Это тематическое исследование показывает, как систематически разрабатывать набор оптимальных статических таблиц калибровки двигателя с помощью основанных на модели Toolbox™ калибровки.
Калибруемый двигатель является 3.1L двигателем с воспламенением от впрыска с общим рельсом, турбонагнетателем переменной геометрии (VGT) и рециркуляцией охлажденных отработавших газов (EGR).
Цель калибровки состоит в том, чтобы минимизировать расход топлива (BSFC) на конкретной скорости/нагрузке, рабочие точки на рабочей области значений двигателя, и удовлетворить этим ограничениям:
Предельные суммарные выбросы NOx.
Ограничьте максимальную скорость турбонагнетателя.
Ограничьте градиенты таблицы калибровки для гладкости.
Анализ должен создать оптимальные таблицы калибровки по скорости и крутящему моменту для:
Лучший главный запуск времени впрыска
Лучшая общая масса впрыскиваемого топлива на цилиндр в цикле
Лучшее время впрыска управления относительно основного времени
Лучшая массовая доля топлива впрыска управления от общей массы впрыска
Лучшее положение рециркуляции отработавших газов (EGR)
Лучшее положение турбонагнетателя переменной геометрии (VGT)
Лучшее давление топливного рельса относительно номинального давления по сравнению с скоростью вращения двигателя
В этих разделах объясняются цели выбора оптимальных значений для этих калибровочных таблиц и эффекты этих переменных управления для двигателя:
Выберите время впрыска пилот-сигнала, чтобы контролировать шум
Выберите основную массу топлива для Эффективности и выбросов
Выберите положение турбонагнетателя для управления зарядом воздуха и EGR
Выберите положение клапана EGR для контроля заряда воздуха и выбросов
Вы выбираете время впрыска основного впрыска топлива, чтобы максимизировать эффективность двигателя. Вы стремитесь сделать пиковое давление в цилиндре происходит немного после верхнего центра поршня. Вы впрыскиваете топливо непосредственно перед сжатием верхнего центра, как показано.
Тогда вы можете достичь пикового давления горения сразу после расширения верхнего центра.
Вам также нужно настроить время впрыска в соответствии со скоростью и другими условиями.
Вам нужно продвинуть (двигаться раньше, перед верхним центром поршня) начало времени впрыска с увеличением скорости и разбавления (рециркуляция выхлопных газов или EGR).
Вам нужно задержать начало инъекции времени с увеличением забора свежего воздуха (нагрузки).
Вы выбираете время впрыска пилотного топлива, чтобы начать сгорание раньше, чем большой основной впрыск топлива. Впрыск пилотного топлива происходит задолго до сжатия верхнего центра и до основного впрыска.
Можно использовать пилотный впрыск топлива, чтобы контролировать шум сгорания, потому что это влияет на изменчивость давления в гидроцилиндре.
В этом примере время впрыска пилотного топлива определяется как смещение дельты кривошипа-угла перед основным впрыском и, следовательно, является относительной величиной.
В состав топливно-воздушной смеси (AFR) влияний эффективности двигателя и выбросы. Богатый AFR вызывает высокие частицы двигателя и низкий уровень NOx двигателя. Вы управляете AFR путем изменения основной массы топлива для оптимального баланса между степенью и выбросами.
AFR смеси для горения определяется основной массой впрыска топлива для заданного количества свежего воздуха. Количество воздуха определяется в основном положением клапана EGR, положением VGT, положением дросселя впуска и скоростью.
Можно использовать давление топлива, чтобы контролировать размер капли топлива. Уменьшенный размер капель топлива в ёмкости сгорания уменьшает частицы, выделяет больше энергии от топлива и достигает более стабильного сгорания. Высокое давление топлива уменьшает размер капель топлива для улучшения эффективности и выбросов.
При низких нагрузках можно использовать более низкое давление топлива, чтобы уменьшить потери степени топливного насоса без особых эффектов на выбросы и степень эффективности.
В этом примере давление топлива управляется относительно зависящего от скорости двигателя базового уровня через дельту давления топлива и, следовательно, является относительной величиной.
Можно использовать положение турбонагнетателя переменной геометрии (VGT), чтобы сбалансировать рециркуляцию свежего воздуха и выхлопных газов для оптимального управления NOx при заданном уровне степени.
Вы можете изменить положение лопасти VGT, чтобы увеличить количество свежего воздуха в гидроцилиндре из-за увеличения скорости турбонагнетателя. Когда лопатки закрыты, турбонагнетатель перемещается быстрее (высокая скорость VGT) и отправляет более высокую нагрузку (или усиление) воздуха в двигатель. Закрытие лопаток также увеличивает рециркуляцию отработавших газов (EGR) из-за увеличения противодавления от закрытых лопаток.
Когда лопатки открыты, скорость VGT низкая и переходит через низкую нагрузку (или усиление) к двигателю.
Можно использовать положение клапана EGR, чтобы контролировать поток сгоревших выхлопных газов обратно в впускной коллектор.
