1、武漢科技大學本科畢業論文題目：柴油發動機標定的探討與研究摘 要隨著對排放法規的不斷嚴格，柴油發動機引入電控系統之后，其工況愈加復雜，為了使柴油發動機達到規定的要求以及更好地使電控系統與發動機相匹配，我們必須對柴油發動機進行優化標定。本文介紹了電控柴油發動機標定技術以及標定系統的發展，并以YC4112電控柴油發動機為案例，采用計算機輔助方法，對電控柴油發動機的優化標定進行了探討與研究，主要優化標定的有燃燒室噴油優化標定、排放優化標定、全工況特性標定以及全負荷特性標定。本文著重分析了有效燃油消耗率及主要排放污染物(NOx、煙度等)的排放量隨油束分布特征的變化趨勢,并找出了一組滿足歐排放法規且使油耗

2、率達最低水平的供油提前角，為該類型柴油機的性能分析提供了參考。本文介紹了YC4112型電控柴油機標定系統設計,提出了優化標定方法。選用合適的標定系統,運用優化標定方法優化標定電控柴油機,在滿足排放法規和發動機設計指標的前提下,實現圓滑豐滿的扭矩特性和最佳經濟性。關鍵詞： 電控柴油發動機； 標定； 性能優化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 錄 緒論61柴油發動機標定技術及工作內容81.1試驗設計技術81.2試驗數據建模技術81.3參數優化技術91.4MAP優化技術91.5柴油發動機標定的具體工作內容91.5.1發動機臺架標定試驗101.5.2發動機整車標定試驗102發動機標定系統122.1電控發動機標定系統的組成122.2電控發動機標定系統的功能132.3國內外電控發動機標定技術的發展現狀143電控柴油機標定試驗準備193.1標定系統選擇193.2優化標定方法203.2.1局部優化與整體優

9、化203.2.2優化方法選擇223.3標定試驗的分析方法244YC4112電控柴油發動機標定試驗254.1燃燒室內噴霧油線優化標定254.1.1理論基礎254.1.2實機試驗254.1.3結論284.2排放優化標定294.3全工況特性優化標定304.3.1供油量Map的確定304.3.2供油提前角Map的確定314.4全負荷特性優化標定325總結與展望345.1全文工作總結345.2工作展望34致謝35參考文獻36緒論隨著柴油機排放法規的要求越來越嚴格，人們對車輛駕駛性和舒適性的要求也在不斷增加，柴油機行業面臨著一些嚴重的挑戰。而柴油機電控技術的應用成為了解決問題的有效手段，然而在柴油機采用電

10、控技術之后，在電控軟硬件不變的情況下，柴油機的性能在很大程度上取決于它的標定結果。為了使柴油機獲得它的最佳性能，我們必須對柴油機性能參數進行精確的優化標定。發動機乃至整個車輛的工作過程都是非常復雜的動態、非線性、具有相應滯后的混合時變系統，它們的性能都依賴于大量的機械動力學和熱力學參數，很難用準確的數學模型精確地表達出來。發動機電控系統的控制參數對發動機的性能影響較大。為使發動機達到最佳的綜合性能，必須對電控系統的控制參數進行精確的標定，使發動機按照最優的控制參數運行。標定是指根據整車的各種性能要求，如動力性、經濟性、排放及輔助功能等，來調整、優化和確定整車上各電子設備控制單元（ECU）的運行

11、及控制參數的控制算法。標定系統則是根據匹配標定需求實時的將電子控制單元工作狀態參數通過通信接口傳送給操作人員作為判別電控裝置運行性能的依據，將操作人員設置的控制參數傳送到電子控制單元中1。發動機標定技術的發展是與電控技術的進步相關的。在上世紀七十年代末期，就已經開始研究發動機性能達到綜合最佳的優化策略和方法了。八十年代以后，進一步明確了發動機控制參數標定工作的內容，提供了標定工作所需要的集成開發環境。進入九十年代，隨著發動機電控技術的成熟，發動機標定技術也得以得到更加細致深入的研究。電控發動機的標定，是指根據電控發動機的各種性能參數要求，比如動力性、經濟性、排放性等，來調整、優化和確定電控系統

12、軟件的運行參數、控制參數和各種控制數學模型的整個過程。發動機標定過程包括了發動機臺架、整車轉鼓、“三高”（高溫、高寒、高原）試驗和實際道路的實驗驗證過程，其中有大約30%-50%的標定工作需要在臺架上完成，50%-70%的標定工作需要在整車上完成。這些標定工作對發動機的性能有十分重要的影響。在采用電控技術之后，發動機的性能在很大程度上取決于控制參數的標定結果。隨著排放法和燃油消耗標準的要求不斷嚴格，以及人們對車輛舒適性、駕駛平順性要求的不斷提高，推動了發動機電子控制技術的不斷發展，從而促進了發動機控制參數的不斷增加，也因此，發動機標定的工作量成指數增加，傳統的標定系統和標定優化方法可能已經無法

