一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及發(fā)動機領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法。本發(fā)明提供一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法，包括以下步驟：（1）收集發(fā)動機參數(shù)和發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)；（2）建立發(fā)動機一維性能仿真模型；（3）標(biāo)定一維性能仿真模型；（4）選取優(yōu)化參數(shù)與范圍的設(shè)定；（5）設(shè)定優(yōu)化參數(shù)和優(yōu)化目標(biāo)；（6）設(shè)計試驗并選擇優(yōu)化算法；（7）進行仿真迭代；（8）使用響應(yīng)面RSM決策工具進行結(jié)果分析。本發(fā)明基于計算機仿真分析，采用多目標(biāo)優(yōu)化算法與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了優(yōu)化過程的自動化，大大節(jié)約了發(fā)動機開發(fā)后期的試驗成本和時間，極大提高了發(fā)動機的開發(fā)效率。
【專利說明】一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及發(fā)動機領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)動機進氣歧管、進排氣凸輪型線、進排氣VVT角度對發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性 有著非常大的影響，需要優(yōu)化的參數(shù)較多，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法主要是采用發(fā)動機性能仿真分 析軟件對發(fā)動機工作過程進行數(shù)值仿真獲得其性能參數(shù)數(shù)據(jù)，同時基于已有的經(jīng)驗知識通 過反復(fù)地修改設(shè)計參數(shù)進行數(shù)值模擬這個過程來實現(xiàn)優(yōu)化。然而，這種方法對于小型的設(shè) 計或局部的修改尚可采用，面對復(fù)雜產(chǎn)品的大量參數(shù)時，顯然既耗費時間又耗費精力，而且 對專業(yè)知識的要求也非常高，根本無法準(zhǔn)確地確定最優(yōu)的設(shè)計值，也無法保證質(zhì)量穩(wěn)定性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種更 加高效率的發(fā)動機性能優(yōu)化方法，本方法基于計算機仿真分析，采用多目標(biāo)優(yōu)化算法與數(shù) 值模擬技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了優(yōu)化過程的自動化以提高開發(fā)效率，節(jié)省試驗成本。
[0004] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案為提供一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法，包括 以下步驟：
[0005] (1)收集發(fā)動機參數(shù)和發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)；
[0006] (2)建立發(fā)動機一維性能仿真模型；
[0007] (3)標(biāo)定一維性能仿真模型；
[0008] (4)選取優(yōu)化參數(shù)與范圍的設(shè)定；
[0009] (5)設(shè)定優(yōu)化參數(shù)和優(yōu)化目標(biāo)；
[0010] (6)設(shè)計試驗并選擇優(yōu)化算法；
[0011] (7)進行仿真迭代；
[0012] (8)使用響應(yīng)面RSM決策工具進行結(jié)果分析。
[0013] 作為本發(fā)明的進一步改進，步驟（1)中所述發(fā)動機參數(shù)包括發(fā)動機氣缸結(jié)構(gòu)參 數(shù)、進排氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)、進排氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0014] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述發(fā)動機進氣歧管參數(shù)、進氣道參數(shù)、排氣歧管參 數(shù)、排氣道結(jié)果參數(shù)是根據(jù)三維數(shù)模運用GEM3D工具離散得來。
[0015] 作為本發(fā)明的進一步改進，步驟（1)中所述發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)包括功率、扭矩、油 耗、充氣效率、摩擦功、缸壓、點火角、空燃比。
[0016] 作為本發(fā)明的進一步改進，步驟（3)包括建立多目標(biāo)優(yōu)化軟件與一維仿真軟件的 耦合計算模型，由多目標(biāo)優(yōu)化軟件來驅(qū)動一維仿真軟件運行，并讀取一維仿真軟件的計算 結(jié)果。
[0017] 作為本發(fā)明的進一步改進，步驟（3)包括對功率、扭矩、油耗、缸壓、充氣效率等參 數(shù)的模擬值與試驗值誤差控制在4%以內(nèi)。
[0018] 作為本發(fā)明的進一步改進，步驟（4)中所述選取優(yōu)化參數(shù)包括進氣歧管長度、進 氣歧管容腔容積、進氣總管直徑、進氣凸輪持續(xù)期系數(shù)、進氣凸輪升程系數(shù)、排氣凸輪持續(xù) 期系數(shù)、排氣凸輪升程系數(shù)、CA50、進排氣相位角度。
[0019] 作為本發(fā)明的進一步改進，步驟（5)中所述優(yōu)化目標(biāo)包括充氣效率最大和油耗最 小。
[0020] 作為本發(fā)明的進一步改進，步驟（6)所述設(shè)計試驗并選擇優(yōu)化算法包括：Sobol序 列法、NSGAII遺傳算法。
