基于模型的國五I型排放標(biāo)定優(yōu)化

趙新慶，許勻峰，詹 迅，王 聰

(聯(lián)合汽車電子(重慶)有限公司， 重慶 401122)

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基于模型的國五I型排放標(biāo)定優(yōu)化

趙新慶，許勻峰，詹 迅，王 聰

(聯(lián)合汽車電子(重慶)有限公司， 重慶 401122)

隨著我國排放法規(guī)進(jìn)入第5階段，對汽油車的排放要求不斷提高，汽油發(fā)動機(jī)的排放標(biāo)定方法也需要進(jìn)行優(yōu)化分析。針對某汽車企業(yè)的國五I型排放試驗，使用Matlab軟件中的MBC(Model-Based Calibration)工具箱，對試驗方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，采集排放數(shù)據(jù)建立排放統(tǒng)計學(xué)模型，并對排放標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。依據(jù)優(yōu)化后的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行排放試驗驗證，結(jié)果表明：排放滿足國五I型排放的法規(guī)要求，比優(yōu)化前HC排放量減少29.3%。

國五I型排放；基于模型的標(biāo)定方法；標(biāo)定優(yōu)化

2013年9月，中國發(fā)布第5階段《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》(GB183 52.3—2013)[1]，標(biāo)志著我國正式進(jìn)入國五排放階段。隨著排放要求的提高，對于發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的要求也不斷提高，因此需要對與排放相關(guān)的發(fā)動機(jī)標(biāo)定方法進(jìn)行優(yōu)化分析。

傳統(tǒng)的標(biāo)定方法是通過大量的排放試驗，嘗試不同的標(biāo)定參數(shù)取值，根據(jù)試驗結(jié)果最終確定合適的標(biāo)定值。而隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，控制參數(shù)不斷增加[2]，也使得標(biāo)定工作量成指數(shù)增加[3]。傳統(tǒng)的方法缺乏科學(xué)性，效率較低。為減少試驗次數(shù)，提高參數(shù)標(biāo)定的精度，最新的發(fā)展方向是基于模型的標(biāo)定技術(shù)[4]。

針對某汽車企業(yè)的汽油車國五I型排放項目，即常溫下冷起動后排氣污染物排放試驗[5]，使用Matlab軟件中的MBC(Model-Based Calibration)工具箱進(jìn)行試驗優(yōu)化設(shè)計，確定試驗點(diǎn)，采集排放試驗數(shù)據(jù)后建立統(tǒng)計學(xué)模型，對與排放相關(guān)的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，最終確定標(biāo)定參數(shù)的取值，并通過排放試驗驗證其可行性。

1 國五I型排放優(yōu)化模型

中國排放法規(guī)進(jìn)入第5階段時，汽車企業(yè)為滿足法規(guī)的要求，汽油車配備的催化器性能得到進(jìn)一步提升。在催化器起燃之后，三元催化器的轉(zhuǎn)化效率較高，通過發(fā)動機(jī)的閉環(huán)燃油控制可以有效降低尾氣污染物的排放。而在催化器起燃之前，由于三元催化器催化效率較低、發(fā)動機(jī)起動時混合氣濃度偏大等原因，造成汽車尾氣中含有大量的污染物，尤其是HC的含量較高[6]。因此，為滿足國五排放的法規(guī)要求，發(fā)動機(jī)排放標(biāo)定的重點(diǎn)為降低催化器起燃前尾氣中HC的含量。

在進(jìn)行國五I型排放試驗時，對試驗車輛三元催化器的溫度進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)在發(fā)動機(jī)起動60 s內(nèi)，催化器溫度可以達(dá)到300℃以上，能夠滿足催化器起燃的要求。因此，本文設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)為I型排放試驗中發(fā)動機(jī)起動后60 s內(nèi)的HC排放物總量最小：

X=min(HCC60s)

式中HCC60s為I型排放試驗中發(fā)動機(jī)起動后60 s內(nèi)的HC排放物總量。

影響HC生成的主要因素有過量空氣系數(shù)、點(diǎn)火提前角以及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速[7]。EGR、VVT等技術(shù)的使用對混合氣的燃燒也有影響。根據(jù)試驗車的配置情況，本文選定的優(yōu)化變量為起動后怠速時的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、過量空氣系數(shù)、點(diǎn)火提前角以及進(jìn)氣VVT相位。考慮到發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)及排放控制的需要，優(yōu)化變量的取值范圍為：