13、滿足標定要求。為了更有效地進行標定試驗，標定系統開發技術需要不斷的發展。標定是一項十分復雜的工作，一方面，發動機的性能表現在多方面，諸如動力性、燃油經濟性和排放性能進行控制參數的標定必須對各種性能指標的影響進行綜合考慮；另一方面，發動機的各個控制參數之間也存在著相互影響，將各個控制參數單獨地進行選擇并不十分科學。因此，功能完善且靈活方便的標定系統是汽車電子產品高效開發的關鍵因素與支撐技術之一。標定系統是標定試驗得以進行的前提和基礎，其中融合了先進試驗設計技術的自動標定系統能夠顯著減少標定的工作量，提高標定的效率；而基于模型的標定技術和基于實驗設計的標定技術的運用為發動機標定試驗的發展提供了優良

14、的途徑。本文對先進標定系統開發技術進行了論述，上述的技術的運用目前已成為提高標定效率，減少標定工作量的有效途徑。目前，國外的標定系統較國內的先進很多，這也是目前國產汽車大多采用國外發動機品牌的原因。我國的汽車工業較國外比較落后，但是在“九五”期間，汽車電子控制技術的國家科技攻關項目為發動機標定技術打下了良好的基礎，近年來，一些高校和研究所開發的標定系統開始嶄露頭角，推進了我國電控發動機產業化進程。在92年的國外文獻中首先引入了局部優化和全局優化的概念，標定開發技術有了顯著的進步2。目前，國內對柴油機優化標定研究發展相對緩慢，對于優化標定的研究主要集中在標定技術中的個別技術方面。如北京理工大學開

15、展的二元回歸建模以及控制參數的遺傳算法優化研究。現在國內尚未形成比較完整的柴油機優化標定理論體系，這極大地制約了國內電控柴油機的發展。因此，對于電控柴油機的優化標定研究顯得很迫切，這也是我寫這篇文章的原因。發動機標定項有很多，包括了穩態測功標定、功率標定、冷機暖機燃油消耗標定、排放標定、高原標定、怠速標定等等。本文對柴油機標定的典型標定項進行了探討與研究，對全局優化和局部優化進行了探討與研究，并選取YC4112電控柴油機為案例分析。1 柴油發動機標定技術及工作內容目前，國內對柴油機優化標定研究發展相對緩慢，對于優化標定的研究主要集中在標定技術中的個別技術方面。如北京理工大學開展的二元回歸建模以

16、及控制參數的遺傳算法優化研究。現在國內尚未形成比較完整的柴油機優化標定理論體系，這極大地制約了國內電控柴油機的發展。因此，對于電控柴油機的優化標定研究顯得很迫切。目前，按照優化標定過程的不同，優化標定技術可以分為試驗設計技術、數據建模技術、參數優化技術和 MAP 優化技術四個方面，在電控柴油機的標定中均得到不同程度的發展3。1.1 試驗設計技術試驗設計方法于20世紀60年代由費雪在農業試驗時最早提出，日本的質量管理專家田口玄一又將其應用于工業化過程優化，使得此方法得以普及和發展。傳統的試驗設計技術主要應用于對發動機穩定工況的標定。現如今發動機穩定工況的標定仍然可以采用傳統的試驗設計技術。這一技

17、術已經應用于發動機標定有十余年了，是一種可靠穩定的標定方法。試驗設計是對試驗方案進行優化設計，以降低試驗誤差及生產費用，是減少試驗工作量并對實驗結果進行分析的一種方法。后來。隨著電控單元的控制參數的增加，適當地選擇實驗設計是現代企業采取的普遍做法。采用自編設計程序、建模算法和優化程序等來進行合理計算，在盡可能較少試驗樣本的情況下，完成對柴油機標定的優化。試驗設計技術的應用，除了能夠大幅度地減少樣本容量，節約經費和時間之外，它還能夠保證能夠達到常規標定的理想結果。傳統的試驗設計技術的應用主要是對柴油機穩定工況的標定，對瞬態工況標定則較少。現在，采用貝葉斯統計法的試驗設計技術就可以解決這個問題，貝

18、葉斯統計法的主要特點或者說是突出特點就是可以根據以往的知識，來建立清楚地模型。目前，該技術已經成為柴油機試驗設計標定技術的研究熱點。1.2 試驗數據建模技術20世紀70年代，標定工程師為了提高標定結果的品質，在早期手工標定的基礎之上，逐漸運用數學方法取代以往的直覺和經驗，通過對實驗數據的分析和建立數學模型，從中觀察數據變化的趨勢。這樣一種將實驗數據擬合建立模型并在模型基礎上進項參數優化的方法就是我們所說的基于模型的標定。其中建模是關鍵環節，一般要求是模型能夠快速準確地反應。傳統的建模方法是多項式建模方法，多項式建模方法在模型的復雜性和計算的效率上面具有很好的折衷，現在廣泛應用于柴油機標定的擬合

19、模型。基于模型的標定和優化可以大大減少試驗工作的工作量，除此之外，其還可以降低試驗的成本，并且縮短試驗周期。可以預見的是：隨著標定技術的發展，基于模型的優化標定技術將會以其特有的優勢得到普遍的關注，這決定了這項技術將會是未來電控柴油機標定技術的發展趨勢。1.3 參數優化技術對柴油機電控系統控制參數的優化標定有局部優化和全局優化兩大類，兩者互為補充。局部優化是指不考慮參數之間的相互影響。獨立地對各個參數匹配優化，此時工況的變化只與這單個參數的變化有關，與其它參數的變化無關。目前主要的局部優化方法是梯度法。全局優化是指將若干個工況點綜合起來對控制參數進行優化。典型案例是在滿足排放法規的前提下，對一

