1、 Boost 100191-Based Calibration of a gasoline engineInvestigation of the Min Boost andAbstract: The Boost software of the AVL and the Menvironment-Based Calibration toolboxabsoftware were used to optimize the torque characteristic and the fuel economy of a gasoline engine.The progress of the calibra

2、tion was elaborated, including building Boost m, selecting testingpos, mathematical Ming and calibration optimizing. The ignition timing map and theamount of fuel injection of each cycle map were given, as well as the engines torque map and fuelconsumption map, which would be of great reference valu

3、e to the engines designing work.Keywords: engine; mAVL-based calibration; pre-calibrationBoostMBC M-Based CalibrationBoostMAP2070123BoostBoost1)2)Boost3)4)max BTQ(S, n, L, Q) andmin b (S , n, L, Q)e( Tex )max Lim TexP Lim Pmaxmax( dpdp) Limddmax式中BTQ為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；S為基本點(diǎn)火提前角；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；L為節(jié)氣門開度；Q為循環(huán)噴油量； be 為燃油消耗

4、率；Tex 為排氣溫度； Lim Tex 為排氣溫度限值； Pmax 為最高爆發(fā)壓力；max 為最高爆發(fā)壓力限值；為燃燒壓力升高率；d 為燃燒壓力升高率限值。標(biāo)定的優(yōu)化目標(biāo)是轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率通過標(biāo)定點(diǎn)火提前角和循環(huán)噴油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)在每一工況點(diǎn)上都能在滿足排氣溫度、最高爆發(fā)壓力和壓力升高率的限制條件下達(dá)到較高的轉(zhuǎn)矩和較低的燃油消耗率。三、 發(fā)動(dòng)機(jī)的物理模型研究對(duì)象為四沖程四缸水平對(duì)置汽油機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用廢氣渦輪增壓，圖 1 是其Boostd pd Lim dpLim P模型。該模型選用 Wacshni1978 研究傳熱損失，傳熱系數(shù)w為：0.8V T 130D pT 2.280.308c 0.0

5、03240.80.53 c D c,l 0.2p pucm wccmcc,op Tc,l c,l式中，D 為缸徑； pc 為缸內(nèi)壓力；Tc 為缸內(nèi)溫度； cm 為活塞平均速度；cu 為氣道實(shí)驗(yàn)臺(tái)上獲得的旋流速度；VD 為發(fā)動(dòng)機(jī)排量； pc,o 為發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖時(shí)缸內(nèi)壓力；Tc,l 為進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻缸內(nèi)的溫度； pc,l 為進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻缸內(nèi)的壓力4。選用韋伯函數(shù)描述缸內(nèi)燃燒的放熱規(guī)律，燃料燃燒百分率 xa為：a - a m1x 1- exp-6908()aaz式中， a 為曲軸轉(zhuǎn)角， a 為燃燒起始角； az 為燃燒持續(xù)角；m 為燃燒品質(zhì)指數(shù)。韋伯函數(shù)中的三個(gè)參數(shù)a 、az 和m的取值非常重要，直

6、接影響到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度?？梢詫l(fā)動(dòng)機(jī)示功圖上壓力曲線明顯脫離壓縮曲線的曲軸轉(zhuǎn)角作為燃燒起始角，將燃料的放熱率等于傳熱率時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角作為燃燒終止角，然后根據(jù)燃料燃燒的百分率曲線擬合出燃燒品質(zhì)指數(shù)m。但是這個(gè)過程相 當(dāng)繁瑣，在這里選用Boost軟件計(jì)算。在Boost中輸入發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖可以很快的計(jì)算出a 、az 和m的值，節(jié)省大量時(shí)間。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)出來之前，可以選用相近發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖代替。圖2是發(fā)動(dòng)機(jī)在某工況下的示功圖，試驗(yàn)值是在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中測(cè)出的示功圖，模擬值是把根據(jù)該試驗(yàn)值計(jì)算出的a 、az 和 m的值帶入Boost軟件中仿真得到的發(fā)動(dòng)機(jī)的示功 圖。從圖上可以看出模擬值與試驗(yàn)值相比除峰值

