阅读说明：本技术 一种汽车发动机容积效率map标定方法 (Method for calibrating volumetric efficiency map of automobile engine ) 是由 王昌辉 梁美 柴永生 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种汽车发动机容积效率map标定方法,包括：S1：根据容积效率map进气歧管压力和发动机转速的轨迹范围,设计map进气歧管压力和发动机转速的网格划分；S2：通过控制发动机的实际进气歧管压力和转速,使其经过步骤S1中的网格划分区域,并采集发动机瞬态工况数据；S3：建立容积效率map自适应辨识算法,通过算法训练估计容积效率map参数。本发明的有益效果：本标定方法为汽车发动机容积效率map模型标定的新方法,能够在不使用发动机稳态工况数据的情况下,完成容积效率map模型的标定工作,本方法采用成本低、易采集的发动机瞬态工况数据完成容积效率map标定,大大降低了标定成本和周期。(The invention discloses a calibration method for volumetric efficiency map of an automobile engine, which comprises the following steps: s1: designing mesh division of the map intake manifold pressure and the engine speed according to the trajectory range of the volumetric efficiency map intake manifold pressure and the engine speed; s2: dividing the actual pressure and the actual rotating speed of the intake manifold of the engine into areas through a grid in the step S1, and acquiring transient working condition data of the engine; s3: and establishing a volumetric efficiency map self-adaptive identification algorithm, and training and estimating volumetric efficiency map parameters through the algorithm. The invention has the beneficial effects that: the calibration method is a new method for calibrating the volumetric efficiency map model of the automobile engine, and can finish the calibration work of the volumetric efficiency map model under the condition of not using steady-state working condition data of the engine.)

一种汽车发动机容积效率map标定方法

技术领域

本发明属于发动机生产标定技术领域，具体涉及瞬态工况数据的容积效率 MAP快速标定方法。

背景技术

为了满足日益严格的排放法规要求，并实现汽车发动机良好的动力性和燃油经济性，空燃比控制成为当前发动机排放控制的关键技术之一。目前，空燃比控制的挑战问题主要有高精度气缸进气量估计、时变时滞控制和湿壁效应补偿。对于气缸进气量的估计问题，理想情况下，每个循环的气缸进气量等于空气密度与发动机排量的乘积。由于循环时间很短，并且存在着由空气过滤器、进气歧管和进气阀门造成的流量限制，使得实际气缸进气量小于理想进气量。为了描述实际气缸进气量，定义容积效率为实际气缸进气量与理想进气量的比值，通过容积效率和理想进气量模型的速度密度方程可以得到实际气缸进气量。

目前，气缸进气量无法通过传感器直接测量，而是当发动机稳态时通过空气质量流量传感器测量来近似得到气缸进气量，结合速度密度方程得到容积效率的测量值。为了辨识容积效率的模型关系，通常采用测功机将发动机稳态运行在不同工作点上，通过测量大量的稳态输入输出数据辨识容积效率模型参数，或者标定更高精度的容积效率MAP。容积效率标定是在发动机稳态工况下进行的，但是基于稳态数据标定得到的容积效率MAP能够反映瞬态工况下的气缸进气量。虽然稳态工况可以将复杂动力学模型辨识问题转化成代数模型的参数测量问题，但是从时间成本上看，稳态工况数据是昂贵的。发动机稳定在一个指定的网格节点至少需要10分钟[14]，若对每个输入轴分别划分15个点的二维 map(输入为转速和负载)，需要标定225个网格节点，完成完整的map标定需要37个小时。在此背景下，设计采用瞬态工况数据的容积效率MAP快速标定方法，解决目前所存在的MAP标定时间长和成本高的问题。