[0021] 作為本發(fā)明的進一步改進，步驟（7)中所述仿真迭代過程包括多目標(biāo)優(yōu)化軟件根 據(jù)Sobol序列試驗設(shè)計方法所確定的優(yōu)化方案逐步進行迭代計算。
[0022] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供一種更加高效率的發(fā)動機性能優(yōu)化方法，本方 法基于計算機仿真分析，采用多目標(biāo)優(yōu)化算法與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了優(yōu)化過程的 自動化，大大節(jié)約了發(fā)動機開發(fā)后期的試驗成本和時間，極大提高了發(fā)動機的開發(fā)效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法的流程圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法的摩擦損失FMEP ;
[0025] 圖3是本發(fā)明一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法的進氣道流量系數(shù)；
[0026] 圖4是本發(fā)明一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法的排氣道流量系數(shù)；
[0027] 圖5是本發(fā)明一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法的優(yōu)化前后扭矩對比 圖。

【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】及【具體實施方式】對本發(fā)明進一步說明。
[0029] 如圖1所示，本發(fā)明所述的發(fā)動機性能優(yōu)化方法基于計算機仿真分析，采用多目 標(biāo)優(yōu)化算法與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了優(yōu)化過程的自動化。整體方案路線是：首先從發(fā) 動機試驗室和零部件設(shè)計部門獲得發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)、發(fā)動機整機和零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)、進排 氣歧管以及進排氣道數(shù)模，運用發(fā)動機一維仿真軟件自帶的工具把三維數(shù)模離散成一維仿 真模型，搭建完整的發(fā)動機仿真模型，然后對模型進行校核，以滿足與試驗數(shù)據(jù)誤差在4% 以內(nèi)。最后校核完成的模型與多目標(biāo)軟件一起進行耦合仿真，把需要優(yōu)化的參數(shù)設(shè)為變量， 并根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置變量的取值范圍，然后進行發(fā)動機性能的優(yōu)化計算，對計算出來的結(jié)果進 行全面的分析，借助多目標(biāo)優(yōu)化軟件的各種分析工具，找出各個參數(shù)最佳的取值，最后把通 過評審的計算結(jié)果反饋給設(shè)計部門，進行發(fā)動機零部件的設(shè)計與制造，這樣在發(fā)動機開發(fā) 前期即確定了最佳的進氣歧管長度、歧管容積、進氣總管直徑、進排氣凸輪持續(xù)期、進排氣 凸輪升程，大大節(jié)約了發(fā)動機開發(fā)后期的試驗成本和時間，極大提高了發(fā)動機的開發(fā)效率。
[0030] 如圖1所示，本發(fā)明一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法的具體技術(shù)方案 如下：包括以下步驟：
[0031] (1)收集發(fā)動機參數(shù)和發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)；
[0032] (2)建立發(fā)動機一維性能仿真模型；
[0033] (3)標(biāo)定一維性能仿真模型；
[0034] (4)選取優(yōu)化參數(shù)與范圍的設(shè)定；
[0035] (5)設(shè)定優(yōu)化參數(shù)和優(yōu)化目標(biāo)；
[0036] (6)設(shè)計試驗并選擇優(yōu)化算法；
[0037] (7)進行仿真迭代；
[0038] (8)使用響應(yīng)面RSM決策工具進行結(jié)果分析，找出各個參數(shù)的最佳取值。因為基于 計算結(jié)果利用近似逼近技術(shù)、擬合輸出空間、用擬合函數(shù)進行優(yōu)化的響應(yīng)面方法（RSM)可 以進行高速優(yōu)化，所以對于需要大量計算時間的優(yōu)化過程來說，可以大大縮短優(yōu)化的時間。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBF)，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)點包括很強的逼近復(fù)雜非線性函數(shù)的能力，無須數(shù) 學(xué)假設(shè)，具有黑箱的特點，學(xué)習(xí)速度快，具有極好的泛化能力，較強的容錯功能。
[0039] 步驟（1)中所述發(fā)動機參數(shù)包括發(fā)動機氣缸結(jié)構(gòu)參數(shù)、進排氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)、進排 氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)等，其中，所述發(fā)動機進氣歧管參數(shù)、進氣道參數(shù)、排氣歧管參數(shù)、排氣道結(jié) 果參數(shù)是根據(jù)三維數(shù)模運用GEM3D工具離散得來，保證了計算模型的精度。
[0040] 步驟（1)中所述發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)包括功率、扭矩、油耗、充氣效率、摩擦功、缸壓、 點火角、空燃比，其中，由于摩擦功里包括了泵氣損失，需要減掉泵氣損失后再使用。
[0041] 如圖2所示，摩擦損失FMEP主要獲得方法有以下幾種：
