本发明属于发动机工程
技术领域：
：，涉及一种获取焦炉气发动机最佳点火提前角的方法，适用于焦炉气发动机。当发动机燃用焦炉气时，通过该方法，可获取发动机在各个工况下兼顾动力性与排放性的最佳点火提前角，并通过对ecu中点火map图的重新标定，使其可直接应用于焦炉气发动机。
背景技术：
：随着汽车工业的快速发展，其巨大的能源消耗已威胁到国家的能源供应安全，同时，排放的大量尾气也直接威胁到了生态环境与人类健康。清洁车用代用燃料已成为各国研究的重要课题，其中醇类燃料和气体燃料是应用最广泛的代用燃料，但相比于醇类燃料，气体燃料在资源、经济、排放、安全等诸多方面具有巨大优势，是目前汽车的首选代用燃料。作为产煤大国，产量巨大的炼焦副产物焦炉气(富含氢气、甲烷与一氧化碳等可燃气体)是一种理想的清洁车用代用燃料。目前，焦炉气发动机是在汽油机的基础上直接改进所得，它保留了汽油机的控制策略，即根据节气门开度、进气压力及发动机转速等工况参数，通过查找map图，决定燃料的喷射脉宽与点火提前角。在实际使用中，由于焦炉气物化特性的特殊性，其动力性与排放性与汽油机存在较大差别：动力性方面，焦炉气当量空燃比混合气体积热值较汽油小15％左右，且在进气道喷射发动机中，气体燃料会导致充量系数下降，因此，焦炉气发动机动力性较汽油机有明显下降；排放方面，由于焦炉气富含氢气，燃烧速度快，且燃烧温度高，会导致碳氢与一氧化碳的排放量明显下降，但高温环境为氮氧化物的生成提供了理想环境，因此，氮氧化物的排放量较汽油机会有明显增加。综上所述，汽油机改为焦炉气发动机之后，需对点火提前角进行重新标定。当前，常见的点火提前角优化方法为mbt(maximumbraketorque)优化法，即选择发动机扭矩最大时的点火提前角作为发动机点火提前角。利用该方法确定的点火提前角只考虑了发动机的动力性，而未兼顾到排放性，应用于焦炉气发动机时，势必会导致氮氧化物的排放严重超标，给大气带来严重污染。技术实现要素：本发明的目的是提出一种获取焦炉气发动机最佳点火提前角的方法，利用由汽油机改造而来的焦炉气发动机，结合测功机、排放分析仪、燃烧分析仪等设备，研究不同工况下点火提前角对发动机动力性、排放特性等的影响规律，并据此利用点火提前角优化算法，最终建立单目标求解模型，并计算得到各个工况下的最佳点火提前角。该点火提前角可通过标定软件写入ecu的点火map图，用于焦炉气发动机的实际控制。本发明采用的技术方案：本发明一种获取焦炉气发动机最佳点火提前角的方法，具体步骤如下：第一步：首先，通过测功机控制焦炉气发动机的运行工况，同时获取在每个工况下焦炉气发动机的扭矩；数据采集与控制系统控制点火提前角，并确定每个工况下焦炉气发动机稳定运行的点火提前角范围，稳定运行状态为无爆震，且转速与功率波动范围均在5％以内。其次，通过排放分析仪测量得到催化器入口处在每个工况下对应不同点火提前角时的氮氧化物、一氧化碳及碳氢排放物浓度。再次，通过燃烧分析仪采集并分析计算得到在每个工况下对应不同点火提前角时的焦炉气发动机缸内燃烧信息，包括缸内压力和放热率。最后，通过数据采集与控制系统，读取每个工况下对应不同点火提前角时的焦炉气发动机的扭矩，氮氧化物、一氧化碳及碳氢排放物浓度，以及焦炉气发动机缸内燃烧信息。第二步：首先，根据焦炉气发动机的扭矩以及氮氧化物、一氧化碳和碳氢排放物浓度在每个工况下对应不同点火提前角时的变化关系，拟合出多项式数学模型。其次，在焦炉气发动机稳定运行的前提下，以点火提前角为优化参数，获得焦炉气发动机的扭矩最大，氮氧化物、一氧化碳和碳氢排放物浓度最低为优化目标，建立多目标优化模型。