一种点燃式二冲程发动机扫气优化方法与流程

1.本发明属于燃气发动机技术领域，尤其涉及一种点燃式二冲程发动机扫气优化方法。


背景技术：

2.冲程发动机具有结构简单、质量轻、升功率高、成本低廉等优点，因此在军用无人机领域得到广泛应用。但由于其换气时问短、扫气过程短路、碳氢排放较高等，二冲程发动机动力性及经济性难以的得到满足。研究结果表明，二冲程发动机的性能受配气效果影响极大。
3.目前通过发动机一维仿真模型可获得气口尺寸及进排气相位对发动机换气效果的影响规律，但仿真模型难以获得最佳扫气效率的气口尺寸和相位的设计参量，此外，当计算多种设计参量组合时，通过一维仿真模型进行扫气效率计算周期较长，难以直接指导同类型发动机扫气开发，因此需要提出一种准确、快速的二冲程扫气优化方法，提高发动机整机性能。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种点燃式二冲程发动机扫气优化方法,以解决目前二冲程发动机难以准确高效的进行最佳扫气效率方案设计的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明的点燃式二冲程发动机扫气优化方法的具体技术方案如下：
6.一种点燃式二冲程发动机扫气优化方法，包括以下步骤：
7.s1、一维仿真模型的建立及验证：建立点燃式二冲程发动机的一维性能仿真模型，并通过缸压结果验证仿真模型的准确性；
8.s2、配气方案设计：基于最优拉丁超立方进行抽样设计，获得不同配气方案下的发动机扫气口宽度、排气口宽度、扫气口开启时刻、排气口开启时刻的设计参数组合；
9.s3、发动机性能指标计算：以s2不同配气方案下的设计参数为输入，基于s1构建的一维仿真模型，计算不同配气方案下的发动机扫气效率；
10.s4、配气设计参数与扫气效率回归模型构建：以s2不同配气方案下的设计参数为输入，以s3获得的相应配气方案下发动机扫气效率为输出，基于支持向量机(svm)构建配气方案设计参数与扫气效率的回归模型，并通过预测结果的mse和复相关系数r2结果进行精度检验：
11.[0012][0013]
其中，n代表方案数目，yi代表扫气效率仿真结果，代表扫气效率仿真结果的平均值，yi代表扫气效率预测结果；
[0014]
s5、基于psoga算法的最优扫气方案设计：以扫气口宽度、排气口宽度、扫气口开启时刻、排气口开启时刻为优化变量，以扫气效率为优化目标，采用psoga算法进行参数寻优，获得最佳扫气效率对应的配气方案。
[0015]
其中，s4中svm核函数采用高斯rbf核函数。
[0016]
其中，s4中svm模型计算如下：
[0017]
f(x)＝wφ(x)+b
ꢀꢀꢀ
(1)
[0018]
其中，其中w为超平面权系数向量，与高纬特征空间维数相等，φ(x)为低维向高纬特征空间的映射关系，b为偏移量；
[0019]
考虑允许拟合误差，引入惩罚因子c和松弛因子ξi,ξ
i*
，支持向量回归机求解可转化为优化问题，如式(2)所示:
[0020][0021]
通过拉格朗日乘子的引入，式(2)可转化为式(3)：
[0022][0023]
其中拉格朗日乘子αi、α
i*
、βi、β
i*
(i＝1,2,3...n)，根据极值条件可得：
[0024][0025]
将式(4)代入式(3)，可得到式(2)的对偶形式：
[0026]
[0027]
引入核函数k(x,xi)＝φ(x)
·
φ(xi)，将高纬空间内积计算转化为低纬空间函数求解，获得支持向量机回归模型：
[0028][0029]
进一步，该方法可应用于点燃式二冲程单缸柴油机中。
[0030]
其中，s1中建立的一维仿真模型分为4个模块，分别是进气模块、气缸模块、曲轴箱模块和排气模块。
[0031]
本发明的点燃式二冲程发动机扫气优化方法具有以下优点：
[0032]
(1)构建配气设计参数与扫气效率回归模型可以极大提升发动机性能指标的评估效率，同时，该回归模型可对同类型其它二冲程发动机性能进行预测；
[0033]
(2)可准确高效的进行最佳扫气效率的配气方案参数设计。
附图说明
[0034]
图1为本发明的扫气优化方法技术路线图；
