基于Horiba試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)掃點(diǎn)試驗(yàn)

楊名名，劉依敏，黃志強(qiáng)

(上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)中心研究認(rèn)證技術(shù)有限公司，上海 201805)

0 引言

目前，為了滿足既定的設(shè)計(jì)目標(biāo)而修改設(shè)計(jì)參數(shù)，需要通過大量的試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)，并在多次的試驗(yàn)過程中尋找合乎既定目標(biāo)的設(shè)計(jì)方案。為了減少試驗(yàn)次數(shù)，許多標(biāo)定試驗(yàn)采用數(shù)學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法(design of experiment, DOE)。通過對(duì)試驗(yàn)樣本空間分布進(jìn)行合理設(shè)計(jì)并對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行合理規(guī)劃，可進(jìn)一步減少建模所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高試驗(yàn)效率，并且可獲得理想的試驗(yàn)結(jié)果[1-4]。自動(dòng)標(biāo)定試驗(yàn)包括工況設(shè)計(jì)、自動(dòng)掃點(diǎn)、建立模型、參數(shù)優(yōu)化和優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證。自動(dòng)標(biāo)定軟件在汽油機(jī)及柴油機(jī)的標(biāo)定優(yōu)化試驗(yàn)得到推廣使用，節(jié)約了試驗(yàn)成本和提升了試驗(yàn)效率。目前，國內(nèi)外大量使用的自動(dòng)標(biāo)定軟件有AVL公司CAMEO軟件、Horiba公司臺(tái)架控制軟件和ETAS公司的ASCMO軟件。孫博等用CAMEO 軟件進(jìn)行DOE，對(duì)一臺(tái)增壓直噴汽油機(jī)進(jìn)行冷機(jī)排放優(yōu)化試驗(yàn)，穩(wěn)態(tài)工況下對(duì)進(jìn)氣門可變開啟定時(shí)(IVVT)、排氣門可變開啟定時(shí)(EVVT)、點(diǎn)火角、軌壓、噴油比例、起始噴油及結(jié)束噴油相位進(jìn)行自動(dòng)化更改，找出最優(yōu)點(diǎn)[5]。王建東等在AVL臺(tái)架運(yùn)用自動(dòng)標(biāo)定軟件對(duì)一款新開發(fā)的柴油機(jī)，完成增壓器和噴油器選型及定型后的性能開發(fā)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了滿足國Ⅴ排放下的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性及噪聲的最佳ECU數(shù)據(jù)[6]。周冬林介紹了江鈴公司目前在用的Horiba公司臺(tái)架自動(dòng)標(biāo)定軟件calibrate的功能和應(yīng)用情況[7]。沈國華等利用ETAS公司ASCMO軟件對(duì)某柴油機(jī)油耗進(jìn)行優(yōu)化[8]。本文基于Horiba電力測(cè)功機(jī)臺(tái)架，開發(fā)出一套發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)掃點(diǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由其控制系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷，改寫電控MAP并實(shí)現(xiàn)一系列發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)排放和穩(wěn)態(tài)煙度，為建立二次多項(xiàng)式回歸模型提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)掃點(diǎn)系統(tǒng)及臺(tái)架設(shè)備

1.1 自動(dòng)掃點(diǎn)系統(tǒng)

自行開發(fā)設(shè)計(jì)的自動(dòng)掃點(diǎn)系統(tǒng)是基于Horiba試驗(yàn)臺(tái)架的控制系統(tǒng)(STARS)，通過控制標(biāo)定裝置(INCA)、各種檢測(cè)設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)及測(cè)功機(jī)，按照預(yù)先設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定試驗(yàn)工況和工況點(diǎn)，自動(dòng)運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，獲取所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)標(biāo)定試驗(yàn)，取代人工發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定試驗(yàn)。

1.2 臺(tái)架設(shè)備

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架控制系統(tǒng)與自動(dòng)標(biāo)定所需的試驗(yàn)設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化控制。試驗(yàn)設(shè)備如表1所示，控制系統(tǒng)與試驗(yàn)設(shè)備連接如圖1所示。試驗(yàn)用大多數(shù)設(shè)備已集成于臺(tái)架控制系統(tǒng)的臺(tái)架控制軟件，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。標(biāo)定軟件INCA通過ASAP3通訊協(xié)議與臺(tái)架控制軟件通訊，在臺(tái)架控制軟件上改寫并記錄電控參數(shù)。燃燒分析儀通過網(wǎng)線與臺(tái)架控制軟件通訊，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒參數(shù)，并為自動(dòng)掃點(diǎn)過程中可能出現(xiàn)的最大缸內(nèi)壓力設(shè)置報(bào)警限值。

表1 自動(dòng)掃點(diǎn)試驗(yàn)設(shè)備

2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

以一臺(tái)國六柴油機(jī)作為研究對(duì)象，以噴油壓力和噴油提前角作為自動(dòng)掃點(diǎn)中的電控參數(shù)，研究發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷下，改變噴油壓力和噴油提前角對(duì)NOx排放和穩(wěn)態(tài)煙度的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)為6缸直列增壓中冷柴油機(jī)，其基本參數(shù)如表2所示。

表2 柴油機(jī)主要參數(shù)

3 自動(dòng)掃點(diǎn)試驗(yàn)

3.1 工況設(shè)計(jì)