再次，采用评价函数建立单目标模型，具体为：建立点火提前角的评价函数如下：其中，g(θign)为评价指标，αi为fi(θign)对应的权重，设α1＝α2＝0.4，α3＝α4＝0.1，α1为焦炉气发动机扭矩的权重，α2为氮氧化物排放量的权重，α3为一氧化碳排放量的权重，α4为碳氢排放量的权重，点火提前角的上限为爆震临界点kta，下限为稳定工作临界点scp，稳定工作状态为焦炉气发动机的转速与功率波动范围均在5％以内，f1(θign)代表焦炉气发动机的扭矩拟合函数，f2(θign)代表氮氧化物排放量拟合函数，f3(θign)代表一氧化碳排放量拟合函数，f4(θign)代表碳氢排放量拟合函数。最后，根据单目标模型求解获取最佳点火提前角，具体如下：对fi(θign)在量级和量纲上的差别进行归一化处理：其中，best(fi)为fi(θign)在当前工况下且在点火提前角范围内的理想值，best(f1)＝max(f1(θign))，best(f2)＝min(f2(θign))，best(f3)＝min(f3(θign))，best(f4)＝min(f4(θign))；用hi(θign)替代fi(θign)，最终建立评价函数模型如下：然后计算得到当前工况的最佳点火提前角。在每个工况下对应不同点火提前角时的焦炉气发动机的扭矩，氮氧化物、一氧化碳及碳氢排放物浓度，以及焦炉气发动机缸内燃烧信息均采用多次测量取平均值作为最终结果，测量次数取十次以上。多项式数学模型的拟合具体如下：采用麦夸特法与通用全局优化算法拟合出fi(θign)，fi(θign)代表在每个工况下对应不同点火提前角的多项式拟合函数，公式如下：fi(θign)＝p1+p2·θign+p3·θign2+p4·θign3其中，θign代表点火提前角；p1、p2、p3、p4为拟合后多项式的系数；fi(θign)代表拟合函数的统一表达式，i＝1,2,3,4，具体如下：tq代表焦炉气发动机的扭矩，nox代表氮氧化物排放量，co代表一氧化碳排放量，thc代表碳氢排放量；f1(θign)和在每个工况下数据采集与控制系统读取的焦炉气发动机扭矩值的相关系数、f2(θign)和在每个工况下数据采集与控制系统读取的氮氧化物排放量的相关系数、f3(θign)和在每个工况下数据采集与控制系统读取的一氧化碳排放量的相关系数、f4(θign)和在每个工况下数据采集与控制系统读取的碳氢排放量的相关系数均大于0.98。本发明的有益效果在于：(1)本发明获取的最佳点火提前角兼顾动力性与排放性。(2)本发明设计的算法，可快速获取最佳点火提前角。附图说明图1是本发明采集焦炉气发动机性能指标数据的系统框图。图2为本发明的具体流程图。具体实施方式下面结合附图进一步说明本发明。如图2所示，本发明一种获取焦炉气发动机最佳点火提前角的方法，具体步骤如下：第一步：确定焦炉气发动机在不同工况下稳定运行(无爆震，且转速与功率波动范围均在5％以内)的点火提前角范围。如图1所示，焦炉气发动机1是在汽油机的基础上改造而来，焦炉气发动机1的燃料供给系统包括焦炉气气罐2和减压阀3。首先，通过测功机4控制焦炉气发动机的运行工况(工况参数为转速和功率)，同时获取在每个工况下焦炉气发动机的扭矩；数据采集与控制系统8控制点火提前角，并确定每个工况下焦炉气发动机稳定运行(无爆震，且转速与功率波动范围均在5％以内，爆震可通过燃烧分析仪7分析得到，转速与功率可通过测功机4显示数值直接得到)的点火提前角范围。