面向HIL應(yīng)用的大功率柴油機(jī)半物理建模方法

孟長(zhǎng)江,賈利,范燕朝,申曉彥,董新宇,呂慧,王海燕，仇會(huì)彬，劉國(guó)浩，任路

(1.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400；2.北京經(jīng)緯恒潤(rùn)科技有限公司，北京 100191； 3.西安軍事代表局駐天水地區(qū)軍事代表室，甘肅 天水 741000)

面向HIL應(yīng)用的大功率柴油機(jī)半物理建模方法

孟長(zhǎng)江1,賈利1,范燕朝1,申曉彥1,董新宇1,呂慧1,王海燕2，仇會(huì)彬2，劉國(guó)浩3，任路1

(1.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)，天津 300400；2.北京經(jīng)緯恒潤(rùn)科技有限公司，北京 100191； 3.西安軍事代表局駐天水地區(qū)軍事代表室，甘肅 天水 741000)

為實(shí)現(xiàn)控制器硬件在環(huán)(Hardware-in-the-loop,HIL)測(cè)試，根據(jù)半物理建模方法，基于Matlab/Simulink建立了大功率高壓共軌柴油機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型。介紹了柴油機(jī)關(guān)鍵部件的建模原理，并進(jìn)行了起動(dòng)、怠速工況和測(cè)功機(jī)工況下的仿真試驗(yàn)，通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差小于6%，表明所建柴油機(jī)模型能夠完成控制器控制功能的驗(yàn)證，可以應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的前期開發(fā)和控制器的HIL測(cè)試，模型具有較高的可靠性和通用性。

柴油機(jī)；高壓共軌；硬件在環(huán)；半物理模型；仿真

HIL仿真是車輛電控單元(ECU)開發(fā)流程中的重要環(huán)節(jié)。HIL仿真測(cè)試系統(tǒng)以實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)運(yùn)行仿真模型來模擬被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，通過I/O接口與真實(shí)ECU形成閉環(huán)測(cè)試環(huán)境，通過模擬被控對(duì)象的各種復(fù)雜工況，如故障工況、極限工況，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)ECU的全面、系統(tǒng)測(cè)試，從而及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的缺陷，可以有效縮短ECU的開發(fā)周期、降低產(chǎn)品的開發(fā)成本[1-3]。

柴油機(jī)的數(shù)學(xué)模型是HIL仿真的核心，需要兼顧精確性和實(shí)時(shí)性的要求。目前，應(yīng)用于HIL仿真測(cè)試的模型主要采用均值模型的建模方法，重在描述柴油機(jī)的狀態(tài)變量平均值隨時(shí)間的變化過程，柴油機(jī)的物理過程完全通過代數(shù)方程或者微分方程來表示，但對(duì)于復(fù)雜的過程，難以通過簡(jiǎn)單的方程準(zhǔn)確描述其特性。本研究采用了一種半物理建模方法，即機(jī)理建模和試驗(yàn)建模相結(jié)合的方法，根據(jù)柴油機(jī)的工作原理，對(duì)各工作系統(tǒng)進(jìn)行了物理意義明確的簡(jiǎn)化處理，物理過程清晰的環(huán)節(jié)用方程表示，物理過程復(fù)雜的環(huán)節(jié)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)表示，突出實(shí)時(shí)性，同時(shí)又能準(zhǔn)確描述柴油機(jī)的物理特性[4-8]。

1 高壓共軌柴油機(jī)建模研究

1.1模型的總體結(jié)構(gòu)

以HIL應(yīng)用為目的，根據(jù)大功率高壓共軌柴油機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能原理，將柴油機(jī)模型簡(jiǎn)化為燃油系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、氣缸模塊、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、曲軸動(dòng)力學(xué)子模型，并建立了簡(jiǎn)單的傳動(dòng)系統(tǒng)、起動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)等模型。根據(jù)柴油機(jī)的不同運(yùn)行工況，由燃油系統(tǒng)和進(jìn)氣系統(tǒng)分別計(jì)算當(dāng)前需要的噴油量和進(jìn)氣量，在氣缸模塊進(jìn)行混合氣體燃燒扭矩計(jì)算，該扭矩克服柴油機(jī)工作過程中的摩擦扭矩，通過曲軸動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出，并傳遞給傳動(dòng)系統(tǒng)。柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理見圖1。

圖1 柴油機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

在滿足柴油機(jī)基本性能的前提下，從研究柴油機(jī)電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性需求的角度出發(fā)對(duì)建模過程作如下簡(jiǎn)化[9-12]：

1) 忽略柴油機(jī)工作過程中氣體、液體壓力和溫度的周期性波動(dòng)；

2) 忽略氣缸內(nèi)復(fù)雜的工作過程和曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，假設(shè)氣缸內(nèi)氣體的狀態(tài)滿足理想氣體狀態(tài)方程和能量守恒定律；

3) 氣缸內(nèi)氣體燃燒滿足均勻混合氣燃燒的假設(shè)。

1.2燃油系統(tǒng)模型

高壓共軌燃油系統(tǒng)由低壓油路和高壓油路組成，高壓油路主要包括高壓油泵、噴油器、油軌。

1.2.1高壓油泵模型

高壓油泵的泵油量由進(jìn)油計(jì)量閥的最大流量和油泵物理參數(shù)決定，其體積流量計(jì)算公式為

(1)

