基于DOE設計實現DVVT的高效臺架標定

姜　　坤　劉　　然　楊中華　喬佳偉（1-長城汽車股份有限公司技術中心　河北　保定　071000　2-河北省汽車工程技術研究中心）

基于DOE設計實現DVVT的高效臺架標定

姜坤1，2劉然1，2楊中華1，2喬佳偉1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

介紹了基于模型的試驗設計（DOE）與優化方法，結合一款3.0L直列六缸直噴增壓汽油機進排氣（DVVT）標定過程，利用ASCMO軟件，建立了DOE方法一般流程。同時根據四個常用工況點DVVT正交試驗結果，對DOE優化結果進行了驗證。結果表明：基于DOE設計的DVVT臺架標定不僅能達到與正交設計優化同等的結果，而且可以大幅度減少試驗時間，提高標定效率。

試驗設計標定效率流程VVT

引言

伴隨發動機技術的日新月異，各控制參數之間存在復雜的耦合關系，標定周期及費用急劇增長。為了縮短產品開發周期，高效的發動機標定方法是整車廠和供應商不斷追求的目標。在國外基于模型的試驗設計及優化方法已經廣泛應用于各類發動機的標定，開發和使用高效的標定方法及流程，已成為發動機研發界的重要課題之一[1]。

本文針對某汽油機DVVT標定過程，建立了DOE方法的一般流程，實現了發動機高效的臺架標定。

1　DOE設計及模型介紹

DOE即試驗設計，其目的就是通過對試驗樣本空間分布的合理設計和試驗過程合理規劃進一步減少建模所需的試驗數據。

DOE模型的基本思想是把發動機系統當成一個數學模型來對待，通過數學建模找到一個比物理模型簡單的近似模型，圖1表達了發動機與DOE模型的對應關系。其中，模型精度需要通過判別系數R2確定，對其描述如下：

式中：y為輸出響應值；y 為所有輸出響應平均值；y?為模型推算的輸出響應值；n為試驗點總數。

判別系數R2是評價DOE模型精度的重要指標，其值越靠近1說明模型質量越高[2]。

整個DOE標定流程分為四個部分：試驗設計、數據采集、建模及模型優化、參數優化及臺架驗證，本文基于此流程展開后續工作。

2　基于DOE的試驗設計

2.1發動機基本參數

本文基于一款電控直噴汽油機進排氣VVT標定過程，進行DOE試驗設計，發動機的參數如表1所示。

2.2DOE試驗設計

2.2.1參數定義及水平設置

DOE參數可分為局部變量、全局變量，全局變量對工況點描述，局部變量描述該工況下的控制參數。本例中，發動機轉速、負荷是全局變量，進排氣VVT為局部變量。

參數水平即步長，步長指試驗樣本取點的間隔，步長越短，試驗點數越多，越是重要的參數，其步長數越小，反之亦然[3]。根據以上信息，結合后文提到的DOE試驗邊界條件信息，本例參數定義及相關水平設置如表2所示。

表2中進排氣VVT角度是相對排氣上止點而言，之前為負，之后為正。-33°CA表示進氣門最早開，19°CA表示進氣門最晚開；-27°CA表示排氣門最早關，25°CA表示排氣門最晚關。

表2中的負荷是基于標態下計算的相對進氣量，其大于100表明發動機處于增壓狀態。

2.2.2DOE試驗邊界條件

DOE邊界約束主要解決發動機試驗過程中的物理矛盾，這些矛盾的產生是由發動機零部件本身的特性和發動機的工作過程導致的。例如：為了保護發動機及增壓器必須對發動機排溫、渦前壓力、歧管溫度、增壓壓比進行限制；小負荷及怠速工況，考慮到燃燒穩定性，氣門重疊角越小越好；增壓發動機中低轉速大負荷，氣門重疊角太小容易發生喘振，太大早燃發生的概率有增大趨勢?；谝陨峡紤]，需對DOE試驗邊界條件進行合理設置，這樣可以減少試驗點數，提高標定效率。

