低壓缸內直噴汽油機進氣動態(tài)特性建模仿真與實驗驗證*

王齊英　胡東寧　劉　娜（天津大學內燃機研究所天津300072）

低壓缸內直噴汽油機進氣動態(tài)特性建模仿真與實驗驗證*

王齊英胡東寧劉娜
（天津大學內燃機研究所天津300072）

根據(jù)直噴汽油機的實際工作過程，通過質量守恒方程、理想氣體狀態(tài)方程和速度-密度方程，運用平均值建模方法建立了電控燃油噴射汽油機進氣管內空氣動態(tài)特性模型，并且通過穩(wěn)態(tài)試驗數(shù)據(jù)確定了模型待定參數(shù)。然后用Matlab/Simulink對模型做模擬仿真。最后分別在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下將仿真結果與臺架試驗結果進行對比，分析模型能否滿足控制過程的實時性要求。臺架試驗和仿真結果的對比表明：該模型精度高，無論是在穩(wěn)態(tài)還是在瞬態(tài)工況下，都能很準確地預測進氣流量，可用到有關空燃比控制的設計中。

直噴汽油機進氣空氣動態(tài)特性進氣流量模擬仿真

引言

隨著汽車產量的迅速增長，車輛尾氣排放已成為我國大氣的主要污染源。將三元催化轉化技術應用于電噴汽油機中，能有效減輕機動車的排氣污染，滿足國家日益嚴格的排放法規(guī)要求。然而三元催化轉化器的凈化效果取決于汽油機的空燃比，只有當發(fā)動機的實際空燃比處于化學當量空燃比時，三元催化轉化器才具有較好的汽車尾氣催化轉化凈化率［1］。所以這就要求我們要對發(fā)動機的空燃比進行精確控制。

在空燃比的精確控制中，每循環(huán)吸入氣缸空氣量的精確檢測是整個空燃比精確控制的前提。但是，傳統(tǒng)的基于進氣壓力或流量傳感器的進氣流量測量方式因進氣管內泵氣脈動、充排氣效應及氣體回流等復雜因素的影響，存在很大的局限性，使得測量精度有限。由于存在間歇性進氣過程造成的泵氣脈動效應，即使汽油機在穩(wěn)態(tài)工況下，進氣壓力和流量也存在周期性脈動。另外，在傳統(tǒng)汽油機節(jié)氣門與進氣口之間有一個較大穩(wěn)壓腔。穩(wěn)態(tài)工況下，由于穩(wěn)壓腔內氣體處于平衡狀態(tài)，節(jié)氣門處空氣流量與實際進氣口處空氣流量相等。但是在節(jié)氣門急開急閉的瞬態(tài)工況下，穩(wěn)壓腔將會有一個充排氣過程，所以采用傳統(tǒng)節(jié)氣門處空氣流量作為進氣口空氣流量這種近似的進氣流量檢測方式會導致較大的偏差。汽油機進氣管內的復雜空氣動態(tài)特性給進氣口空氣流量的精確測量帶來了困難［2］。此外，傳統(tǒng)的電控汽油噴射空燃比控制通過查取MAP圖進行。但是由于汽油機工作過程存在隨機性，加上制造過程的偏差使控制精度存在離散性較大的問題。而且MAP圖制取的過程也相當煩瑣，工作量很大［3］。為了能夠在現(xiàn)有傳感器技術條件下對進氣口空氣流量進行精確測量，可以對進氣管內空氣動態(tài)特性運用建模分析。

從20世紀末開始，基于發(fā)動機模型的控制方法就已經被人提出。在空燃比的控制模型中，發(fā)動機平均值模型使用較為廣泛。發(fā)動機均值模型簡單，應用廣泛，容易在單片機上實現(xiàn)，且占用的單片機資源少，特別適合做發(fā)動機控制器設計和計算機仿真均值模型［4］。進氣管空氣動態(tài)模型是發(fā)動機均值模型的組成部分。本文針對低壓缸內直噴汽油機，根據(jù)其實際工作過程，通過質量守恒方程、理想氣體狀態(tài)方程和速度-密度方程，運用平均值建模方法建立了低壓直噴單缸汽油機進氣管內空氣動態(tài)特性模型，并且通過穩(wěn)態(tài)試驗數(shù)據(jù)確定了模型待定參數(shù)，用Matlab/ Simulink進行仿真，最后用臺架試驗進行驗證。