[0042] 1、使用軟件進行預(yù)估。如某軟件的摩擦功預(yù)測模塊，輸入發(fā)動機的相關(guān)參數(shù)，就可 以計算出各種摩擦模型的數(shù)據(jù)，根據(jù)發(fā)動機的實際情況進行選擇，一般選擇Chen&Flynn模 型數(shù)據(jù)。在前期沒有實體發(fā)動機的情況下，我們一般采用此方法進行摩擦功的預(yù)估，如圖2。
[0043] 2、運用燃燒分析儀。用測得的總功減去泵氣功得到凈功率，然后再用凈 功率減掉指示功就得到我們所需要的機械摩擦功了，用表達式可以表示為：FMEP = (IMEPH-IMEPL)-BMEP〇
[0044] 3、倒拖法。倒拖法測量的倒拖功包含有泵氣損失，并且隨著壓縮比的上升，其誤 差會增大，因此適用于壓縮比不高的汽油機。在Boost模型中，可以設(shè)置倒拖模式，計算出 各個轉(zhuǎn)速下的泵氣損失，將實測得到的倒拖功減去泵氣損失，即為摩擦損失，如圖3、圖4所 /_J、1 〇
[0045] 其中步驟（2)為：在發(fā)動機一維仿真軟件平臺上，根據(jù)發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)進行模型 搭建，進氣道、排氣道、進氣歧管、排氣歧管采用離散得來的一維模型，把模型搭建完整，試 驗無法獲取的數(shù)據(jù)需要根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整。
[0046] 燃燒模型，采用VIBE燃燒模型，VIBE燃燒模型的三個燃燒參數(shù)，起始角、持續(xù)期、 形狀因子，各自對燃燒放熱規(guī)律有不同的影響。通過燃燒分析儀測量缸壓曲線，再利用 BOOST程序中BURN功能，計算出放熱率曲線，將計算得到的這條放熱率曲線做為輸入值可 以進行燃燒規(guī)律的定義。傳熱模型，本計算模型采用W 〇schnil978傳熱模型。對于循環(huán)模 擬計算，工質(zhì)與氣缸內(nèi)壁之間的換熱過程不僅影響氣缸內(nèi)部過程的進行，而且也影響受熱 零件的熱負(fù)荷和散熱冷卻介質(zhì)的熱量，為此必須研究燃?xì)鈧?cè)的換熱系數(shù)及內(nèi)表面溫度。對 于傳熱系數(shù)的計算，采用式：
[0047]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法，其特征在于：包括以下步驟： (1) 收集發(fā)動機參數(shù)和發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)； (2) 建立發(fā)動機一維性能仿真模型； (3) 標(biāo)定一維性能仿真模型； (4) 選取優(yōu)化參數(shù)與范圍的設(shè)定； (5) 設(shè)定優(yōu)化參數(shù)和優(yōu)化目標(biāo)； (6) 設(shè)計試驗并選擇優(yōu)化算法； (7) 進行仿真迭代； (8) 使用響應(yīng)面RSM決策工具進行結(jié)果分析。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法，其特征在于：步驟 (1)中所述發(fā)動機參數(shù)包括發(fā)動機氣缸結(jié)構(gòu)參數(shù)、進排氣道結(jié)構(gòu)參數(shù)、進排氣歧管結(jié)構(gòu)參 數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法，其特征在于：所述 發(fā)動機進氣歧管參數(shù)、進氣道參數(shù)、排氣歧管參數(shù)、排氣道結(jié)果參數(shù)是根據(jù)三維數(shù)模運用 GEM3D工具離散得來。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法，其特征在于：步驟 (1)中所述發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)包括功率、扭矩、油耗、充氣效率、摩擦功、缸壓、點火角、空燃比。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法，其特征在于：步驟 (3)包括建立多目標(biāo)優(yōu)化軟件與一維仿真軟件的耦合計算模型，由多目標(biāo)優(yōu)化軟件來驅(qū)動 一維仿真軟件運行，并讀取一維仿真軟件的計算結(jié)果。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法，其特征在于：步驟 (3) 包括對功率、扭矩、油耗、缸壓、充氣效率等參數(shù)的模擬值與試驗值誤差控制在4%以內(nèi)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法，其特征在于：步驟 (4) 中所述選取優(yōu)化參數(shù)包括進氣歧管長度、進氣歧管容腔容積、進氣總管直徑、進氣凸輪 持續(xù)期系數(shù)、進氣凸輪升程系數(shù)、排氣凸輪持續(xù)期系數(shù)、排氣凸輪升程系數(shù)、CA50、進排氣相 位角度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法，其特征在于：步驟 (5) 中所述優(yōu)化目標(biāo)包括充氣效率最大和油耗最小。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法，其特征在于：步驟 (6) 所述設(shè)計試驗并選擇優(yōu)化算法包括：S〇b〇l序列法、NSGAII遺傳算法。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多目標(biāo)優(yōu)化的發(fā)動機性能優(yōu)化方法，其特征在于：步驟 (7) 中所述仿真迭代過程包括多目標(biāo)優(yōu)化軟件根據(jù)Sobol序列試驗設(shè)計方法所確定的優(yōu)化 方案逐步進行迭代計算。
【文檔編號】G06F9/455GK104102781SQ201410344113
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】盧兆強, 黃忠文, 穆建華, 黃建忠, 張俊 申請人:上汽通用五菱汽車股份有限公司