1 100≤N≤1 400

0.98≤LAM≤1.06

-5°≤Spk≤5°

-30≤VVT≤0

式中：N為起動后怠速時的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；LAM為起動后怠速時的過量空氣系數(shù)；Spk為起動后怠速時的點(diǎn)火提前角；VVT為進(jìn)氣VVT的相位值。

2 試驗設(shè)計

隨著發(fā)動機(jī)控制參數(shù)的增加，已經(jīng)很難采用對各種參數(shù)組合進(jìn)行全部測量的方法來確定相關(guān)標(biāo)定參數(shù)的取值。目前在汽車企業(yè)中普遍選擇試驗設(shè)計法(design of experiments，DoE)對方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[8]。DoE可以有效降低試驗誤差，減少試驗次數(shù)，降低試驗成本。Matlab軟件的MBC工具箱提供了3種試驗設(shè)計法：經(jīng)典設(shè)計法、空間填充法與優(yōu)化設(shè)計法[9]。

根據(jù)第5階段《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》(GB183 52.3—2013)對I型排放試驗的規(guī)定，在試驗之前車輛最少靜置6 h，最長不超過36 h[1]，可見排放試驗的周期較長。同時，考慮到試驗成本較高，且需要保證試驗的精確度，本文采用經(jīng)典設(shè)計中的中心組合法(box-behnken)。DoE的設(shè)計結(jié)果如圖1所示，在考慮4個優(yōu)化變量的情況下，總共需要進(jìn)行25次排放試驗。

如果采用傳統(tǒng)試驗方法對各種組合參數(shù)進(jìn)行試驗研究，考慮到本研究有4個優(yōu)化變量，至少需要進(jìn)行81次試驗。DoE可以減少70%的試驗次數(shù)，有效地降低了試驗成本，加快了試驗進(jìn)度。

3 排放模型建立

依據(jù)DoE的設(shè)計結(jié)果，參考《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》(GB183 52.3—2013)對I型排放的試驗要求，進(jìn)行排放試驗并統(tǒng)計試驗結(jié)果，共得到25組排放數(shù)據(jù)，如表1所示。

由于本文采集的數(shù)據(jù)較為分散，因此采用對于散亂數(shù)據(jù)插值逼近結(jié)果較為滿意的徑向基函數(shù)法(radial basis function,RBF)[10-11]建立排放模型。RBF的核函數(shù)(kernel tricks)選擇應(yīng)用研究中常用的高斯函數(shù)[12]。

(a) 測試點(diǎn)分布情況

N/(r·min-1)Spk/(°)LAMVVT11100-51.02-152110051.02-1531400-51.02-154140051.02-155125000.98-306125000.9807125001.06-308125001.0609110001.02-3010110001.02011140001.02-3012140001.020131250-50.98-15141250-51.06-1515125050.98-1516125051.06-1517110000.98-1518110001.06-1519140000.98-1520140001.06-15211250-51.02-30221250-51.02023125051.02-3024125051.02025125001.02-15

(b) 測試點(diǎn)列表

序號N/(r·min-1)Spk/(°)LAMVVTHCC60s/(g·km-1)141201-4.8901.053-14.5000.46001512664.0000.976-14.2200.50231612196.7101.075-14.9000.5110171126-0.1500.990-14.6300.3983181112-0.3601.060-16.1000.39131914050.0670.981-17.9000.37532013680.3001.050-15.8000.3380211214-4.3001.019-32.0000.5188221208-4.7701.0200.1130.57502312293.3701.024-32.0000.53862412434.7401.0300.1270.60912512220.5501.019-16.6900.3128

使用MBC工具箱，導(dǎo)入采集到的試驗數(shù)據(jù)，建立基于徑向基函數(shù)法的1階段排放統(tǒng)計學(xué)模型，如圖2所示。

該統(tǒng)計學(xué)模型由4個優(yōu)化變量和1個優(yōu)化目標(biāo)組成五維空間，不能用傳統(tǒng)的三維模型來表示。本文把排放五維統(tǒng)計學(xué)模型拆分為6個獨(dú)立的三維模型來直觀分析，如圖3所示。

