Этот пример показывает, как систематически разрабатывать набор оптимальных установившихся таблиц калибровки двигателя с использованием Toolbox™ калибровки на основе модели.
Калибруемый двигатель представляет собой 3.1L двигатель зажигания сгорания с несколькими впрысками с общей направляющей, турбокомпрессором переменной геометрии (VGT) и рециркуляцией охлажденных выхлопных газов (EGR).
Цель калибровки заключается в сведении к минимуму расхода топлива для конкретных тормозов (BSFC) в конкретных рабочих точках скорости/нагрузки по всему диапазону работы двигателя и выполнении следующих ограничений:
Ограничение общих выбросов NOx.
Ограничить максимальную скорость турбокомпрессора.
Ограничить градиенты таблицы калибровки для сглаживания.
В результате анализа должны быть получены оптимальные калибровочные таблицы по скорости и крутящему моменту для:
Лучшее основное начало времени впрыска
Наилучшая суммарная масса впрыскиваемого топлива на цилиндр за цикл
Наилучшая синхронизация впрыска пилота по сравнению с основной синхронизацией
Наилучшая массовая доля топлива для впрыска пилота от общей массы впрыска
Наилучшее положение рециркуляции отработавших газов (EGR)
Наилучшее положение лопаток турбокомпрессора переменной геометрии (VGT)
Наилучшее давление в топливной магистрали относительно номинального давления и частоты вращения двигателя
В этих разделах поясняются цели выбора наилучших значений для этих калибровочных таблиц и влияние этих управляющих переменных на двигатель:
Выбор синхронизации впрыска пилот-сигнала для управления шумом
Выберите положение турбокомпрессора для управления зарядом воздуха и EGR
Выберите положение клапана EGR для управления зарядом воздуха и выбросами
Вы выбираете время впрыска основного впрыска топлива, чтобы максимизировать эффективность двигателя. Вы стремимся к тому, чтобы пиковое давление в цилиндре возникало немного после верхнего центра поршня. Вы впрыскиваете топливо непосредственно перед сжатием в верхнем центре, как показано на рисунке.
Затем можно достичь пикового давления горения сразу после расширения верхнего центра.
Также необходимо настроить время впрыска в соответствии со скоростью и другими условиями.
Вам нужно продвинуть (переместиться раньше до верхнего центра поршня) начало времени впрыска с увеличением скорости и разбавления (рециркуляция выхлопных газов или EGR).
Замедлять начало времени впрыска нужно при увеличенном заборе свежего воздуха (нагрузке).
Вы выбираете время впрыска пилотного топлива, чтобы начать сгорание раньше, чем основной впрыск топлива. Контрольный впрыск топлива происходит задолго до сжатия в верхнем центре и до основного впрыска.
Для управления шумом горения можно использовать пилотный впрыск топлива, поскольку он влияет на изменчивость давления в цилиндре.
В этом примере синхронизация впрыска пилотного топлива определяется как дельта-смещение угла кривошипа перед основным впрыском и, следовательно, является относительной величиной.
Соотношение воздуха и топлива (AFR) влияет на эффективность двигателя и выбросы. Насыщенный АФР приводит к высокому выбросу твердых частиц из двигателя и низкому выбросу NOx из двигателя. Вы контролируете AFR, изменяя основную массу топлива для оптимального баланса между мощностью и выбросами.
АФР горючей смеси определяется основной массой впрыска топлива для заданного количества свежего воздуха. Количество воздуха обусловлено главным образом положением клапана EGR, положением VGT, положением впускного дросселя и скоростью.
Для контроля размера капель топлива можно использовать давление топлива. Уменьшенный размер капель топлива в камере сгорания уменьшает количество частиц, выделяет больше энергии из топлива и обеспечивает более стабильное сгорание. Высокое давление топлива уменьшает размер капель топлива для улучшения эффективности и выбросов.
При низких нагрузках можно использовать более низкое давление топлива для снижения потерь мощности топливного насоса без особого влияния на выбросы и энергоэффективность.
В этом примере давление топлива регулируется относительно базового уровня, зависящего от скорости двигателя, посредством дельты давления топлива и, следовательно, является относительной величиной.
Можно использовать положение турбокомпрессора переменной геометрии (VGT), чтобы сбалансировать рециркуляцию свежего воздуха и выхлопных газов для оптимального регулирования NOx при заданном уровне мощности.
Можно изменить положение лопаток VGT для увеличения свежего воздуха цилиндра из-за увеличения скорости турбокомпрессора. При закрытых лопатках турбокомпрессор движется быстрее (высокая скорость VGT) и посылает в двигатель более высокую нагрузку (или наддув) воздуха. Закрытие лопаток также увеличивает рециркуляцию отработавших газов (EGR) из-за повышенного противодавления от закрытых лопаток.
При открытых лопатках частота вращения ВГТ низкая и проходит через малую нагрузку (или наддув) на двигатель.
Можно использовать положение клапана EGR для управления потоком сгоревших выхлопных газов обратно во впускной коллектор.
Повторное сжигание выхлопных газов приводит к снижению температуры в цилиндре, что приводит к значительному снижению выбросов NOx.
