基于DOE設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)DVVT的高效臺(tái)架標(biāo)定

姜　　坤　劉　　然　楊中華　喬佳偉（1-長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心　河北　保定　071000　2-河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

基于DOE設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)DVVT的高效臺(tái)架標(biāo)定

姜坤1，2劉然1，2楊中華1，2喬佳偉1，2
（1-長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

介紹了基于模型的試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）與優(yōu)化方法，結(jié)合一款3.0L直列六缸直噴增壓汽油機(jī)進(jìn)排氣（DVVT）標(biāo)定過(guò)程，利用ASCMO軟件，建立了DOE方法一般流程。同時(shí)根據(jù)四個(gè)常用工況點(diǎn)DVVT正交試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)DOE優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：基于DOE設(shè)計(jì)的DVVT臺(tái)架標(biāo)定不僅能達(dá)到與正交設(shè)計(jì)優(yōu)化同等的結(jié)果，而且可以大幅度減少試驗(yàn)時(shí)間，提高標(biāo)定效率。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)標(biāo)定效率流程VVT

引言

伴隨發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的日新月異，各控制參數(shù)之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，標(biāo)定周期及費(fèi)用急劇增長(zhǎng)。為了縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，高效的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定方法是整車(chē)廠(chǎng)和供應(yīng)商不斷追求的目標(biāo)。在國(guó)外基于模型的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定，開(kāi)發(fā)和使用高效的標(biāo)定方法及流程，已成為發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)界的重要課題之一[1]。

本文針對(duì)某汽油機(jī)DVVT標(biāo)定過(guò)程，建立了DOE方法的一般流程，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)高效的臺(tái)架標(biāo)定。

1　DOE設(shè)計(jì)及模型介紹

DOE即試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其目的就是通過(guò)對(duì)試驗(yàn)樣本空間分布的合理設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程合理規(guī)劃進(jìn)一步減少建模所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

DOE模型的基本思想是把發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)當(dāng)成一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)待，通過(guò)數(shù)學(xué)建模找到一個(gè)比物理模型簡(jiǎn)單的近似模型，圖1表達(dá)了發(fā)動(dòng)機(jī)與DOE模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中，模型精度需要通過(guò)判別系數(shù)R2確定，對(duì)其描述如下：

式中：y為輸出響應(yīng)值；y 為所有輸出響應(yīng)平均值；y?為模型推算的輸出響應(yīng)值；n為試驗(yàn)點(diǎn)總數(shù)。

判別系數(shù)R2是評(píng)價(jià)DOE模型精度的重要指標(biāo)，其值越靠近1說(shuō)明模型質(zhì)量越高[2]。

整個(gè)DOE標(biāo)定流程分為四個(gè)部分：試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、建模及模型優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化及臺(tái)架驗(yàn)證，本文基于此流程展開(kāi)后續(xù)工作。

2　基于DOE的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

本文基于一款電控直噴汽油機(jī)進(jìn)排氣VVT標(biāo)定過(guò)程，進(jìn)行DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)如表1所示。

2.2DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1參數(shù)定義及水平設(shè)置

DOE參數(shù)可分為局部變量、全局變量，全局變量對(duì)工況點(diǎn)描述，局部變量描述該工況下的控制參數(shù)。本例中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷是全局變量，進(jìn)排氣VVT為局部變量。

參數(shù)水平即步長(zhǎng)，步長(zhǎng)指試驗(yàn)樣本取點(diǎn)的間隔，步長(zhǎng)越短，試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)越多，越是重要的參數(shù)，其步長(zhǎng)數(shù)越小，反之亦然[3]。根據(jù)以上信息，結(jié)合后文提到的DOE試驗(yàn)邊界條件信息，本例參數(shù)定義及相關(guān)水平設(shè)置如表2所示。

表2中進(jìn)排氣VVT角度是相對(duì)排氣上止點(diǎn)而言，之前為負(fù)，之后為正。-33°CA表示進(jìn)氣門(mén)最早開(kāi)，19°CA表示進(jìn)氣門(mén)最晚開(kāi)；-27°CA表示排氣門(mén)最早關(guān)，25°CA表示排氣門(mén)最晚關(guān)。

表2中的負(fù)荷是基于標(biāo)態(tài)下計(jì)算的相對(duì)進(jìn)氣量，其大于100表明發(fā)動(dòng)機(jī)處于增壓狀態(tài)。

2.2.2DOE試驗(yàn)邊界條件

DOE邊界約束主要解決發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中的物理矛盾，這些矛盾的產(chǎn)生是由發(fā)動(dòng)機(jī)零部件本身的特性和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程導(dǎo)致的。例如：為了保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)及增壓器必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排溫、渦前壓力、歧管溫度、增壓壓比進(jìn)行限制；小負(fù)荷及怠速工況，考慮到燃燒穩(wěn)定性，氣門(mén)重疊角越小越好；增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷，氣門(mén)重疊角太小容易發(fā)生喘振，太大早燃發(fā)生的概率有增大趨勢(shì)。基于以上考慮，需對(duì)DOE試驗(yàn)邊界條件進(jìn)行合理設(shè)置，這樣可以減少試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)，提高標(biāo)定效率。

