基于空燃比加权的内燃机急加速（载）方案优化方法与流程

本发明涉及的是一种内燃机控制方法，具体地说是内燃机在急加速、急加载时的优化方法。

背景技术：

内燃机承担着将化石能源转化为机械功的使命，由于其较高的热效率以及强大的动力性，使其得到广泛的应用。到目前为止，还没有找到系统热效率高于内燃机的可移动的动力装置，在汽车、农机、工程机械、舰船、机车、坦克装甲车等军用车辆中，内燃机牢牢保持了最佳原动机的地位，占有绝对优势。自从19世纪末期，汽油机和柴油机的问世直到今天，内燃机改变了人类生活的方方面面，成为了推动现代工业文明发展的强大引擎。由于其转速和负载不是一成不变的，为了完成特定的功能，内燃机会有突然加速或者突然加载的情况。当内燃机在急加速(加载)时，如果其按照给定的初始加速(加载)方案进行加速(加载)，可能在加速(载)过程中会出现阶段性碳烟排放过大、排温过高、有效油耗过大、空燃当量比过低、后燃严重以及机械负荷和热负荷过大等问题，然而对于加速(载)过程，空燃比决定最大燃油燃烧量，因此空燃比也成为了加速(载)响应的主要限制因素。通过空燃比对目标转速(负载)进行加权优化，使内燃机按照空燃比加权优化后的目标转速(负载)进行加速或加载可以有效的缓解由于空燃比过大或者过小导致的上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供可以很好的改善阶段性空燃比过低、有效燃油消耗率过高、碳烟排放过大、排温过高以及机械负荷和热负荷过大等一系列问题的基于空燃比加权的内燃机急加速(载)方案优化方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明基于空燃比加权的内燃机急加速(载)方案优化方法，其特征是：

内燃机在急加速时：

(1)给定内燃机的初始加速方案；

(2)计算初始不同时刻的目标转速加速率，计算公式为：

target_speed_rate(i)＝(target_speed(i)-target_speed(i-1))/(t(i)-t(i-1))，

其中target_speed_rate(i)为初始不同时刻的目标转速加速率，

target_speed(i)、target_speed(i-1)为第i时刻与第i-1时刻的初始的目标转速，t(i)、t(i-1)分别为第i与第i-1时刻；

(3)通过实验或者仿真计算得到初始加速方案下不同时刻的空燃当量比

(4)计算空燃比加权的权重q(i)：当时，令权重q(i)＝α；当时，令权重当时，令权重q(i)为1，其中α为2-3之间的代数变量；

(5)计算空燃比加权后不同时刻的目标转速加速率，计算公式为：

target_speed_rate_1(i)＝(q(i)-β)*target_speed_rate(i)，其中

target_speed_rate_1(i)为空燃比加权后不同时刻的目标转速加速率，q(i)为不同时刻的空燃比加权权重，target_speed_rate(i)为不同时刻的初始目标转速加速率，β为权重调整项；

(6)计算空燃比加权后不同时刻的目标转速，计算公式为：

target_speed-1(i)＝target_speed_rate_1(i)*(t(i)-t(i-1))+target_speed_1(i-1)，

其中target_speed_1(i)为空燃比加权后不同时刻的目标转速，target_speed_rate_1(i)为空燃比加权后不同时刻的目标转速加速率，target_speed_1(i-1)为第i-1时刻内燃机空燃比加权后的目标转速；

(7)空燃比加权后的目标转速的修正，确保空燃比加权前后最终的目标转速相同。修正公式为：

target_speed_２(i)＝(target_speed_1(i)-min(target_speed_1(i)))/(max(target_speed_1(i))-min(target_speed_1(i)))*(b-a)+a；，

其中target_speed_1(i)为空燃比加权后得到的不同时刻的目标转速，min(targer_speed_1(i))为空燃比加权后得到的不同时刻的目标转速的最小值，max(targer_speed_1(i))为空燃比加权后得到的不同时刻的目标转速的最大值，b为初始目标转速的最大值，a为初始目标转速的最小值；