7、壓力略高外，其它值都非常吻合，最大誤差小于4。在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上做出部分工況點(diǎn)的示功圖，再由示功圖計(jì)算出各工況點(diǎn)的a 、az 和m的值，其它工況點(diǎn)可以通過插值的方法得到。四、 工況點(diǎn)的選取及仿真計(jì)算由于發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)的不斷增多，各個(gè)參數(shù)之間的相互作用使得發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)和標(biāo)定數(shù)據(jù)急劇上升，利用多變量交叉綜合對(duì)每一工況的所有控制參數(shù)的排列組合進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)標(biāo)定圖 1 發(fā)動(dòng)機(jī)的 Boost 模型圖 2 發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖方法是不可能實(shí)現(xiàn)的5。近年來，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design of Experiment）在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定過程中得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇最有效的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，大大減少了發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量

8、，可以在提高標(biāo)定精度的同時(shí)降低標(biāo)定成本。本研究將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n、節(jié)氣門開度 L、點(diǎn)火提前角 S 和循環(huán)噴油量 Q（由于在 Boost 模型里面不能控制循環(huán)噴油量，所以在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)里面用空燃比AFR 代替，在后面的標(biāo)定優(yōu)化里面再換算成循環(huán)噴油量 Q）作為設(shè)計(jì)變量，其中 S 屬于局部變量，n、L、和 Q 屬于全局變量，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得到了 80 個(gè)實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)，其分布見圖 3。工況點(diǎn)選取了以后，依次改變局部變量點(diǎn)火提前角 S，用Boost 模型仿真計(jì)算出設(shè)計(jì)的各工況點(diǎn)處與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n 和節(jié)氣門開度L對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、循環(huán)進(jìn)氣量、空燃比（AFR）、功率、排氣溫度、最高爆發(fā)壓力和最高壓力升高率等。然后由循

9、環(huán)進(jìn)氣量和 AFR 計(jì)算出循環(huán)噴油量Q，再由 Q、功率和轉(zhuǎn)速等計(jì)算出燃油消耗率。圖 4 是在節(jié)氣門開度不變的條件下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的速度特性，從圖中可以看出模擬值比試驗(yàn)值略低，但是非常接近，誤差小于 3。五、 發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型圖 3 發(fā)動(dòng)實(shí)驗(yàn)工況的分布100模擬值試驗(yàn)值）m 98 N（ 矩96轉(zhuǎn)949290340039004400490054005900轉(zhuǎn)速（r/min）圖 4 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的速度特性建立發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型就是通過統(tǒng)計(jì)建模的方法建立前面模擬仿真的離散量之間的函數(shù)關(guān)系。需要建立的模型主要包括兩類：局部模型和全局模型。型5.模1 局部局部局模型局型局部模型就是獨(dú)立地對(duì)各個(gè)工況點(diǎn)的控制參數(shù)建立

10、模型。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了 80 個(gè)工況點(diǎn)，經(jīng) Boost 模型仿真計(jì)算后得到 80 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，組內(nèi)數(shù)據(jù)的自變量為局部變量 S，因變量為 BTQ和 be ；組間數(shù)據(jù)的自變量為全局變量 n、L 和 Q ，因變量是每組局部模型的回歸系數(shù)。局部模型就是在組內(nèi)建立BTQ 和 be 隨 S 變化的函數(shù)關(guān)系，選用組合二次回歸模型：BTQ c1(S k )2 max if S kc2 (S k )2 max if S k式中的 c1、c2、max 和 k 都是局部模型的回歸系數(shù)，其中 k 是局部最佳點(diǎn)火提前角；max是局部最大轉(zhuǎn)矩；c1 是局部最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)右邊二次回歸模型的二次系數(shù)；c2 是局部最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)左邊二次回歸

