王衍濤, 張小明, 陳明, 周東翔, 賀喆

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

0 引言

發(fā)動機負荷特性是指當(dāng)內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速不變時，性能指標隨負荷而變化的關(guān)系，即當(dāng)發(fā)動機在穩(wěn)定工況下運轉(zhuǎn)時，對于每一種曲軸轉(zhuǎn)速，調(diào)速器的杠桿系統(tǒng)和供油齒桿位移都有完全確定的相應(yīng)位置[1-2]。通常，在一款新型發(fā)動機設(shè)計定型后，量產(chǎn)裝配前均要進行負荷特性分析，以便正確評價發(fā)動機性能，提出改進需求。已裝配到車輛上的發(fā)動機在實際使用過程中，通過分析發(fā)動機當(dāng)前負荷特性，并與該型發(fā)動機的標準負荷特性進行對比，對于評估發(fā)動機當(dāng)前技術(shù)狀況具有重要參考價值。然而，兩方面原因?qū)е仑摵商匦栽诎l(fā)動機技術(shù)狀況評估中并未發(fā)揮作用:一方面負荷特性的測取需要發(fā)動機保持穩(wěn)態(tài)工況，車輛使用過程中發(fā)動機絕大部分時間都處于非穩(wěn)態(tài)工況下[3-4]，直接測取負荷特性難以實現(xiàn)，而目前對于非穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動機負荷特性測量方面的研究尚未查到；另一方面，目前發(fā)動機負荷特性通常只針對特定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速和負荷都符合這些特定轉(zhuǎn)速特定負荷幾乎不可能。

徑向基(radial basis function，RBF)函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種結(jié)構(gòu)簡單，收斂速度快，能夠逼近任意非線性函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)[5-6]。發(fā)動機負荷特性可以看作是各項性能參數(shù)隨工作狀況變化的非線性函數(shù)，因此，本文提出一種基于RBF非穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動機負荷特性測取方式，通過對各種負荷非穩(wěn)態(tài)工況下參數(shù)的相應(yīng)變化進行RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，解析后求出穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動機負荷特性。

1 基本原理

目前發(fā)動機的負荷特性都是在試驗臺架上完成。試驗時，改變發(fā)動機承受的負荷，并相應(yīng)調(diào)節(jié)內(nèi)燃機的油量調(diào)節(jié)機構(gòu)，以保持發(fā)動機處于規(guī)定的轉(zhuǎn)速狀態(tài)，待工況穩(wěn)定后測量和記錄當(dāng)前的轉(zhuǎn)速、負荷以及其他參數(shù)，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(zhuǎn)速下負荷特性曲線。為較全面反映發(fā)動機在各種轉(zhuǎn)速下的負荷特性，一般需要對多種轉(zhuǎn)速分別做負荷特性試驗，繪制出各轉(zhuǎn)速下的負荷特性曲線。發(fā)動機負荷特性可以反映多種性能指標，如柴油機充量系數(shù)Φc、指示熱效率ηit、有效燃油消耗率be等隨轉(zhuǎn)速、負荷的變化關(guān)系。在穩(wěn)態(tài)工況下，確定負荷和轉(zhuǎn)速后，根據(jù)負荷特性曲線，就可以算出Φc、指示熱效率ηit等參數(shù)。

以此為基礎(chǔ)，本文中假設(shè)在非穩(wěn)態(tài)工況下確定負荷和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，以及一個表征發(fā)動機非穩(wěn)定狀態(tài)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(shè)成立，在非穩(wěn)態(tài)工況下就可實現(xiàn)發(fā)動機負荷特性的測取。非穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動機負荷特性本質(zhì)就是求取發(fā)動機相關(guān)性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速和負荷以及非穩(wěn)定狀態(tài)程度而變化的隨動關(guān)系。為求取這一隨動關(guān)系，選取發(fā)動機曲軸角加速度表征發(fā)動機非穩(wěn)定狀態(tài)的程度，與發(fā)動機轉(zhuǎn)速、輸出軸扭矩作為輸入量，有效燃油消耗率作為輸出量構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，求取四個參數(shù)之間的相互關(guān)系，進而求出非穩(wěn)態(tài)工況下的發(fā)動機負荷特性。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本采集

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要大量樣本，以某型裝甲車輛的發(fā)動機為試驗對象，大量采集該發(fā)動機在各種工況下的發(fā)動機轉(zhuǎn)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(shù)。