(8)在本次空燃比加权后得到的目标转速的基础上，通过实验或者仿真计算判断内燃机各项性能指标参数是否达到预设的要求，若达到预设的要求，则优化结束；若未达到预设的要求，则以当前得出的空燃当量比和目标转速作为初始空燃当量比和初始目标转速，转入步骤(4)。

本发明还可以包括：

1、内燃机在急加载时：

(1)给定内燃机的初始加载方案；

(2)计算初始不同时刻的目标负载增加率，计算公式为：target_load_rate(i)＝(targey_load(i)-target_load(i-1))/(t(i)-t(i-1))，其中target_load_rate(i)为初始不同时刻的目标负载增加率，target_load(i)、target_load(i-1)为第i时刻与第i-1时刻的初始目标负载，t(i)、t(i-1)分别为第i与第i-1时刻；

(3)通过实验或者仿真计算得到初始加速方案下不同时刻的空燃当量比

(4)计算空燃比加权的权重q(i)：当时，令权重q(i)＝α；当时，令权重时，令权重q(i)为1， 其中α为2-3之间的代数变量；

(5)计算空燃比加权后不同时刻的目标负载增加率，计算公式为：

target_load_rate_1(i)＝(q(i)-β)*target_load_rate(i)，其中target_load_rate_1(i)为空燃比加权后不同时刻的目标负载增加率，q(i)为不同时刻的空燃比加权权重，target_load_rate(i)为不同时刻的初始负载增加率，β为权重调整项；

(6)计算空燃比加权后不同时刻的目标负载，计算公式为：

target_load_1(i)＝target_load_rate_1(i)*(t(i)-t(i-1))+target_load_1(i-1)

，其中target_load_1(i)为空燃比加权后不同时刻的目标负载，target_load_rate_1(i)为空燃比加权后不同时刻的目标负载增加率，target_load_1(i-1)为第i-1时刻内燃机空燃比加权后的目标负载；

(7)空燃比加权后的目标负载的修正，确保空燃比加权前后最终的目标负载相同，修正公式为：

target_load-2(i)＝(target_load1(i)-min(target_load_1(i)))/(max(target_load_1(i))-min(target_load-1(i)))*(b-a)+a；

其中target_load_rate_1(i)为空燃比加权优化后得到的不同时刻的目标负载，min(target_load_1(i))为空燃比加权优化后得到的不同时刻的目标负载的最小值，max(targer_load_1)为空燃比加权优化后得到的不同时刻的目标负载的最大值，b为初始目标负载的最大值，a为初始目标负载的最小值；

(8)在本次空燃比加权后得到的目标负载的基础上，通过实验或者仿真计算判断内燃机各项性能指标参数是否达到预设的要求，若达到预设的要求，优化结束；若未达到预设的要求，以当前得出的空燃当量比和目标转速作为初始空燃当量比和初始目标转速，转入步骤(4)。

本发明的优势在于：

1、有效的改善了初始加速(载)过程中由于空燃比过大或者过小导致的内 燃机工作时出现的阶段性碳烟排放过大、排温过高、有效油耗过大、空燃当量比过低、燃烧粗暴、机械负荷和热负荷过大等问题。

