王衍濤, 張小明, 陳明, 周東翔, 賀喆

1.陸軍裝甲兵學(xué)院，北京100072； 2.陸軍裝備部駐沈陽(yáng)地區(qū)第三軍事代表室，遼寧沈陽(yáng) 110031

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性是指當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，性能指標(biāo)隨負(fù)荷而變化的關(guān)系，即當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)于每一種曲軸轉(zhuǎn)速，調(diào)速器的杠桿系統(tǒng)和供油齒桿位移都有完全確定的相應(yīng)位置[1-2]。通常，在一款新型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)定型后，量產(chǎn)裝配前均要進(jìn)行負(fù)荷特性分析，以便正確評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)性能，提出改進(jìn)需求。已裝配到車(chē)輛上的發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用過(guò)程中，通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前負(fù)荷特性，并與該型發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷特性進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前技術(shù)狀況具有重要參考價(jià)值。然而，兩方面原因?qū)е仑?fù)荷特性在發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀況評(píng)估中并未發(fā)揮作用:一方面負(fù)荷特性的測(cè)取需要發(fā)動(dòng)機(jī)保持穩(wěn)態(tài)工況，車(chē)輛使用過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)絕大部分時(shí)間都處于非穩(wěn)態(tài)工況下[3-4]，直接測(cè)取負(fù)荷特性難以實(shí)現(xiàn)，而目前對(duì)于非穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性測(cè)量方面的研究尚未查到；另一方面，目前發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性通常只針對(duì)特定轉(zhuǎn)速特定負(fù)荷進(jìn)行了測(cè)試，而在車(chē)輛實(shí)際使用過(guò)程中要做到轉(zhuǎn)速和負(fù)荷都符合這些特定轉(zhuǎn)速特定負(fù)荷幾乎不可能。

徑向基(radial basis function，RBF)函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，收斂速度快，能夠逼近任意非線性函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)[5-6]。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性可以看作是各項(xiàng)性能參數(shù)隨工作狀況變化的非線性函數(shù)，因此，本文提出一種基于RBF非穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性測(cè)取方式，通過(guò)對(duì)各種負(fù)荷非穩(wěn)態(tài)工況下參數(shù)的相應(yīng)變化進(jìn)行RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，解析后求出穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性。

1 基本原理

目前發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性都是在試驗(yàn)臺(tái)架上完成。試驗(yàn)時(shí)，改變發(fā)動(dòng)機(jī)承受的負(fù)荷，并相應(yīng)調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)的油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以保持發(fā)動(dòng)機(jī)處于規(guī)定的轉(zhuǎn)速狀態(tài)，待工況穩(wěn)定后測(cè)量和記錄當(dāng)前的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及其他參數(shù)，得到一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，將不同負(fù)荷的試驗(yàn)點(diǎn)相連即可得到某一轉(zhuǎn)速下負(fù)荷特性曲線。為較全面反映發(fā)動(dòng)機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性，一般需要對(duì)多種轉(zhuǎn)速分別做負(fù)荷特性試驗(yàn)，繪制出各轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性曲線。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性可以反映多種性能指標(biāo)，如柴油機(jī)充量系數(shù)Φc、指示熱效率ηit、有效燃油消耗率be等隨轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的變化關(guān)系。在穩(wěn)態(tài)工況下，確定負(fù)荷和轉(zhuǎn)速后，根據(jù)負(fù)荷特性曲線，就可以算出Φc、指示熱效率ηit等參數(shù)。

以此為基礎(chǔ)，本文中假設(shè)在非穩(wěn)態(tài)工況下確定負(fù)荷和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以及一個(gè)表征發(fā)動(dòng)機(jī)非穩(wěn)定狀態(tài)程度的特征量，就會(huì)有且僅有一個(gè)確定的Φc、ηit、be等性能指標(biāo)。若假設(shè)成立，在非穩(wěn)態(tài)工況下就可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性的測(cè)取。非穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性本質(zhì)就是求取發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷以及非穩(wěn)定狀態(tài)程度而變化的隨動(dòng)關(guān)系。為求取這一隨動(dòng)關(guān)系，選取發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角加速度表征發(fā)動(dòng)機(jī)非穩(wěn)定狀態(tài)的程度，與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出軸扭矩作為輸入量，有效燃油消耗率作為輸出量構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，求取四個(gè)參數(shù)之間的相互關(guān)系，進(jìn)而求出非穩(wěn)態(tài)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本采集

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要大量樣本，以某型裝甲車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，大量采集該發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、曲軸角加速度、輸出軸扭矩以及有效燃油消耗率等4個(gè)參數(shù)。