20、個排放法規試驗循環內的各個工況進行優化，最后得到特定性能的最佳目標。這不單單是一個數學過程，還包括標量間的折中，因為柴油機的設計方案越來越多地考慮了約束條件和要求。全局優化的結果依賴于試驗循環內各個工況的控制參數。傳統的全局優化方法是枚舉法和 Lagrange 法，目前全局優化方法主要的發展趨勢是遺傳算法、人工神經網絡、魯棒優化、隨機試驗法等。1.4 MAP優化技術獲得MAP（電控單元里存儲的參數數據）是優化標定的最終目的，電控單元中存儲的參數數據（MAP）決定著發動機的工作質量。控制MAP的優化需要對發動機進行試驗研究，試驗工作量隨著可控參數的增加按照指數增長。有效、精確地控制MAP優化已經

21、成為開發電控發動機性能的關鍵。傳統的MAP優化方法有樣條插值法和線性插值法。MAP圖像的處理也僅能按一般的三維圖像或表格方式顯示和編輯，如NCA標定軟件的MAP圖。玉柴發動機研究院以標定工況點的優化控制參數為樣本，采用人工神經網絡方法對MAP進行優化計算，得到了更為緊密、平滑的MAP數據。生成平滑的MAP可能造成MAP值和最佳值的偏移，但約束MAP的平滑度卻有利于提高車輛的駕駛性和發動機的瞬態性能。玉柴開發的MAP梯度優化約束軟件，可以實現對MAP平滑度的折中。該軟件能夠對最大允許/理想的MAP梯度做出限制，可以用在全局模型的優化中，從而生成滿意的MAP數據。1.5 柴油發動機標定的具體工作內

22、容發動機標定項目的工作內容，包括室內臺架試驗和室外道路試驗，室外道路試驗要求在汽車試車場進行，另外還要進行“高寒、高溫及高海拔”的“三高”試驗，它們分別是冬季試驗、夏季試驗及高原試驗4。1.5.1 發動機臺架標定試驗1.5.1.1 發動機實際充氣效率標定進氣溫度計算及發動機不同節氣門開度狀態進氣效率標定。1.5.1.2 空燃比標定1) 理論空燃比開環燃油控制；2) 最稀空燃比（動力加濃）之下的最佳扭矩測試。1.5.1.3 點火正時標定1) 達到最佳扭矩的最小點火角標定；2) 爆震極限域標定；3) 發動機爆震控制敏感度標定；4) 功率加大及點火提前角修正標定。1.5.1.4 基本發動機熱機標定1

23、) 排氣溫度測試與最高發動機排氣溫度控制標定；2) 燃油消耗率標定。1.5.2 整車標定試驗1.5.2.1 整車廢氣排放標定1) 整車排放工況排放標定；2) 燃油閉環控制標定；3) 排放工況中碳罐吸附流量控制標定；4) 三元催化器保護標定。1.5.2.2 熱帶環境標定1) 熱帶夏季環境啟動性能；2) 熱帶夏季環境駕駛性能；3) 熱帶夏季環境條件下的爆震控制標定；4) 零部件溫度適應能力；5) 空調及冷卻風扇控制系統標定。1.5.2.3 寒帶環境標定1) 寒帶嚴冬環境啟動性能；2) 寒帶嚴冬環境駕駛性能；3) 多次重復啟動防止淹缸考核試驗；4) 節氣閥體防止結冰考核試驗；5) 冷凍室內的低溫起動

24、性標定。1.5.2.4 高原環境標定1) 高原地區啟動性；2) 高原地區駕駛性；3) 高原地區汽車發動機的爆震控制標定。1.5.2.5 整車駕駛性標定1) 怠速穩定性標定；2) 加、減速及穩速的駕駛舒適性；3) 爆震控制系統標定。1.6 本章小結本章介紹了發動機標定技術的定義以及其具體的工作內容。2 發動機標定系統發動機標定技術的發展是與電控技術的進步相關的。在上個世紀七十年代末期，已經有學者開始研究使發動機性能達到綜合最佳的優化策略和方法，提出了一些控制算法求解約束優化問題。八十年代以后，進一步明確了發動機電控系統參數標定工作的內容，提出了標定優化工作需要一個集成開發環境。即將進入21世紀時

25、，發動機電控技術取得了飛躍發展，國外已經開始研究自動優化技術。標定工作取得質的飛躍是在局部優化和全局優化的概念被提出來之后。隨著排放法規不斷嚴格，以及對發動機動力性能、燃油經濟性的要求不斷提高，電控系統的功能不斷增強，控制參數不斷增多，控制方法越來越復雜，對控制精度的要求也越來越高，因此對標定系統的要求也越來越高5。2.1 電控發動機標定系統的組成發動機電控系統主要由傳感器、電控單元(ECU)和執行器組成。發動機電控系統的開發一般可分為研制開發和應用開發兩個階段。研制開發主要包括傳感器的研制(或選型)、電控單元的軟硬件的設計、執行器的研制；應用開發主要將電控系統與發動機及整車相匹配，并通過調試