2、明显的提高了内燃机加速动力性以及加速平顺性，与此同时还有利于内燃机加速过程中节能减排，对缓解当今世界的能源危机以及改善人类赖以生存的环境具有十分重要的现实意义。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-2，本优化设计系统方案如图1所示，包括一台柴油机、一套涡轮增压器、进排气系统、信号采集单元、轴端负载、燃油供给系统、接口单元以及ECU控制系统。其中ECU控制系统里面封装了空燃比加权优化后的目标转速(负载)以及电子调速器模块。进排气系统、燃油供给系统、信号采集单元、轴端负载等分别通过接口单元与ECU控制系统相连。信号采集单元包括进气流量传感器、排气温度传感器、烟度计、排气的氧含量检测仪、NO_x含量检测仪，用于实时监测进气空气流量、排气温度、排气烟度、排气NO_x含量以及空燃比等参数值，确保柴油机在急加速(载)过程中各项性能参数不超过限定值。为了获得空燃比加权优化后得到的目标转速(负载)，首先将人为给定的初始急加速(载)方案写入外部的电子控制系统，然后通过实验或者仿真计算得到初始加速方案下不同时刻的空燃当量比，并将得到的空燃当量比写入外部的电子控制系统，最后外部的电子控制系统会将所有的数据传入到空燃比加权算法模块，并将输出的空燃比加权优化后的目标转速(负载)封装到ECU控制系统。当内燃机ECU控制系统接收到急加速(载)的信号之后，ECU控制系统里面的电子调速器模块会对内燃机的实际转速(负载)和存储在ECU控制系统里面的空燃比加权优化后的目标转速(负载)进行比对，并将其二者之间的差值进行简单的处理，然后以电信号的形式传递给执行机构(燃油供给系统)，通过改变燃油供给系统的燃油供给量使柴油机按照加权优化后的目标转速(负载)进行急加速(载)，从而改善柴油机在进行急加载(速)时，由于空燃比过大或者过小导致的阶段性碳烟排放过大、燃油消耗率过高、排温过高、燃烧粗暴以及机械负荷和热负荷过大等问题。

本发明的核心和创新点在于利用空燃比加权算法求解优化后的目标转速(负载)，下面详细介绍内燃机在急加速或急加载时利用空燃比加权算法求解优化后的目标转速或目标负载时的详细实施步骤。

在急加速时，利用空燃比加权算法求解优化后的目标转速的具体步骤如下：

步骤1.人为给定内燃机的初始加速方案。

步骤2.计算初始不同时刻的目标转速加速率。计算公式为：

target_speed_rate(i)＝(target_speed(i)-target_speed(i-1))/(t(i)-t(i-1))，

其中target_speed_rate(i)为初始不同时刻的目标转速加速率，

target_speed(i)、target_speed(i-1)为第i时刻与第i-1时刻的初始的目标转速，t(i)、t(i-1)分别为第i与第i-1时刻。

步骤3.通过实验或者仿真计算得到初始加速方案下不同时刻的空燃当量比

步骤4.计算空燃比加权的权重q(i)。当时，令权重q(i)＝α；当时，令权重当时，令权重q(i)为1，其中α是一个代数变量(一般默认为2-3之间的某一个常数)。

步骤5.计算空燃比加权优化后不同时刻的目标转速加速率。计算公式为：

target_speed_rate_1(i)＝(q(i)-β)*target_speed_rate(i)，其中target_speed_rate_1(i)为空燃比加权优化后不同时刻的目标转速加速率，q(i)为不同时刻的空燃比加权权重，target_speed_rate(i)为不同时刻的初始目标转速加速率，β为权重调整项(一般默认为大于0小于1的某一个常数)。

步骤6.计算空燃比加权优化后不同时刻的目标转速。计算公式为：

target_speed_1(i)＝target_speed_rate_1(i)*(t(i)-t(i-1))+target_speed-1(i-1)，

其中target_speed_1(i)为空燃比加权优化后不同时刻的目标转速，target_speed_rate_1(i)为空燃比加权优化后不同时刻的目标转速加速率，，target_speed_1(i-1)为第i-1时刻内燃机空燃比加权优化后的目标转速，假设最初的空燃比加权优化后的目标转速为a。

步骤7.空燃比加权后的目标转速的修正，确保空燃比加权优化前后最终的目标转速相同。修正公式为：

target_speed_2(i)＝(target_speed-1(i)-min(target_speed_1(i)))/(max(target_speed_1(i))-min(target_speed_1(i)))*(b-a)+a；