发明内容

针对现有技术中标定容积效率MAP需要花费大量的时间获取发动机稳态数据，成本高，周期长的问题，提供了一种汽车发动机容积效率map标定方法。

一种汽车发动机容积效率map标定方法，包括：

S1：根据容积效率map进气歧管压力和发动机转速的轨迹范围，设计map 进气歧管压力和发动机转速的网格划分；

S2：通过控制发动机的实际进气歧管压力和转速，使其经过步骤S1中的网格划分区域，并采集发动机瞬态工况数据；

S3：建立容积效率map自适应辨识算法，通过算法训练估计容积效率map 参数。

优选的，步骤S2中，通过节气门开度来控制进气歧管压力的调节。

优选的，发动机与测功机相连接，通过测功机实现发动机转速的调节。

优选的，步骤S3中自适应辨识算法的建立包括以下步骤：

S31：建立发动机进气系统模型：

其中

式中

W_th为节气门质量流量，W_ei为气缸进气量，

T_im为进气歧管温度，n_e为发动机转速，

pi_m为进气歧管压力，u_th为节气门开度，

D为节气门直径，Π为压力比，

p_atm,T_atm为外界大气压强和温度，γ为绝热系数，

R_a为气体常数，C_d为流量系数，c₀,c₁,c₂,b₀,b₁为模型参数，

η_v为容积效率，表征实际气缸进气量W_ei,actual与理想进气量W_ei,ideal的比值，即η_v＝W_ei,actual/W_ei,ideal；

S32：在容积效率二维MAP输入的划分区间上，给出容积效率η_v的MAP数学描述：

S33：将map数学描述写成回归向量的表达形式，并计入容积效率的近似误差得到容积效率map的回归模型描述

其中，r_η＝η_v(υ)-η_v,T(θ,υ)为MAP回归模型的近似误差；

S34：采用进气歧管压力p_im作为系统测量输出，结合发动机进气系统模型和容积效率的MAP回归模型，得到发动机的MAP混合进气系统模型为：

其中，系统状态x是进气歧管压力p_im，非线性项g(x,n_e,u_th)可以通过节气门质量流量W_th的模型得到，Φ(υ)是回归向量，υ＝(p_im,n_e)是可测MAP输入，R是由近似误差r引起的系统模型误差；

S35：针对发动机的map混合进气系统模型，设立自适应观测器如下：

其中，

增益

是正定的对角矩阵，为系统状态估计，为参数估计，为反馈增益矩阵；

根据隶属函数的定义,同时注意到γ与Φ(υ)具有相同的稀疏性，得到

其中，向量γ_l与Φ_l(υ)维数相同，

为适当维数的局部参数估计向量，Γ_l为适当维数的正定对角矩阵。

本发明的有益效果：

本标定方法为汽车发动机容积效率map模型标定的新方法，能够在不使用发动机稳态工况数据的情况下，完成容积效率map模型的标定工作，本方法采用成本低、易采集的发动机瞬态工况数据完成容积效率map标定，大大降低了标定成本和周期。

附图说明

图1为发动机进气模型结构图；

图2为容积效率MAP估计仿真结构图；

图3为测功机模式下节气门开度uth、发动机转速ne；

图4为进气歧管压力pim和发动机转速ne；

图5为数据的运行轨迹图；

图6为容积效率MAP估计结果图；

图7为外推法补全后的MAP估计结果图；

图8为估计出的MAP与enDYNA比较图；

图9为气缸进气量模型与enDYNA比较。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案做进一步说明。

具有EGR和VGT的柴油发动机以及SI汽油发动机的容积效率都与进气歧管压力和发动机转速有关。。

不失一般性，发动机进气结构如图1所示，进气系统模型为：

其中

(1-1)和(1-2)式中的W_th为节气门质量流量，W_ei为气缸进气量，T_im为进气歧管温度，n_e为发动机转速，p_im为进气歧管压力，u_th为节气门开度，D为节气门直径，Π为压力比，p_atm,T_atm为外界大气压强和温度，γ为绝热系数，R_a为气体常数，C_d为流量系数，c₀,c₁,c₂,b₀,b₁为模型参数。η_v为容积效率，表征实际气缸进气量W_ei,actual与理想进气量W_ei,ideal的比值，即η_v＝W_ei,actual/W_ei,ideal。

为了估计容积效率初始MAP，下面给出容积效率η_v的MAP数学描述。发动机的容积效率η_v是进气歧管压力p_im和发动机转速n_e的函数，记为η_v(p_im,n_e)。定义容积效率二维MAP输入υ＝(p_im,n_e)的划分为：

其中，为p_im的最小值与最大值，p₁为在区间[a,b]划分的格点数量。为n_e的最小值与最大值，p₂为在区间[c,d]划分的格点数量。

设参数θ^i,j为MAP输入格点对应的容积效率，即

那么，对于和

可以得到η_v分段双线性插值模型η_v,T(θ^i,j,υ)：

借鉴MAP回归模型的描述方法，将(1-5)式中的η_v,T(θ,υ)扩展到未定义的区间上，并写成回归向量表达形式如下：

η_v,T(θ,υ)＝Φ(υ)·θ (1-6)

其中

和

和

容积效率MAP回归模型(1-6)式本质上是分段双线性插值模型，是对容积效率的近似，存在着近似误差。MAP输入的划分越多，近似误差越小，但是需要估计的MAP参数增加。MAP输入的划分越少，需要估计的MAP参数也会相对减少，这时MAP参数估计受分段插值模型近似误差的影响也就增加。

