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        基于DoE的柴油機(jī)排氣能量管理優(yōu)化

        2021-08-03 07:58:18陳棟棟彭麗娟李云華張萍陳靜
        關(guān)鍵詞:消耗率開度柴油機(jī)

        陳棟棟,彭麗娟,李云華, 張萍, 陳靜

        1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濰坊 261061;2.濰柴動(dòng)力股份有限公司,山東 濰坊 261061

        0 引言

        我國2018年發(fā)布的柴油機(jī)國六排放標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)了NOx等污染物的排放限值,新增了粒子數(shù)量(particle number,PN)排放限值,變更了污染物排放測(cè)試循環(huán),這一系列改變對(duì)柴油機(jī)排氣能量管理提出了更高的要求,特別是標(biāo)準(zhǔn)要求的冷態(tài)世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)(world harmozied transient cycle,WHTC),需要排氣溫度盡快提升至尿素起噴溫度并確保整個(gè)循環(huán)的排氣能量能夠維持在后處理化學(xué)反應(yīng)的合理區(qū)間內(nèi),排氣能量管理及控制成為柴油機(jī)開發(fā)的重點(diǎn)[1-2]。柴油機(jī)設(shè)計(jì)、開發(fā)過程日趨復(fù)雜,影響排放性能的參數(shù)不是相互獨(dú)立的,它們對(duì)柴油機(jī)燃燒參數(shù)的影響甚至是相反的,快速、高效、靈活地進(jìn)行柴油機(jī)標(biāo)定尋優(yōu),滿足排放性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的多重目標(biāo)成為當(dāng)代柴油機(jī)開發(fā)的重要課題,試驗(yàn)設(shè)計(jì)(design of experiment,DoE)方法是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑[3-5]。本文中以某重型國六柴油機(jī)為對(duì)象,以排氣能量管理為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)DoE方法及尋優(yōu)過程進(jìn)行詳細(xì)探討,對(duì)排氣能量管理的影響因素以及相互關(guān)系進(jìn)行分析,根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)確定最優(yōu)解并驗(yàn)證結(jié)果的可信性。

        1 DoE概述

        圖1 產(chǎn)品開發(fā)過程

        試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一系列試驗(yàn)及分析方法集,通過有目的地改變一個(gè)系統(tǒng)的輸入觀察輸出的改變情況。這個(gè)系統(tǒng)可以看作產(chǎn)品開發(fā)過程或生產(chǎn)過程,產(chǎn)品開發(fā)(尋優(yōu))過程如圖1所示,輸入可以是噴油器、共軌管、增壓器等,影響因素可以是噴油時(shí)刻、共軌壓力、增壓器開度等,輸出可以是燃油消耗率、soot、增壓壓力等?,F(xiàn)代DoE是一門以數(shù)學(xué)建模、統(tǒng)計(jì)學(xué)理論、計(jì)算機(jī)輔助建模為基礎(chǔ),基于模型優(yōu)化的前沿學(xué)科,DoE建模能夠極好地模擬真實(shí)工況[6]。AVL公司開發(fā)的CAMEO軟件是一種DoE建模工具,通過CAMEO設(shè)計(jì)建模后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能及圖形展示界面,可以清晰展現(xiàn)模型的發(fā)展趨勢(shì)以及標(biāo)定優(yōu)化結(jié)果。

        2 DoE設(shè)計(jì)優(yōu)化流程及分析

        完整的DoE優(yōu)化標(biāo)定過程分為設(shè)計(jì)、測(cè)試、建模、優(yōu)化、驗(yàn)證等階段,相應(yīng)流程如圖2所示。

        圖2 DoE優(yōu)化標(biāo)定流程圖

        2.1 設(shè)計(jì)

        設(shè)計(jì)階段的主要工作為:明確開發(fā)任務(wù)、確定目標(biāo)函數(shù)、明確控制變量及限值范圍、選擇合適的DoE設(shè)計(jì)方案、完成試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

        2.1.1 明確開發(fā)任務(wù)

        明確開發(fā)任務(wù)是DoE優(yōu)化標(biāo)定中最重要的環(huán)節(jié)。本文的開發(fā)任務(wù)是基于后處理的需求提高排氣能量管理水平,選擇局部?jī)?yōu)化方式,局部?jī)?yōu)化完成后對(duì)map進(jìn)行平順得到定型map。

        2.1.2 確定目標(biāo)函數(shù)