[0035]
图2为点燃式二冲程发动机一维性能仿真模型；
[0036]
图3为缸压仿真与试验结果对比。
具体实施方式
[0037]
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种点燃式二冲程发动机扫气优化方法做进一步详细的描述。
[0038]
如图1所示，本实施例的点燃式二冲程发动机扫气优化方法以二冲程单缸柴油机为例，技术路线如图1所示，该方法可以快速进行不同配气方案评估，获得最佳的配气设计方案，可为同类型其它二冲程发动机扫气开发提供指导，具体步骤如下：
[0039]
步骤一、二冲程发动机一维仿真模型的建立及验证：建立了点燃式二冲程单缸柴油机的一维性能仿真模型，如图2所示。该模型分为4个模块，分别是进气模块、气缸模块、曲轴箱模块和排气模块。原机模型缸内压力的仿真值与试验值对比如图3所示，最大误差在5％以内，仿真模型具有很高的精确性。
[0040]
步骤二、配气方案设计：二冲程柴油机气口尺寸及正时对扫气系统效率与发动机性能具有显著的影响，以二冲程柴油机扫气口宽度、排气口宽度、扫气口开启时刻、排气口开启时刻为优化变量，基于最优拉丁超立方(optimal latin hypercube design，opt lhd)进行抽样设计，获得不同气口尺寸和气口正时的参数组合。
[0041]
步骤三、发动机性能指标计算：以步骤二中不同的气口尺寸和气口正时的参数为输入，基于步骤一构建的发动机一维仿真模型，计算不同设计方案下的发动机性能指标(扫气效率、扭矩、油耗量)，为步骤四回归模型的构建提供条件。
[0042]
步骤四、配气设计参数与扫气效率回归模型构建：以步骤(2)获得的不同扫气口宽度、排气口宽度、扫气口开启时刻、排气口开启时刻为输入，以步骤(3)获得的发动机扫气效率为输出，基于支持向量机(support vector machine,svm)构建配气设计参数与扫气效率的回归模型，svm模型计算如下：
[0043]
f(x)＝wφ(x)+b
ꢀꢀꢀ
(1)
[0044]
其中，其中w为超平面权系数向量，与高纬特征空间维数相等，φ(x)为低维向高纬特征空间的映射关系，b为偏移量。
[0045]
考虑允许拟合误差，引入惩罚因子c和松弛因子ξi,ξ
i*
，支持向量回归机求解可转化为优化问题，如式(2)所示:
[0046][0047]
通过拉格朗日乘子的引入，式(2)可转化为式(3)：
[0048][0049]
其中拉格朗日乘子αi、α
i*
、βi、β
i*
(i＝1,2,3...n)，根据极值条件可得：
[0050][0051]
将式(4)代入式(3)，可得到式(2)的对偶形式：
[0052][0053]
引入核函数k(x,xi)＝φ(x)
·
φ(xi)，将高纬空间内积计算转化为低纬空间函数求解，获得支持向量机回归模型：
[0054][0055]
目前svm常用来进行映射分析的核函数主要包括四种，结果发现高斯rbf核函数拟合精度最高，本研究采用高斯rbf核函数进行回归分析。最后通过预测结果的mse和复相关系数r2(squared correlation coefficient)结果进行精度检验。
[0056][0057]
[0058]
其中，n代表方案数目，yi代表扫气效率仿真结果，代表扫气效率仿真结果的平均值，代表扫气效率预测结果。
[0059]
步骤五、基于psoga算法的最优扫气方案设计：以扫气口宽度、排气口宽度、扫气口开启时刻、排气口开启时刻为优化变量，以扫气效率为优化目标，采用粒子群遗传算法(psoga)进行参数寻优，获得最佳扫气效率对应的扫气口宽度、排气口宽度、扫气口开启时刻、排气口开启时刻结果。
[0060]
本实施例的二冲程单缸柴油机优化结果显示，扫气口宽度比为1.0，排气口宽度比为0.8，扫气口正时为123
°ꢀ
ca，排气口正时为89
°ꢀ
ca时发动机扫气效率达到最优。
[0061]
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0062]
(1)构建配气设计参数与扫气效率回归模型可以极大提升发动机性能指标的评估效率，同时，该回归模型可对同类型其它二冲程发动机性能进行预测；