1　進氣管空氣動態(tài)特性建模［5-6］

取節(jié)氣門至發(fā)動機進氣門的這一段為控制體中，在這個控制體中，由理想氣體狀態(tài)方程，并運用集中參數(shù)法得到如下狀態(tài)方程：

通過式（1）和（2）化簡可得：

流經節(jié)氣門的空氣流量mat可以表示成節(jié)氣門開度和進氣管壓力Pi的函數(shù)，mat=mat（α，Pi），流經進氣口處的空氣流量可以表示為汽油機轉速和進氣管壓力的函數(shù)map=map（n，Pi）

節(jié)氣門處的空氣流動用一維可壓縮流體噴管模型進行描述后得到：

其中，mat1和mat0為待定系數(shù)。mat0與汽油機怠速時的冷卻水溫、轉速等參數(shù)有關。mat1與大氣溫度和壓力、節(jié)氣門直徑等參數(shù)有關。mat與β1（α）β2（Pi）的線性關系將會在臺架試驗中進行驗證。

公式中β1（α）和β2（Pi）表達式如下：

對進氣口處的空氣流量，由速度-密度法得：

在這里，本文假設ηv與Pi的乘積與pi成線性關系，這個線性關系已經被Hendricks E等人驗證，其表達式為：

式中，認為si和yi不隨發(fā)動機工況改變而改變。

由式（7）、（8）得

上述各式中，Vd是發(fā)動機排量，L；n是發(fā)動機轉速，r/min；ηv是充量系數(shù)；Ra是氣體常數(shù)，J/（kg·K）；mat表示節(jié)氣門處空氣質量流量，g/s；map表示進氣口處空氣質量流量，g/s；β（α）表示節(jié)氣門開度影響因子；β（Pi）表示進氣壓力影響因子；si（n）、yi（n）是擬合常數(shù)；α0是節(jié)氣門完全關閉時節(jié)氣門與垂直于進氣管方向的夾角；k是比熱比，取1.4；k′表示2k/（k-1）；Pr表示進氣管內壓力與大氣壓之比，Pi/Pamb。

式（3）、（4）、（9）構成了進氣管的空氣動態(tài)模型。節(jié)氣門開度α和發(fā)動機轉速n作為模型的輸入量。在模型中，由于空濾器的節(jié)流作用很小，所以認為節(jié)氣門上游的空氣壓力和溫度與大氣壓力溫度近似相等。

2　模型仿真與實驗

2.1模型建立［7］

本文研究對象為一款低壓缸內直噴單缸試驗機，發(fā)動機參數(shù)如表1所示。

表1　發(fā)動機主要參數(shù)

用Matlab/Simulink建立如圖1所示的進氣管空氣動態(tài)模型。節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉速作為模型的輸入量，在不同的節(jié)氣門開度和轉速下，得到節(jié)氣門處空氣質量流量mat。

模型中Vd為0.296 L，Vi為0.3 L，Ti為305 K，Ra為287 J/（kg·K），琢0為2°，Pamb取101 kPa，K為1.4，si、yi分別取0.942、0.063。

圖1　進氣管空氣動態(tài)模型

2.2臺架試驗

實驗首先對mat與茁1（琢）茁2（Pi）的線性關系進行驗證。然后分別采集穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下采集Pi、mat值。實驗中，控制空燃比始終為1，采集噴油脈寬，利用噴油器流量特性和空燃比為1，mat即可通過計算獲得，Pi由進氣壓力傳感器測得。

3　實驗及仿真結果分析

3.1mat與β1（α）β2（Pi）線性關系的驗證

在發(fā)動機轉速1 000 r/min和1 500 r/min下，做出mat與茁的關系曲線，如圖2所示（茁=茁1（琢）茁2（Pi））。

圖2　mat與茁的關系曲線

從圖中可以看出，1 000 r/min時，與茁的線性關系不如1 500 r/min時明顯，這是因為此時發(fā)動機工作轉速低，接近怠速轉速，發(fā)動機工作不穩(wěn)定，本文在這里仍按線性關系處理。用最小二乘法擬合得到，1 000 r/min時，mat=22.263 14茁+2.425 37；1 500 r/min時，mat=57.914 47茁+2.929 7。

