用于标定和优化的高压共轨柴油机建模

进行粗 略标定或优 化 ， 通过 降低精 度减少 工作量 ； 采用高 自动化标 定优化 ， 过提 高效率缓 解矛 盾； 通
采取基于模型的标 定优化 ， 既可减少工作量 又可提 高效率 、 节省资源 。
关键 词 ：柴 油机 ；高压 共轨 ；预 喷射 ；神经 网络 ；自适 应神
经模糊推 理 系统（ ＡＮＦ Ｓ Ｉ） 中图分 类号 ： ４ ４ １２ Ｕ ６ ． ７ 文章 编号 ：ｉ ０ —０ ４ ２ ０ ） １１２ ４ ０ ００ ５ （ ０ ４ １ －５ ４０ 文献标识码 ： Ａ
ｔｅ ｈ ｍｏ ｅ ｔ ａ ｏ ｔｎｕ ｕ ｅ ｉｅ ｐ ｒ ｔｎｇ ａ ｇ ． Ｔｈ ｍｏ ｅ ｄ ｌ ｏ ｃ ｎ ｉ ｏ ｓ ｎｇｎ ｏ ｅ ａｉ ｒ ｎ ｅ ｅ ｄｌ
ａ ｃ ｒ ｃ ｄ ｐ ｎ ｓ ｏ ｔ ｅ ｍｏ ｅｉｇ ｏ ｊｃ ， ｔ ｅ ａ ｕ ｔ ｏ ｃ ｕ ａ ｙ ｅ ｅ ｄ ｎ ｈ ｄ ｌ ｂｅ ｔ ｎ ｈ ｍｏ ｎ ｆ
Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｔ ｍｏ ｉ ｅ Ｅｎｇ ｎ ｅ ｉ ｇ，Ｔｓ ｎ ｈ ａ Ｕｎｉ ｅ ｓｔ ｐ ｒ ｍｅ ｔｏｆＡｕ ｏ ｔｖ ｉｅ ｒｎ ｉｇ ｕ ｖ ｒ ｉｙ，
型， 再通过 自适应神经模糊推理系统 （ Ｎ Ｉ ） Ａ Ｆ Ｓ 进行 插值 ， 将模型 由这些工况点扩展到所需工况空间。
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韩
强 ，等 ： 用 于标定和优化 的高压共 轨柴油机建模
型并 由此得到优化结果 。 但其优化范围仅仅是 １ 个 ３
工况点及它们的附近工况区域 。比较全面的标定优 化则要求对发动机其他工况也要 加以考虑 ， 于是需 要建立一定工况范围内连续的发动机模型 。虽然传
预喷射量等 ， 其中前 ２ 个为发动机 的工况参数 ， ４ 后
个是发动机燃 油的喷射参数 。模型输出是发动机主 要性 能指标 ， 包括发动机经济性 、 Ｏ 排放 、 度排 Ｎ 烟 放 、 Ｃ排放等指标。 Ｈ
ｎｅｗｏ ｋ ｂａ ｅ ｕ ｓ ｎ ｅｅ ｃ ｙ ｔｍ （ ｔ ｒ — ｓ ｄ ｆ ｓ ｙ ｉｆｒ ｎ ｅｓ ｓ ｅ ＡＮ Ｆ Ｓ）ｗａ ｓ ｄ ｔ ｘ ａ ｄ Ｉ ｓｕ ｅ ｏｅ ｐ ｎ
控单体泵、 泵喷嘴和高压源自文库轨等形式。 高压共轨系统
喷 射控 制 灵 活 ， 实现 多段 喷射 且 无 需 改 动 发 动 机 可 本体 ， 势 明显 ｌ ］ 优 ＿ 。 】 可 控 喷 射 参 数 增 加 有利 于 对 燃 烧 的 灵 活 控 制 ，
这 些工况 点扩 展到所 需工况 空 间。模 型精度 由对 象、 模所 建
ｆ ｓ ｙ ｉｆｒ ｎ ｅｓ ｓｅ （ ｕ ｓ ｎ ｅ ｅ ｃ ｙ ｔ ｍ ＡＮＦＩ Ｓ）
作者简介 ： 韩强 （ ９ １） 男（ ， １ ８一 ， 汉） 山东 ， 硕士研究生 。 通讯联 系人 ： 福源 ， 杨 讲师 ， — ａ ： ｙ ａ ｇ ｓ ｇ ｕ ．ｄ ．ｎ Ｅ ｍ ｉ ｆ ｎ ＠ｔ ｎ ｈ ａ ｅ ｕ ｃ ｌ ｙ ｉ
