混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)建模理論分析

戴保紳 劉悅聞 楊沖

【摘 要】文章首先介紹了混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的萬有特性，以此為背景引出發(fā)動(dòng)機(jī)建模的理論方法。其次重點(diǎn)介紹常用的幾種建模方法，深入分析公式理論，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用期間需要優(yōu)化的部分做出總結(jié)。對(duì)比分析各項(xiàng)建模理論方法后提出相互融合的設(shè)計(jì)理念，為混合動(dòng)力汽車行業(yè)發(fā)展打下基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】混合動(dòng)力；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；建模理論

一、混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行使用期間的速錄特性只是反映兩者參數(shù)之間的比較變化，但發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是比較復(fù)雜的過程，需要更全面的參數(shù)模型體系來反映這種變化特性。萬有特性能夠在同一坐標(biāo)中反映出多項(xiàng)參數(shù)，例如發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩等。將其作為發(fā)動(dòng)機(jī)建模的理論基礎(chǔ)，技術(shù)人員可以更直觀的了解發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)變化情況。特性的表述是基于橫縱坐標(biāo)軸來進(jìn)行的，發(fā)動(dòng)機(jī)是以燃油為原料來運(yùn)行使用的，功率即表示燃油轉(zhuǎn)換成動(dòng)能的情況，掌握這些基本的參數(shù)才能夠?qū)＠碚撨M(jìn)行更深入的研究。在現(xiàn)有的建模方法中，都離不開萬有特性的應(yīng)用，這也是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化的理論性基礎(chǔ)。

二、混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)建模理論方法

（一）汽油機(jī)模型

建模前要明確汽油機(jī)的運(yùn)行原理，是通過燃燒汽油，形成內(nèi)能與動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換。通過改變轉(zhuǎn)速來完成對(duì)能量轉(zhuǎn)換的調(diào)節(jié)，建模過程中需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的不同轉(zhuǎn)速情況。首先是全負(fù)載情況，先對(duì)節(jié)氣門張開程度與運(yùn)轉(zhuǎn)速度之間存在的公式關(guān)系進(jìn)行確定，可以表示為公式：

Te=f（α，n）

在該公式中，Te可以理解為汽油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的扭矩，是發(fā)動(dòng)機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下發(fā)生的扭轉(zhuǎn)變形，對(duì)原件本身并不會(huì)造成損壞影響，形變已經(jīng)出現(xiàn)，在接下來的建模理論分析時(shí)則要將其引入其中。n在公式中仍然是代表速度，反映汽油機(jī)使用期間的輸出速度，單位時(shí)間為分鐘，統(tǒng)計(jì)單位分鐘內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)，除以時(shí)間，所得到的結(jié)果便是最終的傳輸速度。α在其中表示的為節(jié)氣門張開的角度，總結(jié)建模經(jīng)驗(yàn)與理論基礎(chǔ)可以了解到，角度與速度之間是相互影響的，建模也是要在角度不為零的情況下進(jìn)行的，這樣在坐標(biāo)軸中才能夠呈現(xiàn)出曲線。其次是部分符合速度。建模的理論公式與上述情況相同，需要注意的是在節(jié)氣口角度的變化范圍，這兩種不同形式在角度限制范圍上是存在差異的。

建模理論分析時(shí)，通過改變開啟角來實(shí)現(xiàn)對(duì)坐標(biāo)參數(shù)的改變，函數(shù)峰值在此過程中也是變化的，在公式運(yùn)算結(jié)果范圍內(nèi)。為避免角度數(shù)值變化時(shí)出現(xiàn)記憶混亂，可以使用α1，α2的方式記錄。建模的目的并不只是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行提升，更重要的是在使用階段能夠提升汽油的利用率，減少汽油機(jī)使用的能源損耗量。轉(zhuǎn)化率提升后，混合動(dòng)力汽車行駛時(shí)能夠更好的將能源轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，對(duì)環(huán)境污染也因此而減輕。