1)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

由安裝在飛輪殼上的磁電式傳感器完成，轉(zhuǎn)速傳感器安裝位置如圖1所示。

2)曲軸角加速度

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的變化來(lái)計(jì)算當(dāng)前曲軸的角加速度。

3)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸扭矩

由于在實(shí)車(chē)上發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸端沒(méi)有合適位置安裝扭矩測(cè)試設(shè)備，選取試驗(yàn)車(chē)輛的綜合傳動(dòng)箱至側(cè)減速器中間的傳動(dòng)軸作為扭矩測(cè)試點(diǎn)，測(cè)得該點(diǎn)扭矩后通過(guò)傳動(dòng)箱傳動(dòng)比和機(jī)械效率可以推算出發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的扭矩。扭矩傳感器安裝位置如圖2所示。

4)有效燃油消耗率

有效燃油消耗率無(wú)法直接測(cè)得。采用測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)加油尺桿位置，后期再通過(guò)噴油泵泵油特性計(jì)算單周期噴油量進(jìn)而推算有效燃油消耗率的方法。

在試驗(yàn)過(guò)程中，為保證采集到盡可能多的負(fù)荷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)變化情況，對(duì)車(chē)輛在平地以及不同坡度道路行駛過(guò)程進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，其中最大爬坡度為32°時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于最大負(fù)荷工況，由于瞬態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)存在一定的不確定性[7-9]，對(duì)每種工況均采集了3組以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)以降低瞬態(tài)工況不確定性造成的誤差。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1) 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速n。直接采用所測(cè)數(shù)據(jù)。

2) 輸出軸扭矩Tf。由測(cè)點(diǎn)位置扭矩Tc、綜合傳動(dòng)箱傳動(dòng)比ic，傳動(dòng)箱機(jī)械效率ηc計(jì)算，計(jì)算式為：

Tf=Tc/(icηc)。

(1)

3)曲軸角加速度α。為相鄰兩次采樣轉(zhuǎn)速之差除以采樣時(shí)間間隔，計(jì)算式為：

αi=120π(ni-ni-1)/Δt=120π(ni-ni-1)fs，

(2)

式中：αi為第i次測(cè)試所得的曲軸角加速度，rad/s2；ni為第i次測(cè)得的曲軸轉(zhuǎn)速，r/min；Δt為采樣間隔，s；fs為采樣頻率，Hz。

曲軸角加速度αi還與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸扭矩有關(guān)，車(chē)輛行駛加速度

ac=(F-Fz)/mc，

(3)

式中：F為車(chē)輛行駛動(dòng)力,F=Tficηcijηj/rz，其中Tf為輸出軸扭矩，N·m;ic為綜合傳動(dòng)箱傳動(dòng)比;ηc為傳動(dòng)箱機(jī)械效率;ij為側(cè)減速器傳動(dòng)比;ηj為側(cè)減速器機(jī)械效率;rz為主動(dòng)輪半徑,m。Fz為車(chē)輛行駛阻力,N。mc為車(chē)輛質(zhì)量,kg。

曲軸角加速度

α=(ac/rz)icij,

(4)

由式(3)(4)可得：

(5)

4) 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)油耗

由于利用發(fā)動(dòng)機(jī)加油尺桿位置計(jì)算噴油泵噴油量需要用到噴油泵噴油特性，但噴油泵噴油特性僅對(duì)特定轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，不能全轉(zhuǎn)速情況下實(shí)現(xiàn)尺桿位置信號(hào)向?qū)崟r(shí)油耗的轉(zhuǎn)換，所以采用尺桿位置信號(hào)spo代替實(shí)時(shí)油耗作為輸入量構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在繪制負(fù)荷特性曲線時(shí)將尺桿位置信號(hào)換算成實(shí)時(shí)油耗。

3.2 數(shù)據(jù)的篩選

試驗(yàn)過(guò)程中，車(chē)輛在第二次爬32°坡時(shí)，因駕駛員操作不當(dāng)導(dǎo)致車(chē)輛熄火倒滑，在此過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)處于非正常工作狀態(tài)，這段數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)刪除。試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算后的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸扭矩大部分為1000～1800 N·m，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)樣本的依賴性較強(qiáng)，在構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)僅構(gòu)建扭矩為1000～1800 N·m時(shí)的模型。在MATLAB中利用判斷語(yǔ)句可以快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的篩選。

