一种基于多目标优化的天然气发动机控制方法

本发明涉及发动机控制领域，尤其是涉及一种基于多目标优化的天然气发动机控制方法。

背景技术：

1、天然气作为车用燃料具有诸多优势：天然气价格较低，综合使用成本低于汽油柴油，具有经济性优势；辛烷值高，相比汽油机可以采用更高的压缩比和增压压力；由于燃料为气体，不存在进气道与缸内燃油湿壁以及油膜吸附解吸等现象，碳氢排放也相对较低；天然气不含芳香烃化合物及硫杂质，发动机碳烟排放很低等。天然气发动机当量燃烧模式同时带来了较高的燃烧温度，nox原机排放较高，通常采用废气再循环(egr)系统改善发动机较高的热负荷与nox排放问题。

2、对于传统的配备废气旁通阀的固定截面涡轮增压器而言，在发动机转速较高或负荷较大时，通过调节废气旁通阀开度，分流部分废气流经旁通通路，可认为旁通通路使得涡流流通截面积存在进一步增大的空间，但是该方法无法使得截面积进一步减小。当旁通阀开启时，通过涡轮的气体流量减少，涡轮功率下降，发动机压气端功率也相应降低，使得进气量下降。为了维持相同的涡轮功率，就需要增大涡轮膨胀比来抵消旁通通路上产生的涡轮功率损失，这使得高压egr两端的压差升高，发动机经济性下降。而在发动机中低转速时，由于涡轮截面积固定，egr率的变化也会同步影响涡轮前压力，从而引起进气量变化，这对保持理想的egr率与进气量是不利的。当egr阀全开也无法达到理想egr率时，需要借助可变喷嘴涡轮(vnt)来改进优化egr的引入能力。由于vnt增压器进出口与高压egr系统进出口在进排气气路中前后相邻布置，存在气流的互相影响，两者控制参数的变化均会引起发动机进气流量与egr率的同时变化，影响发动机动力性、经济性与排放性能。因此，开发适合天然气发动机egr+vnt的控制方法十分重要。

3、现有技术中，专利202311055352.2公开了一种天然气发动机egr流量闭环控制系统及控制方法，根据获取的egr实际流量和egr需求流量，确定egr流量修正值；根据egr流量修正值调节egr阀的开度，以使egr实际流量达到egr需求流量，实现egr流量闭环控制。该发明申请只针对egr单体控制，并未考虑对vnt进行调节，以及对天然气发动机的排放优化。专利202310930796.x公开了一种天然气发动机egr控制系统，该发明中使用节气门控制新鲜进气量，高压egr阀和低压egr阀能抑制发动机本体爆震和爆压，改善发动机本体的经济性。该发明仅对低压egr阀与高压egr阀进行了控制，不涉及对vnt的排放优化控制。

4、以上现有技术是从egr单体角度出发进行控制，但实际应用中egr和vnt对发动机进气量流量与egr率产生综合影响，需要对其进行综合控制。在天然气发动机实际使用过程中，工况变化多样，通过台架试验对任一工况点进行egr与vnt的耦合控制优化存在一定的困难，因此，本发明通过算法对发动机经济性、排放性通过egr与vnt控制策略进行优化，并结合发动机工况在线监测，对egr与vnt进行实时调节，达到综合优化天然气发动机经济性与排放性能的目的。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于多目标优化的天然气发动机控制方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种基于多目标优化的天然气发动机控制方法，包括以下步骤：

4、步骤1：搭建天然气发动机多目标优化模型；构建天然气发动机的参数与排放之间的耦合关系；

5、步骤2：进行天然气发动机台架试验，获取试验数据；

6、步骤3：将所述试验数据按照设定比例划分为训练集和测试集，将所述训练集的数据输入到步骤1搭建的模型中进行训练；

7、步骤4：将测试集的数据输入到经过训练的模型中，并将输出的多目标优化map结果与测试集的数据比较，若多目标优化map结果与测试集的数据值误差超过设定阈值，则调整模型参数，重复步骤3至4，直至误差不超过设定阈值，得到训练好的模型；若误差不超过设定阈值，则进行下一步骤；

