基于RBF的非穩態工況下發動機負荷特性測試

王衍濤, 張小明, 陳明, 周東翔, 賀喆

1.陸軍裝甲兵學院，北京100072； 2.陸軍裝備部駐沈陽地區第三軍事代表室，遼寧沈陽 110031

0 引言

發動機負荷特性是指當內燃機轉速不變時，性能指標隨負荷而變化的關系，即當發動機在穩定工況下運轉時，對于每一種曲軸轉速，調速器的杠桿系統和供油齒桿位移都有完全確定的相應位置[1-2]。通常，在一款新型發動機設計定型后，量產裝配前均要進行負荷特性分析，以便正確評價發動機性能，提出改進需求。已裝配到車輛上的發動機在實際使用過程中，通過分析發動機當前負荷特性，并與該型發動機的標準負荷特性進行對比，對于評估發動機當前技術狀況具有重要參考價值。然而，兩方面原因導致負荷特性在發動機技術狀況評估中并未發揮作用:一方面負荷特性的測取需要發動機保持穩態工況，車輛使用過程中發動機絕大部分時間都處于非穩態工況下[3-4]，直接測取負荷特性難以實現，而目前對于非穩態工況下發動機負荷特性測量方面的研究尚未查到；另一方面，目前發動機負荷特性通常只針對特定轉速特定負荷進行了測試，而在車輛實際使用過程中要做到轉速和負荷都符合這些特定轉速特定負荷幾乎不可能。

徑向基(radial basis function，RBF)函數神經網絡是一種結構簡單，收斂速度快，能夠逼近任意非線性函數的網絡[5-6]。發動機負荷特性可以看作是各項性能參數隨工作狀況變化的非線性函數，因此，本文提出一種基于RBF非穩態工況下發動機負荷特性測取方式，通過對各種負荷非穩態工況下參數的相應變化進行RBF神經網絡的構建，解析后求出穩態工況下發動機負荷特性。

1 基本原理

目前發動機的負荷特性都是在試驗臺架上完成。試驗時，改變發動機承受的負荷，并相應調節內燃機的油量調節機構，以保持發動機處于規定的轉速狀態，待工況穩定后測量和記錄當前的轉速、負荷以及其他參數，得到一個測試點，將不同負荷的試驗點相連即可得到某一轉速下負荷特性曲線。為較全面反映發動機在各種轉速下的負荷特性，一般需要對多種轉速分別做負荷特性試驗，繪制出各轉速下的負荷特性曲線。發動機負荷特性可以反映多種性能指標，如柴油機充量系數Φc、指示熱效率ηit、有效燃油消耗率be等隨轉速、負荷的變化關系。在穩態工況下，確定負荷和轉速后，根據負荷特性曲線，就可以算出Φc、指示熱效率ηit等參數。

以此為基礎，本文中假設在非穩態工況下確定負荷和發動機轉速，以及一個表征發動機非穩定狀態程度的特征量，就會有且僅有一個確定的Φc、ηit、be等性能指標。若假設成立，在非穩態工況下就可實現發動機負荷特性的測取。非穩態工況下發動機負荷特性本質就是求取發動機相關性能參數隨轉速和負荷以及非穩定狀態程度而變化的隨動關系。為求取這一隨動關系，選取發動機曲軸角加速度表征發動機非穩定狀態的程度，與發動機轉速、輸出軸扭矩作為輸入量，有效燃油消耗率作為輸出量構建神經網絡，求取四個參數之間的相互關系，進而求出非穩態工況下的發動機負荷特性。

2 神經網絡樣本采集

神經網絡的訓練需要大量樣本，以某型裝甲車輛的發動機為試驗對象，大量采集該發動機在各種工況下的發動機轉速、曲軸角加速度、輸出軸扭矩以及有效燃油消耗率等4個參數。

1)發動機轉速

由安裝在飛輪殼上的磁電式傳感器完成，轉速傳感器安裝位置如圖1所示。

2)曲軸角加速度

通過發動機實時轉速的變化來計算當前曲軸的角加速度。

3)發動機輸出軸扭矩

由于在實車上發動機輸出軸端沒有合適位置安裝扭矩測試設備，選取試驗車輛的綜合傳動箱至側減速器中間的傳動軸作為扭矩測試點，測得該點扭矩后通過傳動箱傳動比和機械效率可以推算出發動機輸出軸的扭矩。扭矩傳感器安裝位置如圖2所示。

4)有效燃油消耗率

有效燃油消耗率無法直接測得。采用測量發動機加油尺桿位置，后期再通過噴油泵泵油特性計算單周期噴油量進而推算有效燃油消耗率的方法。

在試驗過程中，為保證采集到盡可能多的負荷工況下發動機參數變化情況，對車輛在平地以及不同坡度道路行駛過程進行了數據采集，其中最大爬坡度為32°時發動機處于最大負荷工況，由于瞬態工況下發動機各項參數存在一定的不確定性[7-9]，對每種工況均采集了3組以上試驗數據以降低瞬態工況不確定性造成的誤差。

3 神經網絡構建

3.1 試驗數據處理

1) 發動機實時轉速n。直接采用所測數據。

2) 輸出軸扭矩Tf。由測點位置扭矩Tc、綜合傳動箱傳動比ic，傳動箱機械效率ηc計算，計算式為：

Tf=Tc/(icηc)。

(1)

3)曲軸角加速度α。為相鄰兩次采樣轉速之差除以采樣時間間隔，計算式為：

αi=120π(ni-ni-1)/Δt=120π(ni-ni-1)fs，

(2)