邊界條件的確定是建立在對(duì)研究機(jī)型深入了解的基礎(chǔ)上，本例DVVT標(biāo)定之前，就對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)做了摸底試驗(yàn)，初步確定每個(gè)轉(zhuǎn)速外特性點(diǎn)所需的最大進(jìn)氣量以及每個(gè)轉(zhuǎn)速下考慮燃燒穩(wěn)定所需的最小進(jìn)氣量，根據(jù)這些信息對(duì)DOE邊界條件進(jìn)行限制，結(jié)果體現(xiàn)在表2中。

2.2.3確認(rèn)DOE試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)

確定試驗(yàn)樣本數(shù)量時(shí)，需考慮三種因素：用于建模的樣本數(shù)；用于模型驗(yàn)證的樣本數(shù)；用于驗(yàn)證測(cè)量穩(wěn)定性的樣本數(shù)。筆者根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)為2500個(gè)。

根據(jù)以上信息，利用ASCMO軟件進(jìn)行DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖2、3、4所示。

表1汽油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及水平數(shù)設(shè)置

圖1　 發(fā)動(dòng)機(jī)DOE模型示意圖

圖2　 DOE工況點(diǎn)分布

圖3　 DOE進(jìn)氣VVT空間分布

圖4　 DOE排氣VVT空間分布

3　數(shù)據(jù)采集

根據(jù)ASCMO軟件DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，要嚴(yán)格控制發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)邊界條件，同時(shí)要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行檢查，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度。

4　DOE建模

4.1確定模型的輸入與響應(yīng)

DOE建模之前需要確定模型的輸入與響應(yīng)，結(jié)合DVVT參數(shù)優(yōu)化的實(shí)際過(guò)程，本例中的輸入為：轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、進(jìn)排氣VVT。輸出響應(yīng)為：油耗、扭矩、排放、制動(dòng)平均有效壓力（BMEP）、平均有效指示壓力循環(huán)變動(dòng)率（IMEPCOV）、排溫。

4.2數(shù)據(jù)檢查

模型輸入輸出確定后，需對(duì)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，主要考慮以下因素：一方面是試驗(yàn)設(shè)備的隨機(jī)誤差以及試驗(yàn)員的誤操作；另一方面輸出響應(yīng)要符合最優(yōu)目標(biāo)的優(yōu)化原則，對(duì)于優(yōu)化進(jìn)、排氣VVT來(lái)講，主要原則是考察油耗、扭矩、排放、IMEPCOV、排溫的表現(xiàn)，對(duì)不符合優(yōu)化原則的響應(yīng)輸出（過(guò)大或過(guò)小）要進(jìn)行篩選，防止為了局部模型精度而進(jìn)行過(guò)擬合，導(dǎo)致模型階數(shù)過(guò)高，容易構(gòu)成“過(guò)匹配”對(duì)優(yōu)化不利。

4.3模型建立

預(yù)測(cè)扭矩

RMSE：124.5249，R2:0.992031

預(yù)測(cè)NO x

圖5 建模結(jié)果

模型可以?xún)?yōu)先選用ASCMO軟件自帶的ASCModel。模型建立后，可通過(guò)評(píng)估模型精度，本例模型精度如圖5所示，模型的都在0.97以上，模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值非常接近，模型精度較高。過(guò)程中若遇到異常點(diǎn)，導(dǎo)致模型精度偏差大，需要進(jìn)一步論證，是發(fā)動(dòng)機(jī)本體的特殊點(diǎn)還是數(shù)據(jù)真實(shí)性導(dǎo)致，根據(jù)論證結(jié)果，對(duì)異常點(diǎn)進(jìn)行取舍，確保模型精度。

根據(jù)建模結(jié)果，可以直觀分析模型響應(yīng)對(duì)輸入的變化趨勢(shì)，如圖6所示，在1000r/min、負(fù)荷為100%的工況點(diǎn)，隨著排氣VVT的晚關(guān)，油耗率先減小后增大，隨著進(jìn)氣VVT的提前開(kāi)啟油耗率逐漸增大。

圖6　 模型響應(yīng)

5　參數(shù)優(yōu)化

5.1優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定

根據(jù)建好的DOE模型（判別系數(shù)R2＞0.9），就可以針對(duì)進(jìn)排氣VVT進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，VVT功能的最大作用在于提升扭矩，降低油耗，因此本例的優(yōu)化目標(biāo)為：在目標(biāo)工況下（表2所示），通過(guò)進(jìn)排氣VVT的不同組合，使發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩最大，油耗最低，同時(shí)兼顧HC、NO x排放，優(yōu)化目標(biāo)如表3所示。