3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

在MATLAB中，將處理過(guò)后的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n、曲軸角加速度α、輸出軸扭矩Tf歸一化后作為RBF的輸入量，加油尺桿位置信號(hào)spo歸一化后作為輸出量，步長(zhǎng)為1，神經(jīng)元個(gè)數(shù)設(shè)置為20構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果如圖3所示，當(dāng)神經(jīng)元個(gè)數(shù)為20時(shí)，誤差降至0.008 3,說(shuō)明利用發(fā)動(dòng)機(jī)速度、曲軸角加速度和輸出軸扭矩計(jì)算尺桿位置已經(jīng)具備一定可信度。

另選一段試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、曲軸角加速度和輸出軸扭矩輸入已訓(xùn)練完畢的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真計(jì)算加油尺桿位置，與實(shí)測(cè)的加油尺桿位置進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。由圖4可知,利用仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真計(jì)算的加油尺桿位置與實(shí)測(cè)位置非常接近，說(shuō)明在非穩(wěn)態(tài)工況下，有了確定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、曲軸角加速度和輸出軸扭矩，能夠求出確定的加油尺桿位置。

4 負(fù)荷特性曲線繪制

取α=0°即穩(wěn)態(tài)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為2000、1600和1400 r/min時(shí)求得加油尺桿位置，進(jìn)而求得有效燃油消耗率的負(fù)荷特性曲線。

1)尺桿位置

取α=0°，n=2000 r/min，Tf=1000～1800 N·m，利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算尺桿位置。同理，可求出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1600 r/min和1400 r/min時(shí)穩(wěn)態(tài)工況下加油尺桿位置隨負(fù)荷的變化規(guī)律。

2)計(jì)算單周期油耗量

加油齒桿位移和各缸的單周期供油量存在線性關(guān)系[10]。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的穩(wěn)定工況測(cè)取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min，即噴油泵轉(zhuǎn)速為1000 r/min時(shí)每個(gè)加油尺桿位置400個(gè)周期的噴油總量，求均值即為單周期發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量，多項(xiàng)式擬合出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min時(shí)單周期耗油量與尺桿位置的關(guān)系，如圖5所示。

多項(xiàng)式擬合結(jié)果誤差為1.512×10-5，確定系數(shù)R2=0.999 7，可以認(rèn)為擬合曲線正確擬合了單周期耗油量同加油齒桿位置之間的關(guān)系。同理可擬合出轉(zhuǎn)速為1600 r/min和1400 r/min時(shí)單周期油耗量與尺桿位置的關(guān)系。

3)負(fù)荷特性曲線繪制

將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出的穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min時(shí)的加油尺桿位置用步驟2)中擬合出的多項(xiàng)式求出單周期耗油量koil。有效燃油消耗率[11-13]

be=B/Ps

(6)

式中：B為該工況下1 h總噴油量,g;Ps為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，kW/h;Ps=nTf/9550。

由于試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為6缸發(fā)動(dòng)機(jī)，則

B=180nkoil。

(7)

聯(lián)立(6)(7)可得

be=1 719 000koil/Tf。

同理可得轉(zhuǎn)速為1600 r/min和1400 r/min時(shí)的有效燃油消耗率隨負(fù)荷的變化關(guān)系，即負(fù)荷特性曲線。將利用模型仿真得到的穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性與發(fā)動(dòng)機(jī)廠家提供的負(fù)荷特性曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

由圖6可知，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果非常相近，說(shuō)明仿真結(jié)果基本正確，利用RBF對(duì)非穩(wěn)態(tài)工況數(shù)據(jù)進(jìn)行建模仿真不僅可以實(shí)現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)工況下負(fù)荷特性的求取，還能夠推算出穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性[14-15]。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)實(shí)車(chē)使用條件下發(fā)動(dòng)機(jī)絕大部分都處于非穩(wěn)態(tài)工況下的特點(diǎn)，提出了基于RBF的非穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性的測(cè)試方法，成功實(shí)現(xiàn)了用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、曲軸角加速度和輸出軸扭矩來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)的加油尺桿位置，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差低至0.008 3，并利用非穩(wěn)態(tài)工況下數(shù)據(jù)樣本繪制穩(wěn)態(tài)工況下負(fù)荷特性曲線。

該方法的意義不僅在于通過(guò)非穩(wěn)態(tài)工況試驗(yàn)樣本求取穩(wěn)態(tài)工況負(fù)荷特性，利用該方法在采集足夠的樣本后，可以建立覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速全負(fù)荷以及大部分非穩(wěn)定狀態(tài)范圍內(nèi)性能指標(biāo)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和非穩(wěn)定狀態(tài)的映射關(guān)系的求取，利用負(fù)荷特性對(duì)非穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)狀況評(píng)估。