        根據(jù)開發(fā)任務(wù),確定優(yōu)化目標(biāo)為排氣能量盡可能高、有效燃油消耗率(brake specific fuel consumption,BSFC)盡可能低。其中,排氣能量是指柴油機(jī)燃燒后,單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)由排氣管帶走的熱量,與排氣溫度和排氣流量的乘積成正比。

        提高排氣能量管理水平是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題。根據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)水平及可靠性要求,限定進(jìn)氣總管的絕對(duì)壓力不低于75 kPa;考慮后處理顆粒捕集器的捕集效率及平順性要求,限定483煙度排放不超過5 mg/m3;考慮選擇性催化還原裝置的轉(zhuǎn)化效率及平順性要求,限定原機(jī)NOx比排放量不超過9 g/(kW·h)。

        2.1.3 明確控制變量及限值范圍

        影響排氣能量管理效果的零部件有高壓共軌燃油系統(tǒng)和進(jìn)排氣控制系統(tǒng)。高壓共軌燃油系統(tǒng)中的控制變量有主噴噴油角度βPhi、共軌管壓力prail、預(yù)噴噴油量、預(yù)噴噴油時(shí)刻、后噴噴油量、后噴噴油時(shí)刻,進(jìn)排氣控制系統(tǒng)中的控制變量有進(jìn)氣節(jié)流閥開度θTVA、排氣節(jié)流閥開度θETV、廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation,EGR)閥開度θEGR。

        在明確了需優(yōu)化的工況點(diǎn)(以轉(zhuǎn)速、循環(huán)供油量定位工況點(diǎn))后,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及柴油機(jī)的實(shí)際響應(yīng)進(jìn)一步確定每個(gè)控制變量的范圍,該過程稱為DoE范圍摸底[7]?;陂_發(fā)任務(wù)的響應(yīng)變量(輸出量)包含燃油消耗率ge、NOx比排放量、最高爆發(fā)壓力(pz)、排氣溫度(T41)、排氣能量(Eexh)、排氣流量、排氣煙度。

        2.1.4 選擇DoE設(shè)計(jì)工具

        CAMEO軟件中提供了中心復(fù)合設(shè)計(jì)(central composite design,CCD)和D-最優(yōu)設(shè)計(jì)(D-optimal Design)兩種設(shè)計(jì)工具[8]。CCD用于二次模型的響應(yīng)面設(shè)計(jì),用于描述一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)從幾個(gè)影響量(因素)的定量依賴關(guān)系。D-optimal Design是面向多項(xiàng)式回歸建模的方法,能夠根據(jù)實(shí)際分析模型特征,選定最合適的設(shè)計(jì)手段,保證最終結(jié)果準(zhǔn)確。兩種設(shè)計(jì)工具均適用于油耗和排放等常規(guī)優(yōu)化,但是CCD最多支持5個(gè)變量,且只適用于二階模型; D-optimal Design支持更多的變量和高階模型,在現(xiàn)代柴油機(jī)開發(fā)中得到更廣泛的應(yīng)用。

        2.1.5 完成試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        優(yōu)化對(duì)象主要是燃油消耗率、排氣能量和排氣溫度,采用D-optimal Design進(jìn)行設(shè)計(jì),選擇3階、5層模型,每個(gè)工況點(diǎn)優(yōu)化計(jì)算最少需要46個(gè)組合點(diǎn)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),額外增加了23個(gè)組合點(diǎn)(最少組合點(diǎn)數(shù)量的一半左右)。另外,增加星型點(diǎn),在一個(gè)星型點(diǎn)上只有一個(gè)變量發(fā)生變化,其它變量保持不變。通過增加星型點(diǎn),設(shè)計(jì)區(qū)域在達(dá)到最大化的同時(shí)可以量化各個(gè)變量的影響。最終,每個(gè)工況點(diǎn)總計(jì)實(shí)現(xiàn)了81個(gè)變量組合。本次優(yōu)化選擇了23個(gè)工況點(diǎn)以確保能夠覆蓋全map,工況點(diǎn)分布見圖3,最終DoE設(shè)計(jì)中,不同工況點(diǎn)的各控制變量組合生成1863個(gè)測(cè)試點(diǎn)。

        圖3 DoE設(shè)計(jì)優(yōu)化工況點(diǎn)分布

        傳統(tǒng)方法進(jìn)行5個(gè)變量的DoE試驗(yàn),至少需要檢測(cè)243個(gè)組合點(diǎn),且無法完全保證模型精度。采用D-optimal Design,檢測(cè)81個(gè)組合點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)建模優(yōu)化,為確保模型精度可適當(dāng)增加檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