26、和優化使發動機和整車性能達到最佳。應用開發階段是整個電控系統研制的最終階段，也是工作量最大、最困難的階段。這個階段的工作目標就是保證發動機和汽車的性能指標滿足當前排放法規和使用要求的情況下，獲得最佳的汽車動力性和燃油經濟性。運用發動機標定系統對安裝了ECU的發動機進行噴油特性、點火特性、怠速特性及瞬態過渡工況的綜合實驗，使ECU在實際應用中獲得理想效果，讓發動機具有較大的柔性，可以對應各種工況、環境和狀態，讓發動機在最優狀態下運行，獲得最佳動力性和燃油經濟性6。電控系統性能的發揮主要依賴于各種脈譜圖(MAP)、數據表和常數的質量，獲得這些ECU內部參數的標定上作是相當煩瑣的。標定工作需要反復進

27、行發動機臺架試驗和道路試驗，反復修改電控單元(ECU)的數據，而且，發動機的許多指標是相互矛盾的，尋求一種良好的全局優化，最終確定ECU的各種內部參數，需要性能優良的標定系統的支持。一般來說，要求標定系統能夠實現對發動機運行參數和電控單元控制參數的實時采集和數字方式顯示，能夠對控制參數進行離線或者在線優化，同時還可以對數據結果以一定的格式保存等7。電控系統本質上是一個復雜的控制系統，其復雜性主要表現在以下四個方面：第一，電控系統需要實現眾多的控制項目，如啟動控制、怠速、部分負荷、全負荷、加速、減速等；第二，電控系統的控制應能使發動機的潛力充分發揮，使功率、油耗、排放和汽車的操縱性等多方面性能達

28、到綜合最佳狀態；第三，影響發動機上作的因素眾多，除一些典型的參數如轉速、油門開度、噴油正時、點火提前角、曲軸位置外，還包括一些附加參數如油溫、廢氣再循環率等，電控系統需要綜合考慮這些因素才能使發動機運行在最佳狀態；第四，電控系統如何調整才能更好的適應外界環境的變化，如大氣溫度變化、蓄電池電壓波動、海拔位置改變等。借助電控發動機標定系統及其臺架試驗，可以幫助我們找到發動機的最佳控制參數，得到發動機的控制規律。2.2 電控標定系統的功能由于發動機在排放性能、動力性能和經濟性能之間相互制約，因此，要想發動機工作在全局最優狀態下是一項十分復雜的工作，這要求要求標定系統可以對各個參數進行同時監測，進行大

29、量的試驗，然后利用算法，在各種相互矛盾的參數中尋找最優的控制參數。根據對任務評價準則的不同，其結果取舍各異，一般是在一個或幾個容易測量的參數引導之下，進行發動機的噴油特性及點火特性的匹配試驗，提高匹配效率，節省匹配時間8。一般發動機標定的目標是在發動機動力性、經濟性和排放性上進行折衷，取得良好的整體性能。在中小負荷下，噴油量的設定應該首先注重其對經濟性目標的影響，同時注意其他目標；而在怠速區域內，以減小排放污染和獲得穩定怠速為首要目標；在大負荷區域，動力性成為噴油量標定的首要目標9。隨著電子技術在汽車上的日益廣泛的應用，現在的汽車與傳統的汽車相比，在控制方法上己經有本質的區別，當今的汽車已經是

30、一個相當復雜的機電一體化的綜合系統。就發動機來講，隨著日益嚴格的排放和燃油經濟性法規的施行，使發動機電子控制技術得到更廣泛應用的同時，也給ECU與發動機的匹配帶來了一些新的課題。由于發動機在排放性能、動力性能和經濟性能之間相互制約，因此要想讓發動機工作在全局最優狀態下是一項十分復雜的工作，要求標定系統能夠對許多參數進行同時監測，進行一系列大量的匹配試驗，然后規劃優化方法，在各種矛盾的要求目標中尋求最優。根據對任務評價的準則不同，其結果取舍各異，一般是在一個或幾個容易測量的參數引導之下進行發動機的噴油特性及點火特性的匹配試驗，提高匹配效率，節省匹配時間10。標定系統保證在臺架試驗條件下，實現對開

31、發標定用ECU控制參數的實時在線調整，滿足發動機與電控優化標定的需要，為ECU控制參數優化MAP的確定，提供標定工作平臺。除此之外，還應該盡可能使標定系統成為一個通用型的發動機標定系統。具體說來，標定系統應具有以下基本功能：1)控制電控單元(ECU)工作在標定過程中，ECU相當于標定系統的執行器。標定系統通過通訊單元向ECU發出各種控制指令，由ECU來實時控制發動機運行。2)完成數據采集標定系統通過通訊單元接收來自傳感器的信息，監視ECU和發動機的工作狀況；并能夠接收發動機測試設備的信息，評價發動機的工作，作為標定的依據。3)試驗數據的實時顯示為了使試驗人員及時掌握試驗進程，系統應該提供能及時