Если выбрать слишком много EGR для данного количества впрыскиваемого топлива, то соотношение воздух-топливо будет богатым, что приведет к увеличению выбросов сажи. Поэтому необходимо сбалансировать эти конкурирующие цели.
В двигателях хронометраж - это все. Использование клапана EGR и всех других управляющих переменных, управление воздушным потоком двигателя является ключом к оптимизации экономии топлива, снижению выбросов и увеличению плотности мощности.
На следующем рисунке показан рабочий процесс калибровки на основе модели. Рабочий процесс может использовать комбинацию инструментов: панель инструментов калибровки на основе модели, Simulink ®, Stateflow ®, инструменты моделирования высокой точности сторонних производителей и тестирование аппаратного обеспечения в цикле для точной настройки калибровки на ECU.
Первым шагом для решения этой проблемы калибровки является определение границ возможных настроек воздушной системы. Для этого создается экспериментальный проект и собираются данные для определения границ установки воздушной системы, которые позволяют производить положительный тормозной момент в допустимом диапазоне AFR.
Эти упрощения были использованы для проведения первоначального исследования:
Впрыск пилота неактивен.
Основное время фиксировано.
Номинальное давление топлива в зависимости от частоты вращения.
Основная масса топлива перемещается в соответствии с целью AFR.
Поместите граничную модель в эти точки проектирования.
После обследования воздушной системы установлены границы установок воздушной системы с положительным тормозным моментом. Теперь можно создать экспериментальный проект и собрать данные для сбора эффектов впрыска топлива в пределах этих границ. Затем эти данные можно использовать для создания моделей отклика для всех ответов, необходимых для создания оптимальной калибровки для данного двигателя.
Панель инструментов предоставляет данные для изучения этого примера калибровки.
MathWorks ® собирал данные с помощью инструментов моделирования. Контрольные и имитационные модели были построены с использованием Simulink и Stateflow. Ограниченные экспериментальные проекты были построены с использованием панели инструментов калибровки на основе модели. Точки, указанные в проекте, измерялись с помощью инструмента моделирования двигателя GT-Power компании Gamma Technologies (см. https://www.gtisoft.com).
Для сбора данных Simulink и Stateflow контролировали выходную мощность крутящего момента модели двигателя GT-Power в желаемых точках проектирования экспериментов с использованием суммарной массы топлива. На этом рисунке показана модель испытания виртуального динамометра.
После проектирования экспериментов и сбора данных можно подогнать статистические модели к данным. Панель инструментов можно использовать для создания точных и быстрых моделей на основе измеренных данных двигателя.
На следующем рисунке показаны модели, определяемые на панели инструментов для решения этой проблемы калибровки. На рисунке показано, как входные и выходные данные модели соотносятся с оптимальными таблицами, рабочими точками оптимизации, целями и ограничениями, необходимыми для выполнения оптимизации и создания калибровки.
После создания статистических моделей в соответствии с данными их можно использовать при оптимизации. Можно использовать точную статистическую модель механизма для замены моделирования высокой точности и более быстрого выполнения, что позволяет оптимизировать процесс создания калибровок.
Выполните оптимизацию, чтобы выбрать, использовать ли впрыск пилота в каждой рабочей точке.
Оптимизируйте расход топлива в течение цикла привода, соблюдая при этом следующие ограничения:
Ограничение общего объема NOx
Ограничение скорости турбокомпрессора
Ограничение сглаживания таблиц
Заполните таблицы поиска для всех управляющих входов.
На следующих графиках показан предварительный просмотр результатов калибровки.
.
Таблица режимов пилот-сигнала
Необходимо заполнить таблицы калибровки для каждой управляющей переменной, описанной в разделе Определение проблемы дизельного топлива с несколькими впрысками, в обоих пилотных режимах - активном и неактивном.
Ниже приведены все активные таблицы пилотов.
Таблица синхронизации основного начала впрыска (SOI)
Таблица общей массы впрыскиваемого топлива
Таблица дельты давления топлива
Таблица положения клапанов рециркуляции отработавших газов (EGR)
Таблица положения турбоагрегата переменной геометрии (VGT)
Таблица синхронизации ввода пилот-сигнала (дельта SOI пилот-сигнала)
Таблица массовой доли пилотного топлива
В следующих разделах показано, как открыть файлы примеров для просмотра каждого этапа процесса калибровки на основе модели. Вы можете изучить:
Конструкции, зависимости, граничная модель и собранные данные в разделе Проектирование эксперимента.
Завершено создание статистических моделей в разделе Статистическое моделирование.
Настройка и результаты оптимизации и заполненные таблицы калибровки в разделе Оптимизация.
Используйте эти файлы примеров, чтобы понять, как настроить систематические калибровки для аналогичных проблем. Следующие шаги см. в разделе Разработка эксперимента.
Совет
Узнайте, как MathWorks Consulting помогает клиентам разрабатывать калибровки двигателей, оптимально сочетающие в себе производительность двигателя, экономию топлива и требования к выбросам. См. раздел Оптимальная калибровка двигателя.