其中target_speed_1(i)为空燃比加权优化后得到的不同时刻的目标转速，min(target_speed_1(i))为空燃比加权优化后得到的不同时刻的目标转速的最小值，max(target_speed_1(i))为空燃比加权优化后得到的不同时刻的目标转速的最大值，b为初始目标转速的最大值，a为初始目标转速的最小值。

步骤8.在第一次空燃比加权优化后得到的目标转速的基础上，通过实验或者仿真计算判断内燃机各项性能指标参数是否达到要求(或收敛)，若达到要求(或收敛)，计算结束；若未达到要求(或收敛)，以当前得出的空燃当量比和目标转速作为初始空燃当量比和初始目标转速，转入步骤4。

在急加载时，利用空燃比加权算法求解优化后的目标负载的具体步骤如下：

步骤1.人为给定内燃机的初始加载方案。

步骤2.计算初始不同时刻的目标负载增加率。计算公式为：

target_load_rate(i)＝(target_load(i)-target_load(i-1))/(t(i)-t(i-1)).其中target_load_rate(i)为初始不同时刻的目标负载增加率，

target_load(i)、target_load(i-1)为第i时刻与第i-1时刻的初始目标负载，t(i)、t(i-1)分别为第i与第i-1时刻。

步骤3.通过实验或者仿真计算得到初始加速方案下不同时刻的空燃当量比

步骤4.计算空燃比加权的权重q(i)。当时，令权重q(i)＝α；当时，令权重时，令权重q(i)为1，其中α是一个代数变量(一般默认为2-3之间的某一个常数)。

步骤5.计算空燃比加权优化后不同时刻的目标负载增加率。计算公式为：

target_load_rate_1(i)＝(q(i)-β)*target_load_rate(i)，其中

target_load_rate_1(i)为空燃比加权优化后不同时刻的目标负载增加率，q(i) 为不同时刻的空燃比加权权重，target_load_rate(i)为不同时刻的初始负载增加率，β为权重调整项(一般默认为大于0小于1的某一个常数)。

步骤6.计算空燃比加权优化后不同时刻的目标负载。计算公式为：

target_load_1(i)＝target_load_rate_1(i)*(t(i)-t(i-1))+target_load_1(i-1)

，其中target_load_1(i)为空燃比加权优化后不同时刻的目标负载，target_load_rate_1(i)为空燃比加权优化后不同时刻的目标负载增加率，target_load_1(i-1)为第i-1时刻内燃机空燃比加权优化后的目标负载，假设最初的空燃比加权优化后的目标负载为a。

步骤7.空燃比加权优化后的目标负载的修正，确保空燃比加权优化前后最终的目标负载相同。修正公式为：

target_load_2(i)＝(target_load1(i)-min(target_load_1(i)))/(max(target_load_1(i))-min(target_load_1(i)))*(b-a)+a；

其中target_load_rate_1(i)为空燃比加权优化后得到的不同时刻的目标负载，min(target_load_1(i))为空燃比加权优化后得到的不同时刻的目标负载的最小值，max(targer_load_1)为空燃比加权优化后得到的不同时刻的目标负载的最大值，b为初始目标负载的最大值，a为初始目标负载的最小值。

步骤8.在第一次空燃比加权优化后得到的目标负载的基础上，通过实验或者仿真计算判断内燃机各项性能指标参数是否达到要求(或收敛)，若达到要求(或收敛)，计算结束；若未达到要求(或收敛)，以当前得出的空燃当量比和目标转速作为初始空燃当量比和初始目标转速，转入步骤4。