8、步骤5：将训练好的模型应用到待优化控制的天然气发动机上，将该天然气发动机的参数输入到训练好的模型中，得到多目标优化map结果，并将该结果导入发动机ecu中，实现对天然气发动机的vnt开度、egr阀开度与点火角的控制。

9、所述步骤1中的天然气发动机多目标优化模型支持向量回归机和nsga-ii算法求解。

10、所述天然气发动机的参数与排放之间的耦合关系采用如下函数表示：

11、

12、

13、其中，为有效燃气消耗率的函数，be为有效燃气消耗率，g/kw·h；ovnt为vnt阀开度，％；oegr为egr阀开度，％；θst为点火提前角，℃a btdc；pmap为进气歧管压力，mpa；n为发动机转速；fnox为nox排放量的函数；ft为发动机有效转矩的函数，t为发动机有效转矩，n·m，ttarget为发动机目标转矩的函数；为发动机排气温度的函数，texh为涡前排气温度，℃；为统计爆震幅度的函数，kpeak为统计爆震幅度，无量纲；为发动机egr率的函数，regr为发动机egr率，％。

14、所述步骤2中的所述试验数据的形式为成对结构，包括：用于输出的参数数据和用于对比的排放数据。

15、将所述试验数据按照设定比例3:1划分为训练集和测试集。

16、所述步骤3中的进行训练具体为：采用nsga-ii算法进行求解。

17、所述步骤4中的误差设定阈值具体为平均误差的10％。

18、将所述步骤5进行循环，自动实现对天然气发动机的vnt开度、egr阀开度与点火角的控制。

19、第二方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中的程序，所述处理器执行所述程序时实现上述中任一所述的方法。

20、第三方面，本发明提供一种存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现上述中任一所述的方法。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、1)基于支持向量回归机建立天然气发动机多目标优化模型，利用nsga-ⅱ算法进行多目标优化，综合考虑了egr与vnt对天然气发动机的影响，在降低排放时不会造成发动机的气耗量的增加，达到保证发动机经济性的同时降低污染物排放的效果。

23、2)通过天然气发动机运行时根据实测状态进行优化后的map参数调取，保证了发动机全运行工况下的经济性与排放性优化。

技术特征：

1.一种基于多目标优化的天然气发动机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的天然气发动机控制方法，其特征在于，所述步骤1中的天然气发动机多目标优化模型支持向量回归机和nsga-ii算法求解。

3.根据权利要求2所述的一种基于多目标优化的天然气发动机控制方法，其特征在于，所述天然气发动机的参数与排放之间的耦合关系采用如下函数表示：

4.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的天然气发动机控制方法，其特征在于，所述步骤2中的所述试验数据的形式为成对结构，包括：用于输出的参数数据和用于对比的排放数据。

5.根据权利要求4所述的一种基于多目标优化的天然气发动机控制方法，其特征在于，将所述试验数据按照设定比例3:1划分为训练集和测试集。

6.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的天然气发动机控制方法，其特征在于，所述步骤3中的进行训练具体为：采用nsga-ii算法进行求解。

7.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的天然气发动机控制方法，其特征在于，所述误差设定阈值具体为平均误差的10％。

8.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的天然气发动机控制方法，其特征在于，将所述步骤5循环，自动实现对天然气发动机的vnt开度、egr阀开度与点火角的控制。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-8中任一所述的方法。

10.一种存储介质，其上存储有程序，其特征在于，所述程序被执行时实现如权利要求1-8中任一所述的方法。

技术总结本发明涉及一种基于多目标优化的天然气发动机控制方法，包括以下步骤：搭建天然气发动机多目标优化模型；构建天然气发动机的参数与排放之间的耦合关系；进行天然气发动机台架试验，获取试验数据；将所述试验数据按照设定比例划分为训练集和测试集，将所述训练集的数据输入到步骤1搭建的模型中进行训练；将测试集的数据验证训练过的模型，直至得到训练好的模型；将训练好的模型应用到待优化控制的天然气发动机上，将该天然气发动机的参数输入到训练好的模型中，得到多目标优化MAP结果，并将该结果导入发动机ECU中，实现对天然气发动机的VNT开度、EGR阀开度与点火角的控制。与现有技术相比，本发明具有在降低排放时不会造成发动机的气耗量的增加等优点。技术研发人员：楼狄明,朱衎,张允华,房亮受保护的技术使用者：同济大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13