式中：αi為第i次測試所得的曲軸角加速度，rad/s2；ni為第i次測得的曲軸轉速，r/min；Δt為采樣間隔，s；fs為采樣頻率，Hz。

曲軸角加速度αi還與發動機輸出軸扭矩有關，車輛行駛加速度

ac=(F-Fz)/mc，

(3)

式中：F為車輛行駛動力,F=Tficηcijηj/rz，其中Tf為輸出軸扭矩，N·m;ic為綜合傳動箱傳動比;ηc為傳動箱機械效率;ij為側減速器傳動比;ηj為側減速器機械效率;rz為主動輪半徑,m。Fz為車輛行駛阻力,N。mc為車輛質量,kg。

曲軸角加速度

α=(ac/rz)icij,

(4)

由式(3)(4)可得：

(5)

4) 發動機實時油耗

由于利用發動機加油尺桿位置計算噴油泵噴油量需要用到噴油泵噴油特性，但噴油泵噴油特性僅對特定轉速進行測量，不能全轉速情況下實現尺桿位置信號向實時油耗的轉換，所以采用尺桿位置信號spo代替實時油耗作為輸入量構建神經網絡，在繪制負荷特性曲線時將尺桿位置信號換算成實時油耗。

3.2 數據的篩選

試驗過程中，車輛在第二次爬32°坡時，因駕駛員操作不當導致車輛熄火倒滑，在此過程中發動機處于非正常工作狀態，這段數據應當刪除。試驗數據換算后的發動機輸出軸扭矩大部分為1000～1800 N·m，由于神經網絡對樣本的依賴性較強，在構建神經網絡時僅構建扭矩為1000～1800 N·m時的模型。在MATLAB中利用判斷語句可以快速實現數據的篩選。

3.3 神經網絡的構建

在MATLAB中，將處理過后的發動機轉速n、曲軸角加速度α、輸出軸扭矩Tf歸一化后作為RBF的輸入量，加油尺桿位置信號spo歸一化后作為輸出量，步長為1，神經元個數設置為20構建神經網絡。神經網絡訓練結果如圖3所示，當神經元個數為20時，誤差降至0.008 3,說明利用發動機速度、曲軸角加速度和輸出軸扭矩計算尺桿位置已經具備一定可信度。

另選一段試驗數據，將發動機轉速、曲軸角加速度和輸出軸扭矩輸入已訓練完畢的神經網絡仿真計算加油尺桿位置，與實測的加油尺桿位置進行對比，如圖4所示。由圖4可知,利用仿神經網絡仿真計算的加油尺桿位置與實測位置非常接近，說明在非穩態工況下，有了確定的發動機轉速、曲軸角加速度和輸出軸扭矩，能夠求出確定的加油尺桿位置。

4 負荷特性曲線繪制

取α=0°即穩態工況下，發動機轉速分別為2000、1600和1400 r/min時求得加油尺桿位置，進而求得有效燃油消耗率的負荷特性曲線。

1)尺桿位置

取α=0°，n=2000 r/min，Tf=1000～1800 N·m，利用訓練好的神經網絡計算尺桿位置。同理，可求出發動機轉速為1600 r/min和1400 r/min時穩態工況下加油尺桿位置隨負荷的變化規律。

2)計算單周期油耗量

加油齒桿位移和各缸的單周期供油量存在線性關系[10]。根據生產廠家提供的穩定工況測取發動機轉速為2000 r/min，即噴油泵轉速為1000 r/min時每個加油尺桿位置400個周期的噴油總量，求均值即為單周期發動機耗油量，多項式擬合出發動機轉速為2000 r/min時單周期耗油量與尺桿位置的關系，如圖5所示。

多項式擬合結果誤差為1.512×10-5，確定系數R2=0.999 7，可以認為擬合曲線正確擬合了單周期耗油量同加油齒桿位置之間的關系。同理可擬合出轉速為1600 r/min和1400 r/min時單周期油耗量與尺桿位置的關系。

3)負荷特性曲線繪制

將神經網絡計算出的穩態工況下發動機轉速為2000 r/min時的加油尺桿位置用步驟2)中擬合出的多項式求出單周期耗油量koil。有效燃油消耗率[11-13]

be=B/Ps

(6)

式中：B為該工況下1 h總噴油量,g;Ps為發動機輸出功率，kW/h;Ps=nTf/9550。

由于試驗所用發動機為6缸發動機，則

B=180nkoil。

(7)

聯立(6)(7)可得

be=1 719 000koil/Tf。

同理可得轉速為1600 r/min和1400 r/min時的有效燃油消耗率隨負荷的變化關系，即負荷特性曲線。將利用模型仿真得到的穩態工況下發動機負荷特性與發動機廠家提供的負荷特性曲線進行對比，如圖6所示。

由圖6可知，神經網絡仿真結果與實測結果非常相近，說明仿真結果基本正確，利用RBF對非穩態工況數據進行建模仿真不僅可以實現非穩態工況下負荷特性的求取，還能夠推算出穩態工況下發動機負荷特性[14-15]。

5 結語

針對實車使用條件下發動機絕大部分都處于非穩態工況下的特點，提出了基于RBF的非穩態工況下發動機負荷特性的測試方法，成功實現了用發動機轉速、曲軸角加速度和輸出軸扭矩來計算對應的加油尺桿位置，神經網絡誤差低至0.008 3，并利用非穩態工況下數據樣本繪制穩態工況下負荷特性曲線。

該方法的意義不僅在于通過非穩態工況試驗樣本求取穩態工況負荷特性，利用該方法在采集足夠的樣本后，可以建立覆蓋發動機全轉速全負荷以及大部分非穩定狀態范圍內性能指標和發動機轉速、負荷和非穩定狀態的映射關系的求取，利用負荷特性對非穩態工況下發動機的技術狀況評估。