32、觀察和分析試驗數據的人機界面。現場采集的狀態參數、控制參數、計算結果以及標定結果都可以通過標定界面以數字或圖表的方式顯示。4)控制參數的在線調整根據標定的需要，標定人員通過標定界面在線修改電控系統的控制參數，修改完成后標定系統通過通訊單元向ECU發出指令，由ECU來改變噴氣脈寬和點火提前角等控制參數，以適應不同標定目的和要求的需要。5)試驗數據的存儲系統能夠將發動機的所有狀態參數、控制參數以及性能參數和部分環境參數以一定的數據格式保存下來。本文開發的標定系統將這些數據保存到相應的數據庫中。6)試驗數據處理為了到達匹配的目的，需要對采集的試驗數據進行分析、比較、計算等處理。7)MAP圖的生成與存

33、儲根據試驗數據以及優化方法，生成實際需要的MAP圖，最后生成的MAP圖將以數據形式自動存儲到ECU的MAP數據存儲區中，或者以文件形式存于上位機中9。此外，目前國內的標定系統大多數是作為電控系統研發的輔助工具出現的。由于國外先進的標定系統非常昂貴，因此在為某特定型號發動機開發電控系統時，也配套開發了用于電控系統后期匹配優化工作的標定系統。這類系統的通信協議應用層均為自定義，當機型更換時，標定系統必須作較大的改動，使得系統無法通用，具有局限性。因此，標定系統還應具有通用性的特點。標定系統的通用性主要體現在系統的可復用性、可擴展性和可互換性上。可復用性指的是標定系統的現有技術能夠在不同的平臺和系統

34、上移植使用；可拓展性指的是標定系統的控制策略、通信方式、傳感器、微控制器等方面的技術在不斷的發展，可以在不改變已有模塊的前提下，將最新的技術應用到標定系統中來；可互換性指的是標定系統各功能模塊相互之間獨立，相互之間的訪問通過標準的接口，每一個功能模塊都可以被相同接口的模塊替換，方便對系統進行更新以及升級。2.3 國內外電控發動機標定技術的發展現狀2.3.1 國外標定技術發展現狀近年來，電控柴油發動機的發展有點跟不上時代發展所提出的要求。解決這些問題的一個有效的方法就是將電子控制技術應用到汽車和發動機上。目前在國外，發動機電控系統優化匹配的研究正在成為熱點研究問題。在國外，各大汽車生產廠家，研究

35、單位都十分重視在線標定系統的開發設計工作，用了很大的精力去完善和改進在線標定系統的功能，提高實驗的自動化水平和實驗精度，縮短電控系統開發周期，最終提高了產品的競爭力。國外針對電控發動機臺架匹配標定試驗專門設計了試驗臺、試驗測試系統及試驗設備，并且每種類型的發動機都配以專用的電控系統，為實驗周期長的專項實驗做好了準備。目前，歐美國家對匹配標定的研究已發展得比較完備，而且不斷有新的標定軟件問世，比如大眾公司的vsloo以及通用公司的CalTool均為目前較為先進的標定系統。國際上在電控發動機標定技術上處于領先地位的是德國的SCHENCK公司和奧地利的AVL公司。以SCHENCK公司的系統為代表，如

36、圖21所示，該系統從結構上看屬于多機控制標定系統，自動化程度高，系統包括三個層次。標定系統主機通過專用接口卡與試驗臺自動控制計算機通訊，實現對發動機-N功機系統和標定控制臺的控制，完成工況點設定、控制參數設定、發動機性能參數和狀態參數采集等功能世，比如大眾公司的vsloo以及通用公司的CalTool均為目前較為先進的標定系統10。圖2.1 SCHENCK公司的發動機自動化標定系統SCHENCK公司的發動機基本控制參數試驗標定軟件包叫VEGA，它基于微軟公司的WINDOWS NT操作系統。該軟件包除了具有進行控制參數標定所必需的控制、測量、優化等功能，還具有對測試循環進行分析的功能，可以計算代表

37、工況點。其基本原理是基于擴展目標函數法，完成一個帶有噴油定時自動控制裝置的直列泵的優化匹配，只需進行7輪迭代試驗，與單參數試驗和手工優化方法相比，大大地節約了時間，提高了精密度。AVL公司的自動化標定系統CAMEO如圖22所示，其在結構和功能上有與VEGA系統相似之處，但CAMEO系統集成的數據庫，并不作為標定對象模型，而是單純的數據存儲功能。CAMEO的特點是它能與MATLAB軟件相結合實現試驗設計、試驗數據建模、優化算法及MAP生成等功能。圖2.2 CAMEO自動優化標定系統我們可以看出來，把兩種優化方法結合結合起來是SCHENCK公司和AVL公司的自動化標定系統的特點。另外采用不同的方法

38、求解全局優化問題對整個優化試驗過程和優化試驗結果有直接影響。從很多文獻中看，國外普遍采用Lagrange乘子法和遺傳算法進行求解11。2.3.2 國內標定技術發展現狀國內目前的標定技術基本是借鑒國外的經驗并根據自身的實際情況進行探索性試驗。我國在標定方面和發達國家的差距較大，尤其是在自動標定和優化控制軟件方面，要發展民族汽車工業，就必須建立自己的標定系統。國內標定系統研究雖然己經取得些進展，但大多采用人工在線標定方法，存在標定成本較高且標定質量難以保證的不足，不能滿足工程實踐的要求；購置國外自動標定系統價格又過于昂貴。我國汽車工業比較落后，但在，“八五”期間和“九五”期間，汽車電子控制技術國家