为了分析分段插值模型近似误差对容积效率MAP估计的影响，以下给出近似误差的数学描述。这时，容积效率MAP的回归模型描述如下：

其中，r_η＝η_v(υ)-η_v,T(θ,υ)为MAP回归模型的近似误差。

根据插值理论，当

时，误差r_η为：

当时，误差r_η为：

当时，误差r_η为：

结合(1-15)、(1-16)和(1-17)式，可以得到近似误差r_η的界为：

其中

采用进气歧管压力p_im作为系统测量输出，结合发动机进气系统模型(1-1) 式和容积效率的MAP回归模型(1-14)式，最终得到发动机的机理/MAP混合进气系统模型为：

其中

这里系统状态x是进气歧管压力p_im，非线性项g(x,n_e,u_th)可以通过节气门质量流量W_th的模型得到，Φ(υ)是回归向量，υ＝(p_im,n_e)是可测MAP输入，R是由近似误差r引起的系统模型误差。

系统(1-19)式表明，容积效率η_v(p_im,n_e)的标定问题，转化成了(1-19)式的状态x和未知MAP参数θ的联合估计问题。

自适应观测器设计

(1-19)式描述的机理/MAP混合模型中的未知MAP参数θ出现在状态方程中，(1-19)式存在着误差项R，使得现有的自适应观测器收敛分析方法不再适用。为此，针对系统(1-19)式讨论观测器的设计方法。设自适应观测器具有如下形式：

其中，

增益

是正定的对角矩阵，

为系统状态估计，

为参数估计，

为反馈增益矩阵。(1-21)式描述的自适应观测器的稳定性由以下定理给出。

定理1.1若系统输入u_th和参变向量υ使得对任意以为初始值的状态

矩阵γ是持续激励的。i.e.,

那么观测器(1-21)式是指数稳定的，且对任意初始条件和任意的有界常向量当t→∞时，误差

和分别收敛于如下紧集：

其中，N_max为n_e的最大值,L＞0,k,λ＞0。

证明：将误差代入式，且设整理后得到：

由于(1-25)式含有

项，使其稳定性分析较为困难。为此，定义状态估计误差

和参数估计误差的线性组合如下^[148]：

对(1-26)式两边求导，并根据(1-25)式，可得

方程(1-27)的解为

可以得到

因此，η是指数稳定且有界的。

由(1-27)式可以知道，自治系统

是指数稳定的。因此

使得

由(1-28)式得到

结合(1-29)和(1-30)式，同时注意到||Φ(υ)||≤1和不等式

当t→∞时，有因此误差

指数收敛于紧集

由(1-26)式可知，当t→∞时，有因此误差

指数收敛于紧集

证毕。

注解1.1根据收敛紧集Ω₁,Ω₂可以看到，MAP近似误差的界|r_η|越小，且反馈增益L越大，则估计误差

与

越小，参数估计就越接近真实值θ。由(1-18) 式可以看到，通过减小最大划分间隔h，可以降低模型误差的界|r_η|，提高参数估计的估计精度。

注解1.2根据隶属函数

的定义(1-10)和(1-11)式可以知道，回归向量Φ_η(υ)是稀疏向量。取γ(t₀)＝0，由观测器(1-21)式可以得到：

因此，向量γ与Φ(υ)具有相同的稀疏性。为了通过分析稀疏向量γ的持续激励条件(1-22)式，判断参数估计

的收敛，首先分析Φ(υ)的稀疏性。

根据MAP输入υ＝(p_im,n_e)的划分(1-3)式和回归模型(1-14)式可以知道， MAP输入υ在任意时刻只能落入一个输入分区

且仅有分区对应的参数参与插值计算。即，对于

(1)当(k,l)∈{0,p₁}×{0,p₂}时，对应1个参与插值计算的参数估计即

(2)当(k,l)∈{1,2,…p₁-1}×{0,p₂}时，对应2个参与插值计算的参数估计(i,j)∈{1,2,…p₁-1}×{1,p₂},即

(3)当(k,l)∈{0,p₁}×{1,2,…p₂-1}时，对应2个参与插值计算的参数估计(i,j)∈{1,p₁}×{1,2,…p₂-1},即

(4)当(k,l)∈{1,2,…p₁-1}×{1,2,…p₂-1}时，对应着4个参与插值计算的参数估计

(i,j)∈{1,2,…p₁-1}×{1,2,…p₂-1},即

为了方便分析参与插值计算的MAP参数估计

的收敛问题，根据上述划分区域的分类，定义局部回归向量Φ_η,l(υ)为：

其中

i＝1,2,…p₁-1；j＝1,2,…p₂-1

当时，自适应观测器(1-21)式中的Φ(υ)可以替换为Φ_l(υ)＝-(V_d/120V_im)p_imn_e·Φ_η,l(υ)，同时注意到γ与Φ(υ)具有相同的稀疏性，得到