[0063]
(2)本专利提出的方法可准确高效的进行最佳扫气效率的配气方案参数设计。
[0064]
虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种点燃式二冲程发动机扫气优化方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、一维仿真模型的建立及验证：建立点燃式二冲程发动机的一维性能仿真模型，并通过缸压结果验证仿真模型的准确性；s2、配气方案设计：基于最优拉丁超立方进行抽样设计，获得不同配气方案下的发动机扫气口宽度、排气口宽度、扫气口开启时刻、排气口开启时刻的设计参数组合；s3、发动机性能指标计算：以s2不同配气方案下的设计参数为输入，基于s1构建的一维仿真模型，计算不同配气方案下的发动机扫气效率；s4、配气设计参数与扫气效率回归模型构建：以s2不同配气方案下的设计参数为输入，以s3获得的相应配气方案下发动机扫气效率为输出，基于支持向量机(svm)构建配气方案设计参数与扫气效率的回归模型，并通过预测结果的mse和复相关系数r2结果进行精度检验：验：其中，n代表方案数目，yi代表扫气效率仿真结果，代表扫气效率仿真结果的平均值，y
i
代表扫气效率预测结果；s5、基于psoga算法的最优扫气方案设计：以扫气口宽度、排气口宽度、扫气口开启时刻、排气口开启时刻为优化变量，以扫气效率为优化目标，采用psoga算法进行参数寻优，获得最佳扫气效率对应的配气方案。2.根据权利要求1所述的点燃式二冲程发动机扫气优化方法，其特征在于，s4中svm核函数采用高斯rbf核函数。3.根据权利要求2所述的点燃式二冲程发动机扫气优化方法，其特征在于，s4中svm模型计算如下：f(x)＝wφ(x)+b
ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，其中w为超平面权系数向量，与高纬特征空间维数相等，φ(x)为低维向高纬特征空间的映射关系，b为偏移量；考虑允许拟合误差，引入惩罚因子c和松弛因子ξ
i
,ξ
i*
，支持向量回归机求解可转化为优化问题，如式(2)所示:s.t.y
i-wx
i-b
·
ε+ξ
ii
通过拉格朗日乘子的引入，式(2)可转化为式(3)：
其中拉格朗日乘子α
i
、α
i*
、β
i
、β
i*
(i＝1,2,3...n)，根据极值条件可得：(i＝1,2,3...n)，根据极值条件可得：(i＝1,2,3...n)，根据极值条件可得：(i＝1,2,3...n)，根据极值条件可得：将式(4)代入式(3)，可得到式(2)的对偶形式：将式(4)代入式(3)，可得到式(2)的对偶形式：将式(4)代入式(3)，可得到式(2)的对偶形式：引入核函数k(x,x
i
)＝φ(x)
·
φ(x
i
)，将高纬空间内积计算转化为低纬空间函数求解，获得支持向量机回归模型：4.根据权利要求3所述的点燃式二冲程发动机扫气优化方法，其特征在于，该方法可应用于点燃式二冲程单缸柴油机中。5.根据权利要求4所述的点燃式二冲程发动机扫气优化方法，其特征在于，s1中建立的一维仿真模型分为4个模块，分别是进气模块、气缸模块、曲轴箱模块和排气模块。

技术总结
本发明属于燃气发动机技术领域，公开了一种点燃式二冲程发动机扫气优化方法包括以下步骤：S1、一维仿真模型的建立及验证；S2、配气方案设计；S3、发动机性能指标计算；S4、配气设计参数与扫气效率回归模型构建；S5、基于PSOGA算法的最优扫气方案设计。本发明构建配气设计参数与扫气效率回归模型可以极大提升发动机性能指标的评估效率，同时，该回归模型可对同类型其它二冲程发动机性能进行预测；可准确高效的进行最佳扫气效率的配气方案参数设计。效的进行最佳扫气效率的配气方案参数设计。效的进行最佳扫气效率的配气方案参数设计。


技术研发人员：孙婷婷 周启迪 高健 朱鸿儒 张洁 张笑颜 韩月桐 王尚学
受保护的技术使用者：中国北方发动机研究所
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/9/14