        2.2 測(cè)試

        在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控臺(tái)架上測(cè)試設(shè)計(jì)好的試驗(yàn)方案。測(cè)試過程要確保臺(tái)架各項(xiàng)測(cè)試參數(shù)準(zhǔn)確,確保柴油機(jī)狀態(tài)正常。在DoE設(shè)計(jì)階段很難確保所有設(shè)計(jì)點(diǎn)的臺(tái)架測(cè)試響應(yīng)均在合理的范圍內(nèi),所以測(cè)試開始前需進(jìn)行相應(yīng)響應(yīng)范圍設(shè)置,其中:峰值爆發(fā)壓力設(shè)定為高于設(shè)計(jì)爆發(fā)壓力2 MPa;最高渦后排溫設(shè)定為高于設(shè)計(jì)排溫50 ℃。在DoE測(cè)試過程中,一旦這些響應(yīng)量超過安全邊界,DoE程序能夠跳過該工況繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)工況點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。

        2.3 建模

        完成測(cè)試后,采集的數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行建模。建模過程主要包括3個(gè)步驟:檢查初始數(shù)據(jù)的合理性,選擇恰當(dāng)?shù)哪P筒呗赃M(jìn)行建模,考核模型的合理性。

        數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響模型質(zhì)量,所以需要對(duì)數(shù)據(jù)做整體性的初步檢查,將響應(yīng)變量中離散的、不可信的工況點(diǎn)剔除。將檢查后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAMEO軟件,根據(jù)工況點(diǎn)進(jìn)行分組。CAMEO軟件提供重復(fù)點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)功能,可以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和歸類重復(fù)點(diǎn)。每個(gè)工況點(diǎn)、每個(gè)通道的統(tǒng)計(jì)信息,如最小值、最大值、標(biāo)準(zhǔn)方差等,可以通過“Statistical Information”圖標(biāo)得到,要注意一些非期望值的出現(xiàn)。CAMEO軟件含有自由多項(xiàng)式模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型兩種建模類型,CAMEO軟件有自動(dòng)建模功能,可基于數(shù)據(jù)選擇每個(gè)響應(yīng)量的模型類型。建模完成后需檢查模型是否理想,可選擇方差作為模型質(zhì)量的判定指標(biāo),方差表示模型曲線與測(cè)量結(jié)果平均值(期望值)的偏差,直觀體現(xiàn)了模型和測(cè)試數(shù)據(jù)的吻合程度。盡可能移除異常點(diǎn),直到剩余的異常點(diǎn)落入公差范圍內(nèi)。移除異常點(diǎn)后,方差更加接近于0。

        建模完成并剔除異常點(diǎn)后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。以工況點(diǎn)A(轉(zhuǎn)速為1270 r/min、每循環(huán)供油量為117 mg)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到EGR閥開度、排氣節(jié)流閥開度、進(jìn)氣節(jié)流閥開度、主噴噴油角度和共軌管壓力5個(gè)控制變量對(duì)NOx排放、燃油消耗率、排氣能量、排氣溫度4個(gè)響應(yīng)變量的影響曲線,如圖4~7所示。

        θEGR /% θETV/% θTVA /% βPhi/(°) pRail/MPa a)θEGR b)θETV c) θTVA d) βPhi e) pRail圖4 工況點(diǎn)A的各控制變量對(duì)NOx排放的影響曲線

        θEGR /% θETV/% θTVA /% βPhi/(°) pRail/MPa a)θEGR b)θETV c) θTVA d) βPhi e) pRail圖5 工況點(diǎn)A的各控制變量對(duì)燃油消耗率的影響曲線

        θEGR /% θETV/% θTVA /% βPhi/(°) pRail/MPa a)θEGR b)θETV c) θTVA d) βPhi e) pRail圖6 工況點(diǎn)A的各控制變量對(duì)排氣能量的影響曲線

        θEGR /% θETV/% θTVA /% βPhi/(°) pRail/MPa a)θEGR b)θETV c) θTVA d) βPhi e) pRail圖7 工況點(diǎn)A的各控制變量對(duì)排氣溫度的影響曲線

        由圖4~7可得以下結(jié)論。

        1)隨著噴油時(shí)刻的推遲,NOx排放逐漸降低,燃油消耗率逐漸升高,排氣能量逐漸增大,排氣溫度逐漸升高。隨著共軌壓力的降低,NOx排放略呈下降趨勢(shì),燃油消耗率逐漸升高但幅度較小,排氣能量略增大,排氣溫度變化不大。從排氣能量管理的角度分析,應(yīng)該選擇相對(duì)較小的噴油提前角和相對(duì)較高的軌壓組合,這種組合更容易提升排氣能量、排溫,且降低了原機(jī)NOx排放水平,但燃油消耗率略有增加。

