一种车载柴油机运行状态及性能参数的在线检测与优化方法

本发明属于发动机，具体而言，涉及一种车载柴油机运行状态及性能参数的在线检测与优化方法。

背景技术：

1、目前市场上的柴油机性能预测及优化包括算法优化，如cn202311251382.0，通过构建基于强化极限学习机的预测模型，提高了柴油机性能的预测精度；缸内爆发压力控制，如cn202311117073.4利用修正公式，对爆压限值进行修正，保证柴油机安全运行。根据柴油机实时性能数据建立性能平衡效用模型，如cn202310448308.1通过该模型实时监测柴油机性能状态来诊断和定位发动机故障，提高发动机运行可靠性。这些方法虽然提高了柴油机性能的预测精度，却不能实现车载运行条件下柴油机性能的快速预测及优化。

2、车用发动机在实际运行状态下，其负荷与转速会随整车需求时刻变化。同样一台发动机，为了实现相同的负荷与转速，不同的控制参数会导致发动机性能差异非常大，为了获得较好的发动机性能，需要对发动机各控制参数如进气量、喷油量、喷油时刻等进行控制。因此，目前车用发动机在实际运行状态时的控制是基于预存在发动机ecu中稳态台架工况下获得的各关键控制、运行参数的标定map中插值来实现的。

3、然而，由于实际运行状态下发动机工况变化幅度大，变化频率高，基于标定map插值获得的发动机主要控制参数容易出现某些主要控制参数偏离最优，从而导致发动机在实际使用工况下的性能大幅低于该工况下发动机在稳态台架上能达到的结果。因此，发动机控制亟需一种参数优化方法，可以针对发动机多个控制、运行参数进行寻优，实现在实际运行状态下即发动机负荷与转速变化状态下发动机控制、运行参数间的最优组合，从而实现最优发动机性能。

4、然而，发动机控制、运行参数多且参数之间相互耦合，导致复杂的最优化方法很难应用于发动机控制、运行参数的控制，主要是受发动机工况运行频率高、ecu算力小等因素限制，这也是目前业界普遍意识到了上述问题但仍采用稳态台架工况下获得的各关键控制、运行参数的标定map控制方法的原因。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术缺陷，提出一种车载柴油机运行状态及性能参数的在线检测与优化方法，通过读取ecu中循环喷油量、转速、进气压力、过量空气系数等参数，并结合稳态运行条件下解析的发动机性能与控制、运行参数间的量化关系式来实现对发动机性能的在线快速预测与优化。

2、为实现本发明的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

3、一种车载柴油机运行状态及性能参数的在线检测与优化方法，所述方法包括：

4、步骤1：发动机ecu对发动机在车载动态工况实时检测，基于稳态发动机万有特性数据库，以相同转速为基准，当检测到发动机动态工况性能低于发动机稳态性能时，对比影响发动机当前动态性能的控制运行参数和发动机稳态性能的控制运行参数的差异；

5、步骤2：确定过量空气系数运算模型，在当前转速下以稳态发动机万有特性数据中对应的循环喷油量为参考，通过减少循环喷油量来增大过量空气系数，预测过量空气系数增大后的发动机燃烧效率、绝热效率、膨胀效率和燃烧与膨胀期间的平均温度；

6、步骤3：基于步骤2，根据转速、循环喷油量获得高压循环指示燃油消耗率、高压循环平均指示压力、泵气损失平均有效压力、摩擦损失平均有效压力的运算模型，从而得到优化后的发动机性能参数；

7、步骤4：将步骤3优化后的发动机性能参数与发动机稳态万有特性曲线性能参数对比，判断步骤3优化后的发动机性能参数是否达到预期，若达到预期则进入下一工况，若未达到预期则重新调整过量空气系数，并按照步骤2和3重新优化发动机性能。

8、进一步地，步骤2包括：

9、步骤2.1：根据循环进气量、上一循环的喷油量(或目标喷油量)来调整过量空气系数；

10、步骤2.2：通过调整后的过量空气系数预测发动机缸内的燃烧效率，以及根据实测不同转速下循环喷油量与喷油提前角、喷油提前角至ca50持续期、燃烧持续期的对应关系预测调整后的燃烧特征参数；

11、步骤2.3：相同转速下，通过获取发动机稳态万有特性的绝热效率、缸内平均温度和气缸壁面温度，以及当前动态工况的缸内平均温度和气缸壁面温度建立实时绝热效率修正模型，来修正当前运行条件下的绝热效率；

12、步骤2.4：根据调整后的燃烧特征参数、几何压缩比、排气门开启正时确定有效膨胀比eer，根据调整后的过量空气系数及实测转速下燃烧、膨胀期间的平均温度确定膨胀期间的多变指数，根据有效膨胀比eer和膨胀期间的多变指数确定膨胀效率。