3.2實驗與仿真結果的對比

如圖3所示，分別是1 000 r/min和1 500 r/min時節(jié)氣門處進氣空氣流量的實驗值與仿真值的對比圖。從圖中可以看出，模型精度很高，實驗值與模擬值吻合程度高，除了在節(jié)氣門開度較小時兩者的誤差稍大之外，其余點的誤差均在5%以內。

圖3　節(jié)氣門處進氣空氣流量的實驗值與仿真值的對比圖

3.3誤差分析

從對比結果及誤差計算可以看出，模型精度很高，但是也有少數(shù)點誤差較大。經過分析，誤差較大的原因主要有以下幾點：

1）節(jié)氣門開度較小時，進氣管內壓力低，容易出現(xiàn)回流的情況，所以在節(jié)氣門開度較小時進氣壓力的實驗值與模擬值相差較大。

2）在仿真過程中，認為進氣管內溫度是不變的，但實際上進氣過程中溫度并不恒定，這樣進行簡化也會帶來一定誤差。

3）在模擬過程中，認為與β呈線性關系，并在建模過程中使用擬合方程，這樣將非線性關系近似轉化為線性關系會產生誤差。

4）在建立方程過程中，將節(jié)氣門處的空氣流動看作是一維可壓縮流體噴管模型，對流經節(jié)氣門后的空氣處理不夠精確會產生一定誤差。

5）通過控制空燃比為1來計算空氣流量時，空燃比不是嚴格為1，而是在1附近波動，這樣會使進氣量計算有一定偏差。此外，對比1 000 r/min和1 500 r/min的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)轉速較低的一組波動較大，這是因為此時發(fā)動機轉速較低，運行不平穩(wěn)。

4　結論

本文根據(jù)質量守恒方程、理想氣體狀態(tài)方程和速度-密度方程，運用平均值建模方法建立了電控燃油噴射汽油機進氣管內空氣動態(tài)特性模型，并且通過穩(wěn)態(tài)試驗數(shù)據(jù)確定了模型的待定參數(shù)，并進行臺架試驗來驗證模型的精度。實驗結果表明，測量值和仿真值的誤差不超過5%，說明該模型具有很高的精度。該模型應用度高，可以廣泛地用到發(fā)動機控制中，也可以為發(fā)動機空燃比控制策略的設計提供仿真基礎。本文沒有考慮進氣過程中的換熱問題，在接下的研究中可以把換熱問題考慮進來。

1龔金科.汽車排放及控制技術［M］.北京：人民交通出版社，2007

2Hendricks，E.，Vesterholm T.The Analysis of Mean Value SI Engine Models［C］.SAE Paper 920682

3李頂根，舒詠強，李小中.基于改進均值模型的汽油機瞬態(tài)空燃比控制研究［J］.車用發(fā)動機，2010（1）：20-23，27

4劉巨江，林思聰，吳堅，等.基于進氣歧管壓力的進氣模型研究［J］.車用發(fā)動機，2011（3）：29-31，36

5Hendricks，E.，Sorenson，S.C．Mean value modeling of spark ignition engines［C］.SAE Paper 900616

6Hendricks，E.，Allan Chevalier，Michael Jensen，et al．Modeling of the intake manifold filling dynamics［C］.SAE Paper 960037

7吳鋒，胡金龍，鄒博文.電噴汽油機進氣管空氣動態(tài)模型的仿真與試驗研究［J］.內燃機工程，2006（3）：25-28

Simulation and Experimental Study of Intake Filling Dynamic Characteristic for a Low Pressure Direct Injection Gasoline Engine

Wang Qiying，Hu Dongning，Liu Na
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University（Tianjin，300072，China）

According to the actual working process of an EFI gasoline engine，a manifold filling dynamic model was constructed by the mass and energy conservation equation，the ideal gas law and the speeddensity equation.The model parameters to be determined were identified after the steady test data gotten. Then the model was simulated with MATLAB/Simulink.Finally，the paper compares the simulation results with the bench test results.The comparison showed that two assumptions used in simplification were right and the model had a high accuracy.Both in steady conditions or transient conditions，the model can predict the intake flow correctly.The model can be used in the design of air-fuel ratio control.

GDI engine，Intake filling dynamic characteristic，Intake air mass flow rate，Simulation

TK411+.24

A

2095-8234（2015）04-0045-04

2015-03-25）

天津市科委科技支撐計劃項目（12ZCZDGX03800）。

王齊英（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向為內燃機電控技術。