Перезагрузка отработавших газов снижает температуру в цилиндре, что приводит к значительному снижению выбросов NOx.
Если вы выберете слишком много EGR для заданного количества впрыскиваемого топлива, то состав топливно-воздушной смеси будет богатым, вызывая увеличение выбросов сажи. Поэтому необходимо сбалансировать эти конкурирующие цели.
В двигателях хронометраж - это все. Используя клапан EGR и все другие переменные управления, управление воздушным потоком двигателя является ключом к оптимизации экономии топлива, сокращению выбросов и увеличению плотности степени.
Следующий рисунок иллюстрирует рабочий процесс на основе модели. В рабочем процессе может использоваться комбинация инструментов: Model-Based Calibration Toolbox, Simulink®, Stateflow®, сторонние высокоточные инструменты симуляции и HIL-тестирование для точной настройки калибровки на блоках пиролиза.
Первым шагом для решения этой задачи калибровки является определение контуров допустимых настроек воздушной системы. Для этого вы создаете экспериментальный проект и собираете данные для определения контуров настройки воздушной системы, которые позволяют положительное производство момента привода в допустимой области значений AFR.
Эти упрощения использовались для проведения первоначального исследования:
Пилотная инъекция неактивна.
Основное время фиксировано.
Номинальное давление топлива по сравнению с частотой вращения.
Основная масса топлива перемещается так, чтобы соответствовать цели AFR.
Подбор краевой модели к этим проектным точкам.
После обследования воздушной системы вы установили контуры положительных настроек момента привода воздушной системы. Теперь можно создать экспериментальный проект и собрать данные для сбора эффектов впрыска топлива в этих контурах. Затем можно использовать эти данные для создания моделей отклика для всех откликов, необходимых для создания оптимальной калибровки для этого двигателя.
Тулбокс предоставляет данные для исследования этого примера калибровки.
MathWorks® собрал данные с помощью инструментов симуляции. Модели управления и симуляции были построены с использованием Simulink и Stateflow. Экспериментальные проекты с ограничениями были построены с использованием Model-Based Calibration Toolbox. Точки, указанные в проекте, были измерены с помощью инструмента симуляции GT-Power Engine от Gamma Technologies (см. https://www.gtisoft.com).
Чтобы собрать данные, Simulink и Stateflow контролировали крутящий момент модели GT-Power выхода до нужного Проекта точек Experiments, используя общую массу топлива. Этот рисунок показывает виртуальную динамометрическую экспериментальную модель.
После разработки экспериментов и сбора данных можно подгонять статистические модели к данным. Можно использовать тулбокс, чтобы сгенерировать точные, быстрые модели из измеренных данных двигателя.
Следующий рисунок показывает модели, которые будут определены в тулбоксе, чтобы решить эту задачу калибровки. Рисунок показывает, как входы и выход модели связаны с оптимальными таблицами, рабочими точками оптимизации, целями и ограничениями, которые вам нужны, чтобы выполнить оптимизацию и создать калибровку.
После создания статистических моделей, соответствующих данным, можно использовать их в оптимизации. Можно использовать точную статистическую модель двигателя, чтобы заменить высокоточную симуляцию и запустить намного быстрее, что позволяет оптимизациям генерировать калибровки.
Запустите оптимизацию, чтобы выбрать, использовать ли Pilot Injection в каждой рабочей точке.
Оптимизируйте расход топлива по всему циклу привода, удовлетворяя при этом этим ограничениям:
Ограничение общего количества NOx
Ограничение скорости турбонагнетателя
Ограничение гладкости таблиц
Заполните интерполяционные таблицы для всех входов управления.
Следующие графики показывают предварительный просмотр результатов калибровки.
.
Таблица режима управления
Необходимо заполнить таблицы калибровки для каждой переменной управления, описанной в Multi-Injection Diesel Описания задачи, в обоих пилотных режимах, активной и неактивной.
Ниже перечислены все активные таблицы управления.
Таблица времени основного запуска закачки (SOI)
Общая масса впрыскиваемого топлива Таблицы
Давление дельта-давления топлива
Таблица положения клапана рециркуляции отработавших газов (EGR)
Таблица положения переменной-геометрии Turbo (VGT)
Таблица времени впрыска пилотной горелки (Delta Pilot SOI)
Таблица массовой фракции пилотного топлива
Следующие разделы проведут вас через открывающие файлы примеров, чтобы просмотреть каждый этап калибровочного процесса на основе модели. Вы можете изучить:
Проекты, ограничения, краевая модель и собранные данные в теме «Проектирование эксперимента».
Готовые статистические модели в теме Статистическое моделирование.
Настройка и результаты оптимизации и заполненные таблицы калибровки в теме Оптимизация.
Используйте эти файлы примера, чтобы понять, как настроить систематические калибровки для аналогичных задач. Для следующих шагов смотрите Проект Эксперимента.
Совет
Узнайте, как MathWorks Consulting помогает клиентам разрабатывать калибровки двигателя, которые оптимально балансируют производительность двигателя, расход топлива и требования к выбросам: см. «Оптимальная калибровка Engine».