39、科技攻關項目為發動機電控系統標定技術打下了良好的基礎。電控發動機真正走向產業化的任務己刻不容緩，發動機電控標定技術在這個過程中起著關鍵性作用。近年來，清華大學與北京吉普車有限公司合作進行了切諾基吉普車配裝電控系統的標定試驗；上海交通大學利用引進的vsloo優化標定軟件進行了電控汽油機的標定試驗；北京理工大學開發了在線標定匹配系統與采用Intell96單片機的JSl25汽油機電控單元在實驗臺上進行了標定實驗：吉林大學與長春汽車研究所研制了基于計算機控制的柴油機電控標定系統，圖23所示為開發的6110電控柴油機標定系統。監控PC機通過鍵盤和鼠標接受命令，ECU按照接受到的PC機命令控制執行器動作，

40、采集發送數據。ECU把傳感器采集的信號作為發動機運行參數傳給PC機，通過顯示器監視發動機運行狀態。專用CPU選用M68HC05單片機。串行通信接口電路完成PC機RS232串行通信接口和單片機串行通信接口SCI間的電平轉換。該系統針對MDTICS泵和6110柴油機進行了優化匹配，尋找不同工況下滿足要求的供油量和供油提前角，以改善柴油機的性能。標定系統的應用試驗，獲得了圓滑豐滿的扭矩特性和最佳經濟性，提高了發動機控制的靈活性。這些都推進了我國電控發動機產業化的進程12。圖2.3 柴油機標定系統國內發動機電控系統的研究起步比較晚，但到目前為止，已經取得了較大進展，已研制成功了適用于各種發動機機型的不

41、同控制模式的電控系統，但距離實用仍有相當大的差距。除了可靠性、工藝性等原因外，關鍵是電控系統與發動機優化匹配的工作沒有開展起來，而不經過優化匹配，就無法獲得良好的性能，也就無法體現出電子控制相對于機械控制的優勢，實用推廣也就無從談起。解決優化匹配問題，切實提高電控發動機的各項性能是國內發動機電控系統從實驗室走向生產應用的關鍵。發動機匹配(Matching)是指為某型發動機配用電控系統，使之實現發動機及整車的各種性能要求，而對整車、發動機、電控系統進行選型、配套設計、部件適配、標定以及為此進行的各種試驗與開發的整個過程。其中難度最高、工作量最大的就是標定工作，而且最終整車的各項性能的優劣在很大程

42、度上取決于標定工作的水平。我國的汽車產業正在迅猛發展，電控發動機已經從引進國外的產品逐漸轉為自主研發，電控發動機標定技術在這個過程中起著關鍵性作用。近年來，國內企業和大專院校、科研院所在發動機標定系統的研究方面已經做了許多有意義的探索，并取得了一些階段性的成果。雖然國內對電控發動機標定系統的研究取得了以上成果，但是這與國際先進水平相比，還存在以下問題：1)參數標定處于手工與自動化之間的狀態目前，國內標定系統中ECU、測功機、油耗儀、廢氣分析儀之間是相互獨立的，不能共享數據。在進行電控系統控制參數臺架標定時，發動機工況的設置和發動機性能變化的監控都需要由人工干預完成。2)未采用全局優化思想全局優

43、化根據一定的汽車測試規范確定發動機若干代表工況，對他們的控制參數進行綜合優化，能實現發動機各性能指標之間良好的折中，滿足汽車整體性能的要求。傳統的標定方法經常是根據進口樣本獲得發動機某些控制參數與MAP數據，無法獲得發動機和汽車的整體最優性能。3)未實現真正意義上的在線標定一般標定分離線標定和在線標定。在線標定指在發動機運行過程中對控制參數、MAP數據進行修改，這是發動機標定實時優化的必要前提，對標定主機通訊方式與通訊速率提出了很高的要求，要實現真正的在線標定還有待提高這方面的水平。4)未實現商品化國內的標定系統主要是由高校，汽車研究機構，并未實現真正意義上的汽車廠商通過這些機構的研制進行整車

44、試裝。汽車廠商只為有限的機型自己研制，這就決定了其不成熟、不完善，缺乏不斷推出新版本的限制13。2.5 本章小結本章介紹了發動機標定系統的組成以及功能，分析了發動機標定系統應該具有的特點，闡述了目前國內外發動機標定系統技術的發展，分析了國內發動機標定系統發展的不足之處。3 電控柴油發動機標定試驗準備我們以以YC4112LQ四氣門柴油機為標定對象。這是一款玉柴集團生產的典型的電控柴油發動機。為適應國內更嚴格的排放法規,根據研發歐3產品的發展方向,廣西玉柴機器股份有限公司技術中心試驗室在試驗中采用了成飛單體泵及控制系統,將原有的YC4112ZQL四氣門渦輪增壓中冷柴油機改造為電控單體泵柴油機,旨在

45、將原機的歐2排放水平提高到歐3排放水平,如表3.1為YC4112LQ發動機的各性能參數。表3.1 YC4112LQ發動機參數型號YC4112LQ型式直列、水冷、四沖程、直噴增壓缸徑*行程 mm112*132氣缸排量 L5.202標定功率 kW155標定轉速 r/min2200標定點油耗率 g/kW.h235最大扭矩 N.m820最大扭矩轉速 r/min<=1500900轉扭矩 N.m>=780加速煙度 Bosch<=2.0怠速穩定轉速（r/min）650-700目前我國在電控柴油機的試驗研究方面僅僅是出于起步階段。本試驗主要研究柴油機燃油標定、功率的標定和高原標定，供油提前角