本发明提出的通过空燃比对目标转速(负载)进行加权实现内燃机急加速(载)过程性能优化的方法，在不需要添加其他辅助部件的前提下，可有效的改善内燃机急加速(载)过程中由于空燃比阶段性过大或者过小导致的其阶段性碳烟排放过大、排温过高、有效油耗过大、机械负荷以及热负荷过大等一系列内燃机领域普遍关注的问题。对提高内燃机加速动力性以及加速平顺性、促进内燃机急加速(载)过程中的节能减排，缓解当今世界的能源危机以及改善人类赖以生存的环境都具有十分重要的现实意义。

空燃比加权算法的具体原理如下：

对于加速(载)过程，空燃比决定最大燃油燃烧量，成为影响内燃机加速(载)响应的一个重要因素。空燃当量比过小会导致油气混合不均匀，高温缺氧区域增多，碳烟排放严重，燃油消耗率增加，热效率下降；空燃当量比过大，或导致混合气过于稀薄，高温富氧区域增多，燃烧前期的燃烧速度大大的下降，后燃严重，机械负荷和热负荷过大，不利于内燃机的运行。空燃比加权优化就是通过空燃比对目标转速(负载)进行加权优化，使内燃机按照优化后的急加速(载)方案加速(载)时，不同时刻的空燃当量比不至于过大或者过小，从而改善柴油机运行中的出现的一系列的问题。在空燃比加权算法中，根据初始加速(载)方案中不同时刻的空燃当量比设定不同的权重q(i)，由于空燃当量比过大会导致空燃比加权的权重过大，转速加速率(负载增加率)相应变的过大，进而导致喷油量过大，燃烧过程中燃烧粗暴，最高爆压超限、机械和热负荷过大，不能满足内燃机运行的性能指标需要重复加权优化；空燃当量比过小会导致空燃比加权的权重过小，转速加速率(负载增加率)相应变的过小，进而导致迭代收敛的速率较低(结果精确度也较差)，为了满足内燃机运行的各项指标，需增加迭代次数。为了减少迭代次数，有效改善内燃机急加速(载)方案的各项性能，将其中的α设为一几何变量，一般默认2≤α≤3。为了保证急加速(载)过程所需时间尽可能短、过量空气系数始终在合适的范围内以及优化后的目标转速(负载)加速(载)率始终为正值。权重调节项一般默认为一个大于0小于1的某一常数。对配有增压器的内燃机而言，当内燃机按照初始的加速方案急加速(载)时，喷油量瞬时增加，然而由于压气机的迟滞现象导致进气量不能做到瞬时增加这样就会导致空燃当量比过小；当内燃机达到较高的转速(负载)时，排气能量增加，涡轮得到的能量相应增加，压气机的做功能力也会增加，压气机后的空气流量和压力迅速增大，空燃当量比会变的很大，波动剧烈。空燃比加权优化可以很好的改善由于空燃当量比波动剧烈造成的阶段性碳烟排放过大、排温过高、有效油耗过大等问题。

本发明的创新点在于ECU控制系统里面封装了空燃比加权优化后的目标转速(负载)。为了获得空燃比加权优化后得到的目标转速(负载)，首先将人为给定的初始急加速(载)方案写入外部的电子控制系统，然后通过实验或者仿真计算得到初始加速方案下不同时刻的空燃当量比，并将得到的空燃当量比 写入外部的电子控制系统，最后外部的电子控制系统会将所有的数据传入到空燃比加权算法模块，并将输出的空燃比加权优化后的目标转速(负载)封装到ECU控制系统。ECU控制系统能够根据加权优化后得到的目标转速(负载)控制内燃机的加速(加载)过程。优化后目标转速(负载)的获取过程是空燃比加权优化设计最为关键的一部分。ECU控制系统通过控制内燃机燃油供给系统的喷入气缸内的燃油供给量使内燃机按照优化后的目标转速(负载)进行加速(载)，这样可以有效改善其按照初始加速(载)方案急加速(载)时可能出现的一系列的阶段性碳烟排放过大、排温过高、有效油耗过大、空燃当量比过低以及机械负荷和热负荷过大等问题。