统 的根 据 发 动 机 结 构 建 立 模 型 的 方 法 精 确 度 好 ， 但
时， 网络很难通过调 整 自身参数而准 确学 习到数值 的映射规律 。这时 ， 就要对试验数据进行预处理 ， 使 数据 的变化幅度 、 规律都更加明显且易于学 习。 本文 在预处理 中采 用线性映射 或标准 化方法将输入 、 输 出参数各 自归－ Ｎ［ ， ］ 并进行 了元素重要性 － 一１ １ ，
分 析 ， 得 了 良好 的预 处理 效 果 。 取
是建模周期长 ， 难以满足高效率的要求 。 因此基于模
型 的标 定优 化适 合 采 用基 于 试验 数 据 的建 模 方法 。 理 论 上 ， 以通 过 一 个 神 经 网络 建 立 起 这 种 基 可 于试 验 数 据 的 一 定 工 况 范 围 内连 续 的 发 动 机 模 型 。
网络层数和每层神经元数 由映射 的复杂程度和
训 练数 据 量决 定 。 复 杂映 射 关 系 ， 通 训 练方 法 得 对 普
到的模型泛化能力差 ， 不适用于发动机建模。 本文采 用规则化方法在 处理输入、 出映射关 系规律性相 输 对较强的 Ｎ Ｏ 排放及烟度排放等 问题 时得到 了很 好的泛化效果 ， 但映射规律相对复杂的经济性 问题 只有 采用提前 停止 （ａｌ ｓ ｐ ｉｇ 方法 才能 得到 ｅｒ ｔ ｐｎ ） ｙ ｏ 较好解决 。而普遍情况是 ， 当标准化方法可用时 ， 效
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！墨 墨
：
清 华大学学报 （ 自然科学 版）２０ ０４年 第 ４ ４卷 第 ｌ 期 １
ＪＴｓ ｇ ｕ ｉ Ｓ ｉ ｉ ｈ ａＵｎｖ（ｃ ＆Ｔｅｈ ，２ ０ ｎ ｃ ） ０ ４，Ｖｏ ． ４ Ｎｏ １ １４ ， ．１
ＣＮ １ ２ ２ ／ １ － ２ ３ Ｎ
用 数据量及模型参 数调整 共同决定 。 验在一 台六缸高压共 试 轨 柴油机 上进行 理论 分析和 试验结果表 明 ： 该方 法可 以在 保 证精度 的同时有 效减少标 定优 化 的试 验工作量 。
但同时也使得高压共轨柴油机标定优化的工作量呈 指数级增加。针对这种情况 ， 目前处理方法主要有 ：
收稿 日期 ： ０ ３１ －３ ２ ０— Ｏ１
基金项 目 ：国家 “ 九七 三”重 点基础研 究项 目 （ ０ １ ２ ９ ０ ） ２０ ＣＢ ０ ２ ５
ｉｊｃｉｎ； ｎｕ ａ ｎ ｔ ｒ ｎｅ ｔ ｏ ｅ ｒｌ ｅｗｏｋ； ａａ ｔｖ ｎ ｔ ｏ ｋｂ ｓｄ ｄ ｐｉｅ ｅｗ ｒ—ａ ｅ
ｉ ｄｉｓ ｌ ｎ ｎ ｓ ｑ ｉ ｅ ｗ ｉ ｈｉｈ ｒｓ ｕｒ ｃ ｍｍｏｎ ｒ ｉ ｕ ｌ ｎ ｅ ｅ ｅ ｇｉｅ ｅ ｕｐｐ ｄ ｔ ｈ ｇ ｐ ｅ ｓ ｅ ｏ ａｌ ｅ ｆ
ｌ 模 型整体 结构
用于发动机标定优化 的模型输入包括发动机转 速、 转矩 、 燃油喷射压力 、 喷射 定时、 主 预喷射定时、