        2)隨著進(jìn)氣節(jié)流閥開度的減小,NOx排放逐漸降低,燃油消耗率逐漸升高且升高速度越來越快,排氣能量逐漸增大,排氣溫度逐漸升高且越來越快;隨著排氣節(jié)流閥開度的減小,整體趨勢(shì)與進(jìn)氣節(jié)流閥一致,但排氣能量大幅增大、排氣溫度大幅升高,燃油消耗率也大幅增加。從排氣能量管理的角度分析,若排氣能量管理需求不大可以選擇進(jìn)氣節(jié)流閥優(yōu)化,若排氣能量管理需求強(qiáng)烈則可以選擇排氣節(jié)流閥優(yōu)化。

        3)隨著EGR閥開度的減小,NOx排放逐漸升高、燃油消耗率逐漸降低、排氣能量變化不大、排氣溫度逐漸降低,EGR閥的優(yōu)化主要考慮NOx排放控制而非排氣能量管理的需求。

        2.4 優(yōu)化

        優(yōu)化階段需要根據(jù)預(yù)設(shè)的限值條件設(shè)計(jì)局部或全局模型進(jìn)行優(yōu)化,利用優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,得到電子控制單元(electronic control unit,ECU)的標(biāo)定map值[9-11]。

        每個(gè)工況點(diǎn)的優(yōu)化結(jié)果往往是一組結(jié)果,需要根據(jù)具體需求及工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步明確唯一結(jié)果,然后用每個(gè)工況點(diǎn)的唯一結(jié)果生成map。

        map生成過程就是將優(yōu)化結(jié)果按照定義的橫縱坐標(biāo)進(jìn)行空間填充并平順的過程,橫縱坐標(biāo)需要從電控?cái)?shù)據(jù)的標(biāo)定里面進(jìn)行選取。本次優(yōu)化以轉(zhuǎn)速、循環(huán)供油量為坐標(biāo),轉(zhuǎn)速應(yīng)涵蓋柴油機(jī)正常運(yùn)行的所有轉(zhuǎn)速并控制好每2個(gè)轉(zhuǎn)速的間隔,循環(huán)供油量亦如此。map生成過程中需注意平順度的設(shè)置,若生成map后仍存在不平順的區(qū)域,需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)平順,讓過渡工況更平滑,但過度平順會(huì)造成個(gè)別工況點(diǎn)的排放增加。以軌壓pRail為例,優(yōu)化生成的軌壓map如圖8所示。由圖8可知,結(jié)果滿足優(yōu)化目標(biāo)及平順性的要求。

        圖8 優(yōu)化生成的軌壓map圖

        2.5 驗(yàn)證

        驗(yàn)證階段是DoE設(shè)計(jì)優(yōu)化的最后一個(gè)階段,把優(yōu)化的map在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控臺(tái)架上運(yùn)行,并將測(cè)試結(jié)果與模型優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較,確保模型優(yōu)化結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合。以工況點(diǎn)A(1270 r/min、每循環(huán)供油量為117 mg)為例,模型優(yōu)化結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

        表1 工況點(diǎn)A模型優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

        高速中負(fù)荷(工況點(diǎn)B)、高速低負(fù)荷(工況點(diǎn)C)、低速中負(fù)荷(工況點(diǎn)D)、低速低負(fù)荷(工況點(diǎn)E)4個(gè)工況的模型優(yōu)化與試驗(yàn)的偏差統(tǒng)計(jì)如表2所示。

        表2 工況點(diǎn)B~E模型優(yōu)化與試驗(yàn)的偏差(偏差百分比)統(tǒng)計(jì)

        由表1、2可知,工況A~E的偏差均在可接受范圍內(nèi),表明基于DoE設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的優(yōu)化結(jié)果可靠。

        3 結(jié)語

        1)通過CAMEO軟件的DoE方法對(duì)柴油機(jī)的排氣能量管理進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)、建模分析、優(yōu)化以及試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比。

        2)采用DoE方法能夠用較少的輸入因子組合建立準(zhǔn)確度較高的性能排放數(shù)學(xué)模型,能夠較好地模擬真實(shí)工況,可大幅縮減試驗(yàn)樣本容量,節(jié)省成本和標(biāo)定時(shí)間。

        3)采用DoE方法,優(yōu)化方案的平順性較好。

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