邊界條件的確定是建立在對研究機型深入了解的基礎上，本例DVVT標定之前，就對進氣系統做了摸底試驗，初步確定每個轉速外特性點所需的最大進氣量以及每個轉速下考慮燃燒穩定所需的最小進氣量，根據這些信息對DOE邊界條件進行限制，結果體現在表2中。

2.2.3確認DOE試驗點數

確定試驗樣本數量時，需考慮三種因素：用于建模的樣本數；用于模型驗證的樣本數；用于驗證測量穩定性的樣本數。筆者根據以往項目經驗，設定試驗點數為2500個。

根據以上信息，利用ASCMO軟件進行DOE試驗設計，結果如圖2、3、4所示。

表1汽油機主要技術參數

表2發動機參數及水平數設置

圖1　 發動機DOE模型示意圖

圖2　 DOE工況點分布

圖3　 DOE進氣VVT空間分布

圖4　 DOE排氣VVT空間分布

3　數據采集

根據ASCMO軟件DOE試驗設計結果，對數據進行采集，數據采集過程中，要嚴格控制發動機的試驗邊界條件，同時要對發動機狀態進行檢查，確保試驗數據的可信度。

4　DOE建模

4.1確定模型的輸入與響應

DOE建模之前需要確定模型的輸入與響應，結合DVVT參數優化的實際過程，本例中的輸入為：轉速、負荷、進排氣VVT。輸出響應為：油耗、扭矩、排放、制動平均有效壓力（BMEP）、平均有效指示壓力循環變動率（IMEPCOV）、排溫。

4.2數據檢查

模型輸入輸出確定后，需對采集的試驗數據進行檢查，主要考慮以下因素：一方面是試驗設備的隨機誤差以及試驗員的誤操作；另一方面輸出響應要符合最優目標的優化原則，對于優化進、排氣VVT來講，主要原則是考察油耗、扭矩、排放、IMEPCOV、排溫的表現，對不符合優化原則的響應輸出（過大或過?。┮M行篩選，防止為了局部模型精度而進行過擬合，導致模型階數過高，容易構成“過匹配”對優化不利。

4.3模型建立

預測扭矩

RMSE：124.5249，R2:0.992031

預測NO x

圖5 建模結果

模型可以優先選用ASCMO軟件自帶的ASCModel。模型建立后，可通過評估模型精度，本例模型精度如圖5所示，模型的都在0.97以上，模型的預測值與實際測量值非常接近，模型精度較高。過程中若遇到異常點，導致模型精度偏差大，需要進一步論證，是發動機本體的特殊點還是數據真實性導致，根據論證結果，對異常點進行取舍，確保模型精度。

根據建模結果，可以直觀分析模型響應對輸入的變化趨勢，如圖6所示，在1000r/min、負荷為100%的工況點，隨著排氣VVT的晚關，油耗率先減小后增大，隨著進氣VVT的提前開啟油耗率逐漸增大。

圖6　 模型響應

5　參數優化

5.1優化目標設定

根據建好的DOE模型（判別系數R2＞0.9），就可以針對進排氣VVT進行參數優化，VVT功能的最大作用在于提升扭矩，降低油耗，因此本例的優化目標為：在目標工況下（表2所示），通過進排氣VVT的不同組合，使發動機扭矩最大，油耗最低，同時兼顧HC、NO x排放，優化目標如表3所示。

5.2模型優化結果

目標工況按照優化目標得到最優進、排氣VVT結果如圖7、8所示。圖7排氣VVT曲面變化相對平滑，圖8進氣VVT曲面在中小負荷區域凹凸不平，這是因為發動機的性能、油耗、排放對進氣相位的變化更為敏感[4]，優化過程只考慮最優目標，而不會考慮結果的平滑過渡，實際過程中為了減少發動機變工況零部件的負荷沖擊，需考慮進排氣VVT平滑過渡，對DOE最優結果進行取舍。

