的平滑過渡，實際過程中為了減少發(fā)動機變工況零部件的負荷沖擊，需考慮進排氣VVT平滑過渡，對DOE最優(yōu)結(jié)果進行取舍。

表3　優(yōu)化目標(biāo)

5.3優(yōu)化結(jié)果驗證

針對表3工況點，根據(jù)DOE優(yōu)化確定一組最優(yōu)VVT組合，同時通過傳統(tǒng)正交掃點確定另一組最優(yōu)VVT組合，根據(jù)兩組不同的控制參數(shù)，在臺架上進行數(shù)據(jù)采集，主要對油耗進行對比，結(jié)果如表4所示。

通過比較，可以看到：2600r/min/0.4MPa、3000r/ min/0.3MPa DOE與正交得到的進排氣VVT相位偏差都在3°CA以內(nèi)，臺架上油耗率的表現(xiàn)基本一致。

2000r/min/0.2MPa、1800r/min/0.25MPa DOE與正交得到的進氣VVT基本一致，排氣VVT偏差在10°CA左右，油耗率DOE比正交要大8g/（kW·h）。

圖7　 排氣VVT優(yōu)化結(jié)果

事實上，這兩個點正交得到的最優(yōu)排氣VVT都為25°CA，已是硬件允許的最大開度，存在VVT油壓電磁控制閥燒毀風(fēng)險。另一方面，按照正交結(jié)果，這兩個點在MAP表上表現(xiàn)必定是凸點，影響MAP表平順，考慮到以上兩個因素，必須對正交結(jié)果進行修正，可以得到與DOE相似結(jié)果。

通過以上對比：模型優(yōu)化與正交優(yōu)化結(jié)果基本吻合，基于DOE設(shè)計實現(xiàn)高效DVVT標(biāo)定在實際應(yīng)用中具有較高的借鑒意義。

效率提升方面，根據(jù)表1參數(shù)，按照傳統(tǒng)正交設(shè)計需要20160（10×14×12×12）個試驗點數(shù)，DOE設(shè)計僅為2500個，不到正交設(shè)計的1/8，標(biāo)定效率提升明顯。

表4　 DOE與正交結(jié)果對比

6結(jié)論

1）通過某款3.0L直列六缸直噴增壓汽油機DVVT標(biāo)定實例，介紹了DOE流程。

2）與傳統(tǒng)正交優(yōu)化方法相比，應(yīng)用DOE標(biāo)定DVVT發(fā)動機，臺架試驗量可大幅減少。

3）與傳統(tǒng)正交優(yōu)化方法相比，借助模型更能充分考慮進、排氣VVT的平滑過渡，但是，最終結(jié)果要在臺架上驗證。若發(fā)現(xiàn)某些工況點的響應(yīng)量與預(yù)期有差別，可在更小的范圍內(nèi)進行正交測量，從而使控制參數(shù)更佳。

4）通過DOE建模不僅能得到基礎(chǔ)標(biāo)定的最佳數(shù)據(jù)，而且通過基于模型的分析可以直觀得到發(fā)動機響應(yīng)對控制參數(shù)的變化趨勢，很大程度簡化對復(fù)雜發(fā)動機響應(yīng)的分析工作，在實際工作中有較高的借鑒意義。

1倪計民，杜倩穎，周英杰，等.DoE在高壓共軌柴油機優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2009，27（3）：231～236

2Karsten Roepke.DoE-design of experiments[M].Germany: Verlagmoderne Industrie，2005

3Atkinson A C，DonevA N.Optimum experimental designs [M].Britain:Oxford Science Publications，2001

4周龍保.內(nèi)燃機學(xué)第三版[M].北京:機械工業(yè)出版社，2010

Implementation of DVVT Efficient Calibration Based on DOEDesign

Jiang Kun1，2,Liu Ran1，2，Yang Zhonghua1，2，Qiao Jiawei1，2
1-TechnicalCenter，GreatWallMotor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）

2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

Test design based on the model and the method of optimization of the model（DOE）are introduced.Combined with inletand exhaustphase（DVVT）calibration process of a 3.0 L direct injection inline six-cylinder gasoline engine,using software ASCMO，DOEmethod's generalprocess isestablished. Finally，by comparing with some points of the orthogonal experiment，the DOE optimization results are verified.The resultsshow that the calibration DVVT testbench based on DOE design can notonly achieve equaleffect to orthogonal design optimization results，but can greatly reduce the test time and improve the efficiency of calibration also.

Testdesign，Theefficiency of calibration，Process，VVT

TK413.4+3

A

2095-8234（2015）01-0059-05

姜坤（1990-），男，本科，助理工程師，主要從事發(fā)動機電控、燃燒系統(tǒng)的研究開發(fā)。

（2014-05-22）