11、模型的二次系數(shù)。圖 5a 是其中一個(gè)工況點(diǎn)處轉(zhuǎn)矩的局部模型：藍(lán)色點(diǎn)為仿真計(jì)算的點(diǎn)，紅色點(diǎn)為最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，曲線是二次回歸模型。b 圖是該模型各點(diǎn)的殘差，從圖中可以看出建模精度非常高，全部點(diǎn)的誤差都小于 0.2。be 的局部模型類似。a）用組合二次回歸模型建立的轉(zhuǎn)矩的局部模型圖 5 局部模型b）殘差5.2 全局模型全局模型是將所有的工況點(diǎn)綜合起來，建立局部模型回歸系數(shù) a、b、max 和 k 關(guān)于全局變量 n、L 、Q 的函數(shù)關(guān)系。實(shí)踐證明選用混合徑向基函數(shù)(Hybrid Radial Basis Function，簡稱Hybrid RBF 函數(shù))建模具有很高的精度，比如對(duì)于回歸系數(shù) max，圖 6

12、 是其全局模型觀測(cè)值（橫坐標(biāo)）與預(yù)測(cè)值（縱坐標(biāo)）的分布圖，直線表示觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值相等，即越接近直線，精度越高。a 圖選用的是二次回歸模型，圖中有些點(diǎn)離直線較遠(yuǎn)，且分布較散，部分點(diǎn)的模型誤差大于 10。b 圖選用的是 Hybrid RBF 函數(shù)，可以看到所有點(diǎn)都非常接近直線，幾乎全部點(diǎn)的模型誤差都小于 3。a）二次回歸模型預(yù)測(cè)值與觀察值的分布b）Hybrid RBF 函數(shù)預(yù)測(cè)值與觀察值的分布圖 6 max 的全局模型六、 優(yōu)化標(biāo)定及結(jié)果數(shù)學(xué)模型建立好以后就可以利用該模型進(jìn)行標(biāo)定優(yōu)化。求解多目標(biāo)優(yōu)化最基本也是最常用的方法是評(píng)價(jià)函數(shù)法。評(píng)價(jià)函數(shù)法的基本思想是借助幾何或應(yīng)用中的直觀背景，構(gòu)造所謂的評(píng)價(jià)

13、函數(shù)，從而將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，然后利用單目標(biāo)優(yōu)化求解方法求出最優(yōu)解，并把這種最優(yōu)解當(dāng)作多目標(biāo)優(yōu)化的最優(yōu)解6。這里選擇的 NB（I Normal Boundaryersection）多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)就是其中一種。圖 7a 和 b 分別是標(biāo)定優(yōu)化后循環(huán)噴油量和點(diǎn)火提前角的MAP 圖，c 和 d 分別是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率的 MAP 圖。優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)性能表明轉(zhuǎn)矩最大值為 130N.m(4650r/min)；燃油消耗率在中高負(fù)荷都較低，在 250300g/(kWh)之間；小負(fù)荷時(shí)燃油消耗率較高，最高達(dá)到了 390 g/(kWh)，這是由小負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率和指示熱效率均降低造成的

14、。a）循環(huán)噴油量 MAP 圖b）點(diǎn)火提前角 MAP 圖c）優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩圖 7 標(biāo)定優(yōu)化結(jié)果d）優(yōu)化后的燃油消耗率1AVLBoost2Hybrid RBF3BoostBoost4NBIMAPMAP1 MirkoKnaak, Steffen Schaum, and Karsten Roepke. Fast measurement byegratingm-based methods and advanced test-cell automation. Proceedings of the 2006 IEEEernational Conference on Control Applications Munich, Germany, October 4-6, 20062 Merten Jung, Keith Glover. Calibratable Linear Parameter-Varying Control of a TurbochargedDiesel Engine. IEEE Tran2006ions on Control Systems Technology, VOL. 14, No. 1, January3,.ECU.2007(29)74 Users Guide of AVL Boost ver5.1. January 20085.2008.03.67