其中，向量γ_l与Φ_l(υ)维数相同，

为适当维数的局部参数估计向量，Γ_l为适当维数的正定对角矩阵。

由定理1.1知道，只要γ_l满足持续激励条件(1-22)式，那么相应的参数估计是收敛的。进一步，只要MAP输入υ的轨迹经过所有的分区同时确保γ_l满足持续激励条件，那么所有的MAP参数估计

就会得到收敛。因此，为了估计容积效率MAP，需要设计发动机的运行工况，使得υ的轨迹尽可能的经过所有的分区

注解1.3对于MAP输入υ的轨迹没有经过的区域S，相应的划分分区对应的参数无法由观测器(1-21)式得到。本章采用如下的二阶二元多项式外推模型得到S区域的参数：

其中，a₂,a₁,b₂,b₁,c₂,c₁为多项式参数。以估计到的MAP参数为数据，拟合多项式(1-34)式的参数，进而根据多项式计算S区域内对应的MAP参数。

仿真结果与分析

为了仿真验证本章方法的有效性，以发动机仿真软件enDYNA为仿真环境，以2.0L四缸SI汽油发动机为仿真对象^[171,172]，具体发动机参数发动机排量为2L，进气歧管容积为4L，排气歧管为1.5L，发动机最大转速7500rpm。仿真结构如图2所示。

测功机模式工况

测功机模式模拟发动机台架试验结果。测功机模式下，进气歧管压力p_im可以通过节气门开度u_th进行调节，发动机转速n_e可以通过测功机进行调节。根据注解1.2可以知道，为了保证所有MAP参数得到估计，MAP输入υ＝(p_im,n_e)的数据运行轨迹应尽可能地覆盖(p_im,n_e)平面。因此，在测功机模式下，设计节气门开度u_th为以6s为周期的周期信号，设计发动机转速n_e为线性信号，具体如图3所示。此时，enDYNA模型的进气歧管压力p_im和发动机转速n_e如图4)所示，相应地， MAP输入υ＝(p_im,n_e)的运行轨迹如图5)所示。由图5)可以知道，进气歧管压力p_im范围为[0,100000]，发动机转速n_e范围为[0,7500]。采用平均划分的方式取各自划分分别为[0:10000:100000],[0:250:7500]。其中，MAP输入υ＝(p_im,n_e)的轨迹没有进入的S区域为：

S＝([0,4×10⁴]×[0,500])∪([0,0.8×10⁴]×[500,1500])

根据观测器(1-21)式和定理1.1，取反馈增益为L＝128，Γ＝10^-7·I，初始值为采用如图3)所示的300s数据，通过本节方法估计得到的容积效率MAP如图6)所示。根据注解1.3可以知道，由于MAP输入υ＝(p_im,n_e)没有进入S区域，导致S区域对应的MAP参数没有得到估计，仍然是初始值0。为了采用外推法得到S区域对应的MAP参数，以图6)中估计到的MAP参数为数据，拟合多项式(1-34)式的参数为：

根据多项式(1-34)式计算S区域内对应的MAP参数如图7)所示，可以看到，经外推得到S区域内对应的MAP参数能够大致反映容积效率MAP的变化趋势。

为了验证估计得到的容积效率MAP的有效性，在上述相同的测功机模式工况下，图6)中的容积效率MAP与仿真系统enDYNA容积效率的仿真比较如图8) 所示。此时，基于容积效率MAP的气缸进气量模型W_ei,model与enDYNA气缸进气量W_ei,actual的仿真比较如图9)所示。其中，enDYNA容积效率与估计得到的容积效率MAP之间的平均相对误差为0.36％。可以看到，估计得到的MAP能较好地逼近容积效率真实值，气缸进气量模型W_ei,model也能够较好地逼近真实值 W_ei,actual。在接近300s时，特别是发动机转速低于800rpm时，由于均值模型无法描述发动机活塞的往复运动，导致MAP的估计精度下降。然而，基于容积效率MAP的气缸进气量模型W_ei,model的精度仍然是可接受的。

本发明针对容积效率标定面临的标定时间长、成本高的问题，给出了通过估计获得容积效率初始MAP的方法。采用MAP近似描述非线性函数，得到了容积效率MAP的回归模型及其误差的表示方法。通过建立发动机进气系统模型，将容积效率MAP估计问题转化为一类系统状态和未知MAP参数的联合估计问题。在此基础上，根据未知MAP参数出现在状态方程中的特点，设计了MAP 估计的自适应观测器，给出了观测器的稳定条件以及MAP参数估计的收敛紧集。高精度发动机模型enDYNA中的四缸SI汽油机为仿真对象的仿真结果表明，本章方法估计得到的容积效率MAP能较好地逼近容积效率实际值。

可理解的是，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。