ＨＡＮ Ｑｉ ｇ，ＹＡＮＧ ｕ ｕ ｎ，ＺＨＡＮ Ｊｎ ｏ ｇ，ＯＵ ＮＧ ｎ ｇ ａｎ Ｆｙａ Ｇ ｉｇｙ ｎ ＹＡ Ｍｉｇ ａｏ
（ ｔ ｔ ｙ Ｌ ｏ ａｏ ｙｏ ｔｍ ｏｉ ｅＳ ｆ ｔ ｎｄＥｎ ｒ ｙ， Ｓ ａｅ Ｋｅ ａｂ ｒ ｔｒ ｆＡｕｏ ｔｖ ａｅ ｙａ ｅ ｇ
柴 油 发 动 机 的燃 油 喷 射 系 统 有 电控 分 配 泵 、 电
燃 烧 的控 制更加 灵 活的 同时也带 来标 定和优化 工 作量 显著 增 加的问题 。为适应 高效率 的需要 ， 出并研 究 了基 于模型 提 的标定优 化 ， 即采用 神经 网络在 一 些工况 点上建 立模 型 ， 再 通过 自适应神经模 糊推理 系统（ Ｆ Ｓ 进行插值 ， 模型 由 ＡＮ Ｉ ） 将
用 于标定 和优化 的高 压共轨 柴油 机建 模
韩 强 ， 杨 福源 ， 张 京 永 ， 欧 阳 明 高
（ 华大学 汽车工程系 ， 清 汽车安全 与节能国家重点 实验 室 ， 京 １ ０ ８ ） 北 ０ ０４
摘
要 ：高压共轨 柴油机 可控燃 油喷射参 数 的增 加 ， 使对 在
ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌｄ ｔ ｅ ｏ ｂ ｌ ｈ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ａ ａｕｓ ｄ ｔ ｕｉ ｔ ｅ ｍｏｄ ｌａ ｈｅｍ ｏ ｅ ｔｕ ｔｒ ｄ ｅ ｎｄ ｔ ｄ ｌｓ ｒ ｃｕ ｅ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｅｔｎ ａ ａ ｔｒｓ ｔｉｇ． Ｔｈｅ ｅ ｐ ｒｍ ｅ ｔｗａ ａ ｒｅ ｕ ｎ ａ ６ ｃ ｉｄｅ ｘ ｅ ｉ ｎ ｓ ｃ ｒｉｄ ｏ ｔｏ －ｙｌ ｎ ｒ ｈｉ ｐ ｅ ｓ ｅ ｃ ｍｍ ｏ ｒ ｉ ｄｉｓ ｌ ｅ ｇｎｅ ｇｈ ｒｓ ｕｒ ｏ ｎ ａｌ ｅ ｅ ｎ ｉ ． Ａｎ ｌｔｃ ｌ ａ ｄ ａｙ ｉａ ｎ
果 往 往好 于提 前 停 止 方法 。
但这样会有如 下问题 ： ）网络模型输入 同时包括 １ 工况参量和喷射参量 ， 网络输入参量 多导致 网络 而 规模大 ， 不利于 网络建立 ； ）发动机的某些输 出特 ２ 性 在一定工况范 围内随其他参数的变化幅度较小 ， 而随工况改变的变化明显 ， 在这种情况 下把工况参 数同其他参数视为同等地位是不合理的 。 本文在部分工况点采用神经网络建立模型并通 过插值将这些工况空间中离散点扩展为面 的方法可 有效解决上述问题 。对于各个工况点的神经 网络模
ｉｊｃ ｉｎ ｓ ｓ ｅ ｋ ｓ ｔ ｅ ｃ ｍｂ ｓ ｉｎ ｃ ｎ ｒ ｌｍｏ ｅ ｆｅ ｉ ｌ ，ｂ ｔ ｎ ｅ ｔ ｙ ｔ ｍｓｍａ ｅ ｈ ｏ ｕ ｔ ｏ ｔｏ ｏ ｏ ｒ ｌｘｂ ｅ ｕ