表3　優化目標

5.3優化結果驗證

針對表3工況點，根據DOE優化確定一組最優VVT組合，同時通過傳統正交掃點確定另一組最優VVT組合，根據兩組不同的控制參數，在臺架上進行數據采集，主要對油耗進行對比，結果如表4所示。

通過比較，可以看到：2600r/min/0.4MPa、3000r/ min/0.3MPa DOE與正交得到的進排氣VVT相位偏差都在3°CA以內，臺架上油耗率的表現基本一致。

2000r/min/0.2MPa、1800r/min/0.25MPa DOE與正交得到的進氣VVT基本一致，排氣VVT偏差在10°CA左右，油耗率DOE比正交要大8g/（kW·h）。

圖7　 排氣VVT優化結果

事實上，這兩個點正交得到的最優排氣VVT都為25°CA，已是硬件允許的最大開度，存在VVT油壓電磁控制閥燒毀風險。另一方面，按照正交結果，這兩個點在MAP表上表現必定是凸點，影響MAP表平順，考慮到以上兩個因素，必須對正交結果進行修正，可以得到與DOE相似結果。

通過以上對比：模型優化與正交優化結果基本吻合，基于DOE設計實現高效DVVT標定在實際應用中具有較高的借鑒意義。

效率提升方面，根據表1參數，按照傳統正交設計需要20160（10×14×12×12）個試驗點數，DOE設計僅為2500個，不到正交設計的1/8，標定效率提升明顯。

表4　 DOE與正交結果對比

6結論

1）通過某款3.0L直列六缸直噴增壓汽油機DVVT標定實例，介紹了DOE流程。

2）與傳統正交優化方法相比，應用DOE標定DVVT發動機，臺架試驗量可大幅減少。

3）與傳統正交優化方法相比，借助模型更能充分考慮進、排氣VVT的平滑過渡，但是，最終結果要在臺架上驗證。若發現某些工況點的響應量與預期有差別，可在更小的范圍內進行正交測量，從而使控制參數更佳。

4）通過DOE建模不僅能得到基礎標定的最佳數據，而且通過基于模型的分析可以直觀得到發動機響應對控制參數的變化趨勢，很大程度簡化對復雜發動機響應的分析工作，在實際工作中有較高的借鑒意義。

1倪計民，杜倩穎，周英杰，等.DoE在高壓共軌柴油機優化設計中的應用[J].內燃機學報，2009，27（3）：231～236

2Karsten Roepke.DoE-design of experiments[M].Germany: Verlagmoderne Industrie，2005

3Atkinson A C，DonevA N.Optimum experimental designs [M].Britain:Oxford Science Publications，2001

4周龍保.內燃機學第三版[M].北京:機械工業出版社，2010

Implementation of DVVT Efficient Calibration Based on DOEDesign

Jiang Kun1，2,Liu Ran1，2，Yang Zhonghua1，2，Qiao Jiawei1，2
1-TechnicalCenter，GreatWallMotor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）

2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

Test design based on the model and the method of optimization of the model（DOE）are introduced.Combined with inletand exhaustphase（DVVT）calibration process of a 3.0 L direct injection inline six-cylinder gasoline engine,using software ASCMO，DOEmethod's generalprocess isestablished. Finally，by comparing with some points of the orthogonal experiment，the DOE optimization results are verified.The resultsshow that the calibration DVVT testbench based on DOE design can notonly achieve equaleffect to orthogonal design optimization results，but can greatly reduce the test time and improve the efficiency of calibration also.

Testdesign，Theefficiency of calibration，Process，VVT

TK413.4+3

A

2095-8234（2015）01-0059-05

姜坤（1990-），男，本科，助理工程師，主要從事發動機電控、燃燒系統的研究開發。

（2014-05-22）