5.2模型優(yōu)化結(jié)果

目標(biāo)工況按照優(yōu)化目標(biāo)得到最優(yōu)進(jìn)、排氣VVT結(jié)果如圖7、8所示。圖7排氣VVT曲面變化相對(duì)平滑，圖8進(jìn)氣VVT曲面在中小負(fù)荷區(qū)域凹凸不平，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的性能、油耗、排放對(duì)進(jìn)氣相位的變化更為敏感[4]，優(yōu)化過(guò)程只考慮最優(yōu)目標(biāo)，而不會(huì)考慮結(jié)果的平滑過(guò)渡，實(shí)際過(guò)程中為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)變工況零部件的負(fù)荷沖擊，需考慮進(jìn)排氣VVT平滑過(guò)渡，對(duì)DOE最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行取舍。

表3　優(yōu)化目標(biāo)

5.3優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

針對(duì)表3工況點(diǎn)，根據(jù)DOE優(yōu)化確定一組最優(yōu)VVT組合，同時(shí)通過(guò)傳統(tǒng)正交掃點(diǎn)確定另一組最優(yōu)VVT組合，根據(jù)兩組不同的控制參數(shù)，在臺(tái)架上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主要對(duì)油耗進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。

通過(guò)比較，可以看到：2600r/min/0.4MPa、3000r/ min/0.3MPa DOE與正交得到的進(jìn)排氣VVT相位偏差都在3°CA以?xún)?nèi)，臺(tái)架上油耗率的表現(xiàn)基本一致。

2000r/min/0.2MPa、1800r/min/0.25MPa DOE與正交得到的進(jìn)氣VVT基本一致，排氣VVT偏差在10°CA左右，油耗率DOE比正交要大8g/（kW·h）。

圖7　 排氣VVT優(yōu)化結(jié)果

事實(shí)上，這兩個(gè)點(diǎn)正交得到的最優(yōu)排氣VVT都為25°CA，已是硬件允許的最大開(kāi)度，存在VVT油壓電磁控制閥燒毀風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，按照正交結(jié)果，這兩個(gè)點(diǎn)在MAP表上表現(xiàn)必定是凸點(diǎn)，影響MAP表平順，考慮到以上兩個(gè)因素，必須對(duì)正交結(jié)果進(jìn)行修正，可以得到與DOE相似結(jié)果。

通過(guò)以上對(duì)比：模型優(yōu)化與正交優(yōu)化結(jié)果基本吻合，基于DOE設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高效DVVT標(biāo)定在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的借鑒意義。

效率提升方面，根據(jù)表1參數(shù)，按照傳統(tǒng)正交設(shè)計(jì)需要20160（10×14×12×12）個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)，DOE設(shè)計(jì)僅為2500個(gè)，不到正交設(shè)計(jì)的1/8，標(biāo)定效率提升明顯。

表4　 DOE與正交結(jié)果對(duì)比

6結(jié)論

1）通過(guò)某款3.0L直列六缸直噴增壓汽油機(jī)DVVT標(biāo)定實(shí)例，介紹了DOE流程。

2）與傳統(tǒng)正交優(yōu)化方法相比，應(yīng)用DOE標(biāo)定DVVT發(fā)動(dòng)機(jī)，臺(tái)架試驗(yàn)量可大幅減少。

3）與傳統(tǒng)正交優(yōu)化方法相比，借助模型更能充分考慮進(jìn)、排氣VVT的平滑過(guò)渡，但是，最終結(jié)果要在臺(tái)架上驗(yàn)證。若發(fā)現(xiàn)某些工況點(diǎn)的響應(yīng)量與預(yù)期有差別，可在更小的范圍內(nèi)進(jìn)行正交測(cè)量，從而使控制參數(shù)更佳。

4）通過(guò)DOE建模不僅能得到基礎(chǔ)標(biāo)定的最佳數(shù)據(jù)，而且通過(guò)基于模型的分析可以直觀得到發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)對(duì)控制參數(shù)的變化趨勢(shì)，很大程度簡(jiǎn)化對(duì)復(fù)雜發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)的分析工作，在實(shí)際工作中有較高的借鑒意義。

1倪計(jì)民，杜倩穎，周英杰，等.DoE在高壓共軌柴油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2009，27（3）：231～236

2Karsten Roepke.DoE-design of experiments[M].Germany: Verlagmoderne Industrie，2005

3Atkinson A C，DonevA N.Optimum experimental designs [M].Britain:Oxford Science Publications，2001

4周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)第三版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010

Implementation of DVVT Efficient Calibration Based on DOEDesign

Jiang Kun1，2,Liu Ran1，2，Yang Zhonghua1，2，Qiao Jiawei1，2
1-TechnicalCenter，GreatWallMotor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）

2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

Test design based on the model and the method of optimization of the model（DOE）are introduced.Combined with inletand exhaustphase（DVVT）calibration process of a 3.0 L direct injection inline six-cylinder gasoline engine,using software ASCMO，DOEmethod's generalprocess isestablished. Finally，by comparing with some points of the orthogonal experiment，the DOE optimization results are verified.The resultsshow that the calibration DVVT testbench based on DOE design can notonly achieve equaleffect to orthogonal design optimization results，but can greatly reduce the test time and improve the efficiency of calibration also.

Testdesign，Theefficiency of calibration，Process，VVT

TK413.4+3

A

2095-8234（2015）01-0059-05

姜坤（1990-），男，本科，助理工程師，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)電控、燃燒系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)。

（2014-05-22）