其次，通过排放分析仪(也称尾气分析仪)5测量得到催化器6入口处在每个工况下对应不同点火提前角时的氮氧化物、一氧化碳及碳氢排放物浓度。再次，通过燃烧分析仪7采集并分析计算得到在每个工况下对应不同点火提前角时的焦炉气发动机缸内燃烧信息，包括缸内压力和放热率；在每个工况下对应不同点火提前角时的焦炉气发动机的扭矩，氮氧化物、一氧化碳及碳氢排放物浓度，以及焦炉气发动机缸内燃烧信息均采用多次测量取平均值作为最终结果来提高试验数据的准确性，测量次数取十次以上。最后，通过数据采集与控制系统8，读取每个工况下对应不同点火提前角时的焦炉气发动机的扭矩，氮氧化物、一氧化碳及碳氢排放物浓度，以及焦炉气发动机缸内燃烧信息。第二步：拟合出多项式数学模型。为降低模型复杂度，同时减少计算量，节省计算成本，采用麦夸特法与通用全局优化算法拟合出fi(θign)，fi(θign)代表在每个工况下对应不同点火提前角的多项式拟合函数，公式如下：fi(θign)＝p1+p2·θign+p3·θign2+p4·θign3其中，θign代表点火提前角；p1、p2、p3、p4为拟合后多项式的系数；fi(θign)代表拟合函数的统一表达式，i＝1,2,3,4，具体如下：tq代表焦炉气发动机的扭矩，nox代表氮氧化物排放量，co代表一氧化碳排放量，thc代表碳氢排放量；f1(θign)代表焦炉气发动机的扭矩拟合函数，f2(θign)代表氮氧化物排放量拟合函数，f3(θign)代表一氧化碳排放量拟合函数，f4(θign)代表碳氢排放量拟合函数，f1(θign)和在每个工况下数据采集与控制系统8读取的焦炉气发动机扭矩值的相关系数、f2(θign)和在每个工况下数据采集与控制系统8读取的氮氧化物排放量的相关系数、f3(θign)和在每个工况下数据采集与控制系统8读取的一氧化碳排放量的相关系数、f4(θign)和在每个工况下数据采集与控制系统8读取的碳氢排放量的相关系数均大于0.98。第三步：建立多目标优化模型。点火提前角的优化目标是在保证焦炉气发动机稳定运行的前提下获得最大的动力性与最低的排放，其数学表达式如下：其中，点火提前角的上限为爆震临界点kta(knockthresholdangle)，下限为稳定工作临界点scp(stablecriticalpoint)，稳定工作状态为焦炉气发动机的转速与功率波动范围均在5％以内，max代表求最大值，min代表求最小值。因此，公式(1)进一步表达为：第四步：采用评价函数法建立单目标模型。引入权重对每个性能指标的重要程度加以区分，建立点火提前角的评价函数如下：其中，g(θign)为评价指标，αi为fi(θign)对应的权重。在焦炉气发动机中，动力性与排放中的氮氧化物最为重要，因此，设发动机扭矩与氮氧化物排放量的权重为0.4(α1＝α2＝0.4)，一氧化碳与碳氢排放量的权重为0.1(α3＝α4＝0.1)。第五步：单目标模型求解获取最佳点火提前角。由于各性能指标的单位不同，且数量级差异巨大，为消除这一因素对线性加权所产生的影响，需对各拟合函数fi(θign)在量级和量纲上的差别进行归一化处理，具体如下：其中，best(fi)为fi(θign)在当前工况下且在点火提前角范围内的理想值，根据第二步中多项式拟合结果计算得到，即best(f1)＝max(f1(θign))，best(f2)＝min(f2(θign))，best(f3)＝min(f3(θign))，best(f4)＝min(f4(θign))。用hi(θign)替代fi(θign)，最终建立评价函数模型如下：然后计算得到当前工况的最佳点火提前角。当前第1页12当前第1页12