圖2 1階段排放模型

圖3 HC排放物影響因子統(tǒng)計學(xué)分析模型

4 優(yōu)化分析與試驗驗證

使用MBC工具箱對標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果如圖4所示。得到優(yōu)化后的標(biāo)定參數(shù)取值為：N=1 260 r/min，LAM=1.021,Spk=-0.18°，VVT=-17.9。

依據(jù)優(yōu)化后的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行排放試驗，與優(yōu)化前排放結(jié)果進(jìn)行對比，驗證本文基于模型的排放標(biāo)定優(yōu)化方法的可行性。優(yōu)化前后的排放結(jié)果如表2的所示，可以看出：優(yōu)化后排放結(jié)果達(dá)到了國五I型排放試驗的法規(guī)要求。與優(yōu)化前的排放結(jié)果相比，HC的排放總量減少了29.3%。進(jìn)而證明本實(shí)驗方法的可行性與科學(xué)性。

在4項參數(shù)中，變動量最顯著的是點(diǎn)火提前角，由7°變?yōu)?0.18°。依據(jù)發(fā)動機(jī)特性，減小點(diǎn)火提前角可以加快催化器的起燃速度，進(jìn)而降低HC的排放總量。

圖4 MBC優(yōu)化分析 表2 優(yōu)化前后排放結(jié)果對比

排放結(jié)果HCCONOxNMHC優(yōu)化前排放結(jié)果/(g·km-1)0.0580.3630.020.053優(yōu)化后排放結(jié)果/(g·km-1)0.0410.30.0170.037優(yōu)化后排放物減少比例/%29.317.41530.1國五I型試驗排放限值/(g·km-1)0.0760.6670.0380.052

5 結(jié)束語

本文基于某公司的汽油車國五I型排放試驗，建立了以起動后怠速時的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、過量空氣系數(shù)、點(diǎn)火提前角以及進(jìn)氣VVT相位為優(yōu)化變量、起動后60 s內(nèi)HC排放總量最少為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化模型。

使用Matlab軟件中的MBC工具箱，對排放實(shí)驗方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，采集排放數(shù)據(jù)并建立基于徑向基函數(shù)的排放統(tǒng)計學(xué)模型。然后對排放模型進(jìn)行優(yōu)化分析，得到優(yōu)化后的排放標(biāo)定量取值。經(jīng)過排放試驗驗證，排放結(jié)果可以達(dá)到國五I型排放的法規(guī)要求。與優(yōu)化前相比，HC的排放總量減少了29.3%。

本文提出的使用MBC工具箱進(jìn)行基于模型的排放標(biāo)定方法，不僅可以有效減少試驗次數(shù)，降低試驗成本，還可以使標(biāo)定方法更科學(xué)、更嚴(yán)謹(jǐn)。基于模型的標(biāo)定方法通用性較強(qiáng)，還可以應(yīng)用到發(fā)動機(jī)其他電控模塊的標(biāo)定中。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Model-Based Calibration Optimization for China V Type I Emission

ZHAO Xin-qing, XU Yun-feng, ZHAN Xun, WANG Cong

(Chongqing United Automotive Electronic Systems Co., Ltd.，Chongqing 401122, China)

As China releases the phase V emission regulation, the emission requirements for gasoline vehicles continue to increase and the emission calibration method also needs to be optimized. The MBC (Model-Based Calibration) toolbox was used to optimize calibration for China V type I emission tests of a vehicle company. The emission experiment program was optimized and the emission tests were done to collect data, which were used to establish emission statistical model. The emission calibration parameters were optimized by using the emission model and emission tests were done to validate the optimization calibration. The emission results could meet the China V type I emission regulation and the HC reduced 29.3% than before the optimization.

China V type I emission test; model-based calibration; calibration optimization

2016-07-27

趙新慶(1987—)，男，山西高平人，碩士，工程師，主要從事汽油發(fā)動機(jī)標(biāo)定技術(shù)研究，E-mail:zhaoxqcool@163.com。

趙新慶，許勻峰，詹迅，等.基于模型的國五I型排放標(biāo)定優(yōu)化[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(4):40-44.

format：ZHAO Xin-qing, XU Yun-feng, ZHAN Xun,et al.Model-Based Calibration Optimization for China V Type I Emission[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(4):40-44.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.04.007

U461

A

1674-8425(2017)04-0040-05