13、进一步地，步骤2.1中调整后的过量空气系数λ通过下式确定：

14、

15、式中：λ为过量空气系数，-；mair为循环进气量，mg；mfuel为循环喷油量，mg；afr为空燃比。

16、进一步地，步骤2.2中发动机缸内的燃烧效率ηcomb通过下式确定：

17、ηcomb＝f(n，λ)

18、式中：ηcomb为发动机缸内的燃烧效率；n为当前转速，r/min；λ为过量空气系数，-；

19、调整后的燃烧特征参数包括ca50位置和燃烧持续期(ca10-90)，ca50位置计算公式：

20、ca50＝caia-ca50-ia

21、caia-ca50＝f(n，mfuel)

22、式中：ca50为50％燃烧点位置，℃a atdc；caia-ca50为主喷提前角至ca50持续期，ca；ia为喷油提前角，℃a btdc。

23、燃烧持续期(ca10-90)通过下式确定：

24、ca10-90＝f(n，mfuel)

25、式中：ca10-90为从燃烧掉10％到90％的混合气的燃烧持续期；n为当前转速，r/min；mfuel为循环喷油量，mg。

26、进一步地，步骤2.3中当前运行条件下的绝热效率通过下式确定：

27、

28、式中：ηadi2、tw2为当前运行条件下的绝热效率、燃烧与膨胀期间的缸内平均温度、气缸壁面温度；ηadi1、tw1为相同转速、循环喷油量下稳态万有特性的绝热效率、燃烧与膨胀期间的缸内平均温度、气缸壁面温度。

29、进一步地，步骤2.3中膨胀效率ηexpd通过下式确定：

30、

31、式中：ηexpd为膨胀效率；eer为燃烧过程相位的有效膨胀比；k为膨胀期间的多变指数；

32、有效膨胀比eer通过下式确定：

33、eer＝f(n，ca50，ca10-90)

34、式中：n为当前转速，r/min；ca5050％燃烧点位置，℃a atdc；ca10-90为从燃烧掉10％到90％的混合气的燃烧持续期。

35、膨胀期间的多变指数k通过下式确定：

36、k＝f(λ，tg)

37、式中：λ为当前转速下，调整后的过量空气系数，-；tg为实测转速下燃烧、膨胀期间的平均温度，即缸内平均温度。

38、进一步地，步骤3中高压循环指示燃油消耗率、高压循环平均指示压力、泵气损失平均有效压力、摩擦损失平均有效压力通过下式确定：

39、高压循环指示燃油消耗率isfchp、高压循环平均指示压力imephp分别通过下式确定：

40、

41、式中：imephp为高压循环平均指示压力，pa；mfuel为调整后的循环喷油量，mg；hcl为燃油的热值，j/kg；ηi_hp为高压循环指示热效率；vs为气缸排量，m3；

42、泵气损失平均有效压力pmep、摩擦损失平均有效压力fmep分别通过下式确定：

43、pmep＝f(n，mfuel)

44、fmep＝f(n，mfuel)

45、进一步地，步骤4中将步骤3计算获得的发动机性能(bmep或扭矩、bsfc)和台架稳态万有特性的实验分析结果比较，如果性能差异≥x1％，返回步骤2，调整过量空气系数λ；

46、或，将计算获得的性能(bmep或扭矩、bsfc)和台架稳态万有特性的实验分析结果比较，如果性能差异<x2％，进入下一工况。

47、进一步地，以bsfc为性能判断指标时，如果bsfc差异≥5％，返回步骤2，调整过量空气系数λ，且调整后的过量空气系数λ保证bmep或者扭矩与稳态标定结果差异≤10％，则进入下一工况。

48、本发明的有益效果是：

49、本发明通过发动机ecu对发动机在车载动态工况实时检测，以过量空气系数为优化基准，通过调整循环喷油量增大过量空气系数，进而实现在线快速预测过量空气系数增大后的发动机燃烧效率、绝热效率、膨胀效率、燃烧与膨胀期间的平均温度，实现了车载柴油机运行状态的在线检测以及车载柴油机性能的在线快速预测；以发动机大量实测数据为基础，建立发动机缸内燃烧及热功转换过程及性能与发动机的控制参数和运行参数之间量化关系的解析，实现了车载柴油机性能及运行状态的在线优化，解决了因发动机工况运行频率高、ecu算力小因素限制，使得性能预测与优化结果能够确保较高的计算精度，使发动机在实际使用工况下的性能与该工况下发动机在稳态台架上能达到的结果相当。