ａｓ ｎ ｒ ａ ｅ ｈ ａｉ ａｉｎ ａ ｄ ｏ ｔｍｉａ ｉｎ ｗｏ ｋ ｏ ｄ ． Ａ ｇ ｒ ｌｏ ｉｃｅ ｓ ｓｔ ｅ ｃ ｌ ｂｒｔｏ ｎ ｐ ｉ ｚ ｔｏ ｒ ｌ ａ ｓ ｈｉｈｅ ｅｆｃｅ ｙ， ｍｏ ｅ— ｓ ｄ ａｉ ｒ ｔｏ ａ ｄ ｐｔ ｉａ ｉｎ ｆｉｉｎｃ ｄ ｌｂａ ｅ ｃ ｌｂ ａ ｉｎ ｎ ｏ ｉ ｚ ｔｏ ｍｅ ｈ ｄ ｍ ｔ ｏ ｗａ ｓ ｄ ｖ ｌ ｐ ｄ． Ｎｅ ａ ｅｗ ｏ ｋ ｗａ ｅ ｏ ｂ ｌ ｕ ｉｉｒ ｏ ｅｓ ａ ｅ ｅｏ ｅ ｕｒ１ｎ ｔ ｒ ｓｕｓ ｄ ｔ ｕｉ ｓ ｂｓｄ ａｙ ｍ ｄ ｌ ｔ ｄ ｓ ｍｅ ｓ ｐ ｒ ｔｄ ｏ ｅａ ｉｇ ｏ ｄ ｔ ｎ ｐ ｉｔ ｏ ｅ ａａ ｅ ｐ ｒ ｔｎ ｃ ｎ ｉｉ ｏｎ ｓ， ａ ｔ ｅ ａ ａ ｔｖ ｏ ｎｄ ｈ ｎ ｄ ｐ ｉｅ
法， 即通 过 神 经 网络 在 一 些 工 况 点 上 建 立 发 动 机 模
Ｈｉ ｈ ｐ ｅ ｓ ｒ ｏ ｇ ｒ ｓ ｕ ｅ ｃ ｍｍ ｏ ｒ ｉ ｅ ｅ ｎｇ ｎｅ ｎ ａ ｌｄｉｓ ｌｅ ｉ
ｍ ｏ ｌｎ ｏｒ ｃ ｌｂ ａ ｉ ｎ ａ ｐｔｍ ｉ ａ ｉ ｎ ｄｅ ｉ ｇ ｆ ａ ｉ ｒ ｔｏ ｎｄ ｏ ｉ ｚ ｔｏ
针对十三 工况法 规进行 基于模 型的发 动机优
化 ， 以只在这 １ 个工况点上建立离散的发动机模 可 ３
ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌｒｓ ｌｓｓ ｏ ｔ ａ ｈ ｔ ｄ ｃ ｎ ｏ ｖｏ ｓｙ ｒｄｕ ｅ ｔ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｕｔ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｅ ｍｅｈｏ ａ ｂ ｉｕ ｌ ｅ ｃ ｈｅ ｗｏ ｋ ｏ ｄ ｗｉ ａ ｉｅ ｔｃ ｌ ａ ｃ ａ ｙ ｌｖ ｌ ｏ ａ ｅ ｗ ｉ ｔ ｒｌａｓ ｔ ｈ ｎ ｄ ｎ ｉａ ｃｕｒ ｃ ｅ ｅ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｔ ｈ ｈｅ ｃ ｎ ｅ ｉ ａ ｅｈ ｄｓ ｏ ｖ ｎｔ ｏｎ ｌｍ ｔ ｏ ． Ｋｅ ｒ ｓ ｄｅ ｅ ｅ ｇｉｅ ｙｗｏ ｄ ｉｓ ｌ ｎ ｎ ｓ； ｈｇｈ ｐ ｅ ｓ ｅ ｃ ｍｍｏｎ ｒｉ； ｐｌ ｉ ｒｓ ｕｒ ｏ ａｌ ｉ ｏｔ
Ｂ ｉ ｎ ０ ０ ４ Ｃｈｎ ） ｅｊ ｇ １ ０ ８ ， ｉ ａ ｉ Ａｂ ｔａ ｔ Ｔｈ ｒ ｅｎ ｍｂ ｒ ｆ ｏ ｔｏｌｂ ｅｆ ｅ ｉ ｊ ｔ ｎ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ ｓｒ ｃ ： ｅｌ ｇ ｕ ｅ ｎ ｒ ｌ ｌ ｕ ｌｎ ｅ ｉ ａ ａ ｔ ｒ ａ ｏｃ ａ ｃｏ
基 于模型 的标定 和优化方 法虽然 目前仍 不成
熟 ， 以其特有优势而得到普遍关 注， 但 是发 展趋势。
首先通 过试验数据 建立一 定适 用范 围的发 动机模 型， 然后 由模型仿真得到优化所需 的大 量数据 。其 中， 模型的建立是关键环节 ， 要求既精确 又快速。 本文提 出了一种 满足这 样要求 的模型 建立方