46、的變化對電控柴油機的性能和排放影響，同時對進排氣系統、增壓系統的匹配進行優化，最終使得電控柴油機在性能、排放方面達到較好的匹配效果。3.1 標定系統選擇我們采用如圖3.2所示的系統來進行標定： ECU控制執行器動作并且采集發送數據，命令是由PC機接受并傳輸的，ECU處理完數據之后再將數據傳回給PC機,PC機在顯示屏上顯示ECU運行狀況。發動機測試設備測試各項性能指標,測量值通過鍵盤輸入PC機,由PC機記錄并存儲。圖3.2 標定系統結構專用CPU選用M68HC805B6單片機。串行通訊接口電路完成PC機RS-232串行通訊接口和單片機串行通訊接口SCI間的電平轉換。監控PC機軟件的質量決定標定系

47、統的能,Windows環境下開發的PC機軟件包,以Visual Basic作為編程語言,集成了Access、Excel、Matlab等應用軟件,大大提高了標定工作的靈活性。這個電控柴油機標定系統可以實現的功能有：控制ECU工作、完成數據采集、處理并且存儲試驗數據、生成MAP并且優化14。3.2 優化標定方法3.2.1 局部優化與整體優化柴油機燃燒室噴油霧線標定要解決的問題是：在一定的條件下,以使電控柴油機達到最佳性能為目標的各種優化問題15。3.2.1.1 局部優化局部優化只在特定的發動機運行狀態下進行,與其它運行狀態無關。這是一種比較簡單的情況,此時目標函數與約束的變化只與控制參量的變化有關

48、。選擇供油量作為控制參量,其它控制量如供油提前角不變。為保證發動機的正常運轉需要設置一些約束條件如煙度限制、排溫限制、最大缸內壓力限制等。這些約束被稱為狀態約束,它們只作用于這一特定的運行狀態,其它運行狀態可以有不同的定義。3.2.1.2 整體優化整體優化不是在某一運行狀態下,而是在一系列發動機運行狀態下進行。最典型的是在一個排放實驗循環內進行優化,通過優化達到在滿足排放法規的前提下,追求特定性能的目標。在YC4112電控柴油機的標定優化過程中,發動機的運行狀態由ECS(歐洲穩態循環)實驗決定（如圖3.3），選擇供油提前角作為控制參量。整體優化的結果依賴于實驗循環內不同工況下控制參量的變化。由

49、于在YC4112電控柴油機應用開發的前期工作-燃燒開發過程中,在采用具有較高噴射壓力的電控噴油系統的同時,己經對諸如進氣渦流、燃燒室、油嘴、高壓油管、凸輪軸、增壓器等部件進行了匹配，從實機試驗中得知其微粒排放比較容易達到歐3的排放標準因此在這里主要是以氮氧化合物的排放約束作為整體約束。圖3.3 ESC13工況穩定循環試驗規范圖3.4 YC4112電控柴油機的理想外特性曲線根據13工況穩態循環試驗規范YC4112電控柴油機的理想外特性曲線（圖3.4）得出歐3排放和扭矩的設定如表3.5所示：表3.5 歐3排放轉速和扭矩的設定以上分析可以看出,標定工作優化問題可由發動機運行狀態、控制參量、目標和約束

50、4個方面定義。3.2.2 優化方法選擇圖3.6所示的優化試驗過程提供了求解上述優化問題的具體方法。在最初始的優化試驗循環,控制參量取少量數據點粗略地覆蓋整個可變范圍,通過少量試驗產生控制參量的整個變化范圍內目標與約束的擬合曲線。例如在某一工況下,油耗和Nox排放隨供油提前角而變化,把測得的油耗和Nox排放數據擬合成兩條二次曲線,如圖3.7,圖上標出了無排放約束時油耗的最優解和有排放約束時油耗的最優解。選擇二次曲線作為曲線擬合函數是因為實踐證明二次曲線與發動機性能指標的變化趨勢基本符合,而且標定試驗對模型的精度要求不高,二次曲線可以大大減少運算量。使用Matiba應用程序庫中的函數POYFIT可

51、以用最小二乘法獲得試驗數據模型16。圖3.6 優化實驗流程圖3.7 有約束和無約束最優解3.3 標定試驗的分析方法標定試驗工作量巨大，面對數以萬計的大量試驗數據，如何進行分析，從而標定出正確的控制參數，分析方法是至關重要的。試驗通常采用的基本分析方法大致有以下三種。（1）工況分析法。工況分析指的是在實驗過程中同時、均勻地采集記錄工況信息和ECU的測控參數，收集完數據之后就要對數據進行處理。這里特別強調“同時"的重要性，只有各測量數據具有同樣的時間基準，才便于對試驗數據進行正確的分析。工況分析法深入到發動機的任一工況中去，可根據記錄的信息，分析ECU所發出的控制參數是否符合我們要求的目