1)發(fā)動機轉(zhuǎn)速

由安裝在飛輪殼上的磁電式傳感器完成，轉(zhuǎn)速傳感器安裝位置如圖1所示。

2)曲軸角加速度

通過發(fā)動機實時轉(zhuǎn)速的變化來計算當(dāng)前曲軸的角加速度。

3)發(fā)動機輸出軸扭矩

由于在實車上發(fā)動機輸出軸端沒有合適位置安裝扭矩測試設(shè)備，選取試驗車輛的綜合傳動箱至側(cè)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(fā)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(fā)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(fā)動機參數(shù)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(shù)據(jù)采集，其中最大爬坡度為32°時發(fā)動機處于最大負荷工況，由于瞬態(tài)工況下發(fā)動機各項參數(shù)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(shù)據(jù)以降低瞬態(tài)工況不確定性造成的誤差。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

3.1 試驗數(shù)據(jù)處理

1) 發(fā)動機實時轉(zhuǎn)速n。直接采用所測數(shù)據(jù)。

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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)動機輸出軸扭矩有關(guān)，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(cè)減速器傳動比;ηj為側(cè)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(zhì)量,kg。

曲軸角加速度

α=(ac/rz)icij,

(4)

由式(3)(4)可得：

(5)

4) 發(fā)動機實時油耗

由于利用發(fā)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(zhuǎn)速進行測量，不能全轉(zhuǎn)速情況下實現(xiàn)尺桿位置信號向?qū)崟r油耗的轉(zhuǎn)換，所以采用尺桿位置信號spo代替實時油耗作為輸入量構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，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(shù)據(jù)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(dāng)導(dǎo)致車輛熄火倒滑，在此過程中發(fā)動機處于非正常工作狀態(tài)，這段數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)刪除。試驗數(shù)據(jù)換算后的發(fā)動機輸出軸扭矩大部分為1000～1800 N·m，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對樣本的依賴性較強，在構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時僅構(gòu)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(xiàn)數(shù)據(jù)的篩選。

3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

在MATLAB中，將處理過后的發(fā)動機轉(zhuǎn)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(jīng)元個數(shù)設(shè)置為20構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果如圖3所示，當(dāng)神經(jīng)元個數(shù)為20時，誤差降至0.008 3,說明利用發(fā)動機速度、曲軸角加速度和輸出軸扭矩計算尺桿位置已經(jīng)具備一定可信度。

另選一段試驗數(shù)據(jù)，將發(fā)動機轉(zhuǎn)速、曲軸角加速度和輸出軸扭矩輸入已訓(xùn)練完畢的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(wěn)態(tài)工況下，有了確定的發(fā)動機轉(zhuǎn)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(wěn)態(tài)工況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)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(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算尺桿位置。同理，可求出發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1600 r/min和1400 r/min時穩(wěn)態(tài)工況下加油尺桿位置隨負荷的變化規(guī)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(guān)系[10]。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的穩(wěn)定工況測取發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2000 r/min，即噴油泵轉(zhuǎn)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(fā)動機耗油量，多項式擬合出發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2000 r/min時單周期耗油量與尺桿位置的關(guān)系，如圖5所示。

多項式擬合結(jié)果誤差為1.512×10-5，確定系數(shù)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(guān)系。同理可擬合出轉(zhuǎn)速為1600 r/min和1400 r/min時單周期油耗量與尺桿位置的關(guān)系。

3)負荷特性曲線繪制

將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算出的穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)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(fā)動機輸出功率，kW/h;Ps=nTf/9550。

由于試驗所用發(fā)動機為6缸發(fā)動機，則

B=180nkoil。

(7)

聯(lián)立(6)(7)可得

be=1 719 000koil/Tf。

同理可得轉(zhuǎn)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(guān)系，即負荷特性曲線。將利用模型仿真得到的穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動機負荷特性與發(fā)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果與實測結(jié)果非常相近，說明仿真結(jié)果基本正確，利用RBF對非穩(wěn)態(tài)工況數(shù)據(jù)進行建模仿真不僅可以實現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)工況下負荷特性的求取，還能夠推算出穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動機負荷特性[14-15]。

5 結(jié)語

針對實車使用條件下發(fā)動機絕大部分都處于非穩(wěn)態(tài)工況下的特點，提出了基于RBF的非穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動機負荷特性的測試方法，成功實現(xiàn)了用發(fā)動機轉(zhuǎn)速、曲軸角加速度和輸出軸扭矩來計算對應(yīng)的加油尺桿位置，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差低至0.008 3，并利用非穩(wěn)態(tài)工況下數(shù)據(jù)樣本繪制穩(wěn)態(tài)工況下負荷特性曲線。

該方法的意義不僅在于通過非穩(wěn)態(tài)工況試驗樣本求取穩(wěn)態(tài)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(fā)動機全轉(zhuǎn)速全負荷以及大部分非穩(wěn)定狀態(tài)范圍內(nèi)性能指標和發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷和非穩(wěn)定狀態(tài)的映射關(guān)系的求取，利用負荷特性對非穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動機的技術(shù)狀況評估。