（二）柴油機(jī)模型

不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)在模型建立上的理論基礎(chǔ)相似，由于柴油與汽油相比較在純度上會(huì)有不同，因此燃燒階段的轉(zhuǎn)換效率也存在差異。其中的建模理論公式為Me=f（Ge，n）。Me所表示的內(nèi)容與汽油機(jī)中的Te相同，均為扭矩，也可以稱之為是轉(zhuǎn)矩。Ge的含義是運(yùn)轉(zhuǎn)過程中每小時(shí)的耗油量。柴油通過噴射進(jìn)入到高溫部分，火花塞打火后將高壓狀態(tài)下噴射出的柴油引燃，釋放出能量。因此在建模期間，還需要有噴射量、溫度、壓力以及運(yùn)轉(zhuǎn)角度的分析，都要準(zhǔn)確的記錄在坐標(biāo)軸內(nèi)，這些參數(shù)可以作為模型建立的有效方法，加強(qiáng)各系統(tǒng)之間的模型優(yōu)化，柴油轉(zhuǎn)化成為能量的這一過程中損耗也會(huì)更小。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間的震動(dòng)比較大，要考慮這種外界影響因素，確保能夠高效完成建模任務(wù)。

（三）發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性與排放性能的綜合模型

第三種建模理念要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用性能，在運(yùn)行使用期間發(fā)現(xiàn)不合理因素可以作為模型建立重點(diǎn)優(yōu)化的內(nèi)容。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行階段的排放量與燃料轉(zhuǎn)化率有很大關(guān)系，燃燒不完全時(shí)所產(chǎn)生的尾氣會(huì)地環(huán)境造成污染，也增大了混合動(dòng)力汽車運(yùn)行使用的能源損耗量，影響成本控制。將燃油使用量與排放量分別以不同的未知數(shù)表示，確定其中的變化關(guān)系，這樣更方便將其顯示在坐標(biāo)中。燃油在不充分燃燒的情況下會(huì)轉(zhuǎn)化成碳物質(zhì)隨著尾氣排放出來，是造成霧霾污染的主要原因，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)換功率上能夠達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，是基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念之上做出的創(chuàng)新整改。經(jīng)濟(jì)模型中，要將不同運(yùn)行原理的發(fā)動(dòng)機(jī)做出對(duì)比，根據(jù)汽車行駛期間對(duì)動(dòng)能的需求來運(yùn)算需求的轉(zhuǎn)速，再通過角度轉(zhuǎn)換等多種優(yōu)化技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，并科學(xué)的評(píng)價(jià)綜合性能。

（四）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模方法

該種建模方法是基于函數(shù)公式理論基礎(chǔ)上，借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來快速完成模型的建立。通過計(jì)算機(jī)軟件來開展模型建立效率更高，并且能夠?qū)崿F(xiàn)隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的更改，模型也能夠根據(jù)更改的參數(shù)做出相應(yīng)的變化。技術(shù)人員還可以通過程序軟件的模擬對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行使用期間的合理性進(jìn)行評(píng)估，判斷是否處于最科學(xué)的運(yùn)轉(zhuǎn)形式。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)影響因素的分析更精準(zhǔn)，能夠達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)常見的燃油燃燒不充分現(xiàn)象，通過這種方法可以得到解決。

三、不同建模理論的比較綜合

上述建模方法在混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行速率分析階段常常使用到，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造工藝都在不斷地發(fā)展進(jìn)步，建模理論分析時(shí)并不能只局限于一種技術(shù)手段，要注重將多種技能的相互融合，更高效的完成模型優(yōu)化任務(wù)。理論中涉及到大量的熱力學(xué)知識(shí)，因此對(duì)設(shè)計(jì)人員自身技能要求也十分高，模型建立期間不能只局限于發(fā)動(dòng)機(jī)自設(shè)運(yùn)行原理，更重要的是對(duì)力學(xué)知識(shí)的拓展?？紤]汽車行業(yè)發(fā)展的前景，以及技術(shù)方面的需求，這樣所開展的工作才更具有實(shí)際意義。

結(jié)語：

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的理論建模十分復(fù)雜，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值建模成為一種既簡(jiǎn)單又實(shí)用的方法。本文分析的混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)建模方法都已經(jīng)在實(shí)際中得到成功應(yīng)用。傳統(tǒng)的數(shù)值建模方法需要一系列的方程組成方程組，精度較高，但求解過程復(fù)雜，建立發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性與排放特性的綜合數(shù)值模型，進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與運(yùn)行工況，簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略，仍需作進(jìn)一步的研究。

【參考文獻(xiàn)】

[1]郭秀紅，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)建模與MATLAB仿真[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013（07）.

[2]尹安東，許靖，二次調(diào)節(jié)技術(shù)的扒渣車動(dòng)力參數(shù)匹配與優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2015（12）.

[3]劉昕暉，陳晉市，AMESim仿真技術(shù)在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析中的應(yīng)用[J].液壓與氣動(dòng)，2015（11）.