52、標，以及數學模型的控制策略正確與否。這種方法花費少，簡單易行，是標定試驗中基本的分析手段。(2)空燃比分析法空燃比的測量方法有兩種：一種是供給空燃比，由測量供油量和進氣量計算得到；另一種是實際燃燒空燃比，由排氣分析得到。前一種方法不能連續測量，只能測得平均的空燃比，用于穩態工況，顯然不能滿足電控系統標定的要求。后一種方法響應快，能進行連續分析，并直接反映氣缸內的燃燒狀況，對動態過程分析具有極大的優越性。大型的排氣分析設備能從排氣中分析空燃比，適用于發動機臺架試驗。小型專用的空燃比分析儀，雖然精度差一些，但能隨車進行測量，對整車道路試驗非常有用。電控系統對發動機噴油量的控制，實質上就是對發動機不

53、同工況所需的最佳空燃比的控制，因此對供給空燃比和實際燃燒空燃比進行對比分析更有助于獲取標定試驗中的最佳控制參數。(3)排氣分析法排氣分析就是在試驗過程中記錄排氣中各種氣體成分的全部分析數據，然后進行整理、計算和分析。排氣分析直接反映缸內的燃燒狀況，是標定試驗中的重要判據。國外發展電控技術的根本起因是為了解決排氣污染問題。國內的排放法規也日趨嚴格，因此排氣分析是標定試驗中必不可少的手段。3.4 本章小結本章主要介紹了YC4112電控柴油發動機的性能參數以及我們所要采用的標定方法，闡述了局部優化和全局優化的定義以及他們的區別，并且進一步地介紹了標定試驗的分析方法，為下一章節優化的敘述做好了準備。4

54、 YC4112電控柴油發動機標定試驗4.1 燃燒室內噴霧油線的優化標定柴油機電控系統的開發一般可以分為研制開發和應用開發兩個階段。研制開發工作主要包括傳感器、執行器和電控單元硬件軟件的研制。系統的應用開發主要解決電控系統與發動機的匹配問題,這時需要反復進行發動機臺架試驗和道路試驗,多次修改ECU中的數據,逐步完善的工作量十分巨大。在當今各種具有分析、模擬、預測、評價、優化等功能的CAD/CAM/CAE技術發展得紅紅火火的年代,在進行應用開發試驗的同時,輔以計算機仿真技術,則可以縮短產品開發的周期,降低成本。柴油機電控系統所改善的是燃燒過程中極為重要的組成部分即其噴油過程,但是噴油過程不是影響燃

55、燒過程的好壞的唯一因素。噴射壓力提高后,高壓噴射系統需要和燃燒室良好匹配,才能達到預期的效果。因此,在YC4112電控柴油機燃燒開發過程中,我們首先利用CAD軟件對噴霧油線在燃燒室內的分布進行優化。4.1.1 理論基礎直噴柴油機噴霧特性與燃燒室的匹配是影響柴油機性能的最重要的因素之一。小缸徑直噴燃燒系統采用半開型燃燒室,通過適當的進氣渦流組織油氣混合燃燒。噴霧油束在燃燒室內的分布,應能充分利用燃燒室內的每一處空氣,使油氣在燃燒室內盡量以等空燃比混和,通過缸內氣流運動的組織,使局部混合氣盡可能均勻。噴霧油線與燃燒室的匹配,己有的研究資料已提供了一些評價和設計的準則,如油線在活塞頂燃燒室投影的等面

56、積、等圓弧分布及噴油嘴頭部伸出氣缸蓋高度值等。已有的研究在討論噴霧油束在燃燒室軸向分布時,一般用油線在燃燒室壁的落點高度、油嘴伸出氣缸蓋的高度值、以及噴油嘴的噴孔夾角等表示。采用上述參數僅能考慮單一因素的影響,而另一個重要的因素一氣缸余隙未列入其中。若將這些參數歸納為一個評價參數來表示,即各噴油油線形成的錐面把燃燒室有效空間分成上下兩部分容積,為使油氣沿燃燒室軸向分布均勻,活塞到達上止點位置時,油線形成的錐面把燃燒室空間分成的這兩部分容積應該相等。查閱資料得知已有的研究在討論噴霧油束在燃燒室軸向分布時,一般只考慮單一因素的影響。而實際情況應該是：在確定了噴油嘴位置之后,影響油線空間軸向分布的因

57、素還有很多17。4.1.2 實機試驗用于進行燃燒系統匹配的燃燒室和油嘴的種類比較多,在該項試驗中選用的是達歐排放水平的原機的燃燒室A和專為電控柴油機所設計的燃燒室B。以油束夾角為148°的油嘴分別對燃燒室A和B進行匹配,優化油嘴突出高度。首先,確定不同油嘴突出高度時的Vr值,如圖4.1。可以看到,當油嘴突出高度為2.8mm時,夾角為148°的油線形成的錐面正好把燃燒室A等分。在進行實機試驗時,采用油嘴安裝加墊片的方法改變油嘴突出高度,使油嘴的突出高度分別為2.lmm、2.6mm和3mm,然后測量發動機的性能,部分試驗結果如圖4.2所示。圖4.1 不同油嘴突出高度對Vr值的影響（A活塞）圖4.2 不同噴油嘴突出高度時的性能變化（A活塞）測試結果表明,當油嘴突出高度使油線形成的錐面接近等分燃燒室時,即突出高度為2