在工況設(shè)計(jì)階段，可以使用Minitab軟件進(jìn)行離線工況設(shè)計(jì)，也可以根據(jù)試驗(yàn)需求自定義試驗(yàn)工況。把預(yù)先設(shè)計(jì)好的試驗(yàn)工況，以Excel形式保存。預(yù)先設(shè)計(jì)好的試驗(yàn)工況包含發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、ECU MAP參數(shù)、工況時(shí)間等。試驗(yàn)開始前，將這些試驗(yàn)工況提前輸入，自動(dòng)標(biāo)定程序?qū)?huì)按照既定試驗(yàn)工況進(jìn)行掃點(diǎn)試驗(yàn)。為使掃點(diǎn)試驗(yàn)更加高效，同時(shí)避免可能會(huì)出現(xiàn)超最大爆發(fā)壓力、超排溫的工況點(diǎn)，有時(shí)會(huì)在試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選[9]。為獲取用于建立二次多項(xiàng)式回歸模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)過程中，通過設(shè)置報(bào)警限值來跳過那些超最大爆發(fā)壓力、超排溫的工況點(diǎn)，完成掃點(diǎn)試驗(yàn)。

在自動(dòng)掃點(diǎn)工況設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)速700～1 300 r/min內(nèi)，共有10個(gè)不同轉(zhuǎn)速/扭矩工況點(diǎn)，每個(gè)轉(zhuǎn)速/扭矩工況點(diǎn)有18個(gè)噴油壓力和噴油提前角的輸入組合，共180個(gè)工況點(diǎn)。試驗(yàn)工況分布如圖2～3所示。

3.2 自動(dòng)掃點(diǎn)試驗(yàn)

自動(dòng)掃點(diǎn)試驗(yàn)在Horiba試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行。整個(gè)試驗(yàn)循環(huán)在臺(tái)架控制軟件內(nèi)，按照設(shè)計(jì)好的工況自動(dòng)完成。循環(huán)內(nèi)的控制包括：臺(tái)架控制軟件向測(cè)功機(jī)發(fā)出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/扭矩或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/油門命令，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷；再由臺(tái)架控制軟件向標(biāo)定電腦的標(biāo)定軟件發(fā)出更改電控MAP的命令，進(jìn)而通過標(biāo)定裝置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU進(jìn)行控制。發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)穩(wěn)定之后，將數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)和燃燒分析儀傳輸過來的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)與預(yù)設(shè)工況表內(nèi)的報(bào)警限值進(jìn)行比較。每個(gè)工況可單獨(dú)設(shè)置不同的報(bào)警限值。如果某工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力和排氣溫度任一測(cè)量值超過該工況的報(bào)警限制，程序自動(dòng)跳到下一工況，重新開始上述循環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行一切正常后，由臺(tái)架控制軟件向?yàn)V紙式煙度計(jì)發(fā)出測(cè)量命令，待得到穩(wěn)態(tài)煙度值后，臺(tái)架控制軟件記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、油耗等發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)，及發(fā)動(dòng)機(jī)排放數(shù)據(jù)和電控參數(shù)，如圖4所示。圖4中N為總工況數(shù)，M為工況數(shù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

在Horiba試驗(yàn)臺(tái)架上，按照計(jì)劃的180個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)排放掃點(diǎn)試驗(yàn)。為保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的報(bào)警上限值為700 ℃，缸內(nèi)壓力的報(bào)警上限值為24 MPa。試驗(yàn)過程中，掃點(diǎn)試驗(yàn)自動(dòng)跳過超過上述2個(gè)報(bào)警值之一的試驗(yàn)工況，共得到了176個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)NOx比排放試驗(yàn)結(jié)果。

4 二次多項(xiàng)式回歸模型

建立二次多項(xiàng)式回歸模型的目的是預(yù)測(cè)柴油機(jī)的運(yùn)行過程。將一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)從指定的性能指標(biāo)及其相關(guān)約束中抽象出來, 在發(fā)動(dòng)機(jī)可控參數(shù)和響應(yīng)參數(shù)之間使用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。模型的好壞將決定各種控制參數(shù)下的預(yù)測(cè)性能，并最終決定控制參數(shù)的優(yōu)化效果[10]。在Minitab軟件平臺(tái)上，利用自動(dòng)掃點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、噴油壓力和噴油提前角作為輸入?yún)?shù)，以NOx比排放作為響應(yīng)參數(shù)，建立二次多項(xiàng)式回歸模型[11]。在進(jìn)行模型的線性回歸時(shí)，相關(guān)系數(shù)R2和預(yù)測(cè)值與測(cè)量值差值的標(biāo)準(zhǔn)差(S)是判別模型擬合度和穩(wěn)定性的2個(gè)重要參數(shù)。R2越接近1，擬合得越好。S越小，模型預(yù)測(cè)值與測(cè)量值偏差越小，模型越穩(wěn)定。

(1)

(2)

式中，x為測(cè)量值，y為模型預(yù)測(cè)值，d為預(yù)測(cè)值與測(cè)量值的差值。

穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)NOx比排放的預(yù)測(cè)值與測(cè)量值之間的線性擬合及偏差分布如圖5～6所示。預(yù)測(cè)值與測(cè)量值的線性相關(guān)因素R2為0.953，模型與數(shù)據(jù)擬合較好；偏差的平均值接近于零，標(biāo)準(zhǔn)差為1.428，模型相對(duì)穩(wěn)定，可重復(fù)性較高。

5 結(jié)論

1)在Horiba電力測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上，通過自行設(shè)計(jì)的自動(dòng)掃點(diǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油壓力和噴油提前角進(jìn)行自動(dòng)掃點(diǎn)試驗(yàn)。該方法可取代人工手動(dòng)輸入標(biāo)定參數(shù)的標(biāo)定試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃點(diǎn)，節(jié)約試驗(yàn)成本。

2)基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的NOx比排放二次多項(xiàng)式回歸模型，可對(duì)NOx比排放進(jìn)行預(yù)測(cè)。模型相對(duì)穩(wěn)定，可重復(fù)性較高。