1.2.2噴油器模型

噴油器模型采用基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的建模方法，不考慮瞬態(tài)噴油過程，通過查噴油器特性MAP圖獲得每缸的循環(huán)噴油質(zhì)量(見圖2)。噴油器特性為

(2)

對(duì)于多次噴射，通過查詢多個(gè)MAP圖獲得單次噴油質(zhì)量，各質(zhì)量相加獲得總循環(huán)噴油質(zhì)量。

圖2 噴油器特性MAP示意

1.2.3油軌模型

油軌壓力的變化主要由共軌管內(nèi)油量的變化引起，包括流入油軌的泵油量、流出油軌的噴油量和燃油泄漏量。軌壓計(jì)算公式為

(3)

1.3進(jìn)氣系統(tǒng)模型

進(jìn)氣系統(tǒng)模型用于計(jì)算進(jìn)入氣缸的空氣流量和氣體狀態(tài)，主要包括增壓器、節(jié)流閥和進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣門模型。

1.3.1增壓器模型

根據(jù)現(xiàn)象學(xué)模型原理，采用基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的建模方法，通過查增壓器特性MAP表獲得壓氣機(jī)后的增壓壓力，同時(shí)假設(shè)中冷器效率足夠高，壓縮前后的氣體溫度不變。

增壓器的特性為

pBoostPres=pInPres+pRel(VInj,n)。

(4)

式中：pBoostPres為增壓后的壓力；pInPres為壓氣機(jī)入口壓力，此處為環(huán)境壓力；pRel(VInj,n)為增壓器出口的相對(duì)壓力MAP(見圖3)；VInj為單缸循環(huán)噴油量，用于表示負(fù)荷；n為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

對(duì)于VGT(Variable Geometry Turbocharger)或帶有Waste Gate的渦輪增壓器，用兩個(gè)特性MAP分別表示控制閥處于兩個(gè)極限位置時(shí)的壓力，實(shí)際增壓壓力根據(jù)當(dāng)前控制信號(hào)由兩個(gè)特性MAP線性內(nèi)插值計(jì)算。

圖3 渦輪增壓器相對(duì)增壓壓力特性MAP示意

1.3.2節(jié)流閥和進(jìn)氣歧管模型

假設(shè)進(jìn)氣管前后氣體濃度不變，溫度相同，符合理想氣體方程，且為等熵流動(dòng)。

根據(jù)容積法模型原理，通過節(jié)流閥的空氣質(zhì)量流量根據(jù)以下公式計(jì)算：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

進(jìn)氣歧管內(nèi)的壓力利用充排法模型計(jì)算，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，進(jìn)氣歧管內(nèi)空氣質(zhì)量流量計(jì)算公式為

(11)

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，進(jìn)氣歧管壓力計(jì)算公式為

(12)

1.3.3進(jìn)氣門模型

假設(shè)氣門關(guān)閉后，進(jìn)氣歧管和氣缸內(nèi)氣體熱力學(xué)狀態(tài)相同。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過進(jìn)氣門進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量流量為

(13)

式中：Vs為氣缸工作容積；η(pout,n)為容積效率。

1.4扭矩計(jì)算模型

扭矩計(jì)算主要由氣缸模塊完成，包括平均指示扭矩、隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的扭矩和摩擦扭矩的計(jì)算。其中，最優(yōu)平均指示扭矩和摩擦扭矩計(jì)算根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建模方法，通過查詢MAP圖獲得(見圖4和圖5)。

平均指示扭矩的計(jì)算公式為

TIndi=TOptIndi(VInj,n)·η(λ)·η(αInj)·η(pRail)。

(14)

式中：TOptIndi(VInj,n)為最優(yōu)燃燒扭矩；VInj為單缸循環(huán)噴油量；η(λ)為空燃比修正系數(shù)；η(αInj)為噴油提前角修正系數(shù)；η(pRail)為軌壓修正系數(shù)。

為了能更準(zhǔn)確描述一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)燃燒扭矩的動(dòng)態(tài)過程，通過一個(gè)隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的形函與平均指示扭矩相乘，實(shí)現(xiàn)氣缸僅在做功行程輸出扭矩。根據(jù)此扭矩計(jì)算的轉(zhuǎn)速可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)失火檢測(cè)的依據(jù)。

圖4 最優(yōu)平均指示扭矩MAP示意

圖5 摩擦扭矩MAP示意

圖6 隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的形函示意

摩擦扭矩的計(jì)算公式為

TqFric=fn,TEng。

(15)

式中：TEng為發(fā)動(dòng)機(jī)溫度。

1.5曲軸動(dòng)力學(xué)模型

曲軸動(dòng)力學(xué)模型用于計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為柴油機(jī)、負(fù)載、起動(dòng)機(jī)3個(gè)回轉(zhuǎn)質(zhì)量以及無慣性聯(lián)軸節(jié)構(gòu)成的當(dāng)量系統(tǒng)。根據(jù)牛頓第二定律，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為

(16)

式中：TqEng為發(fā)動(dòng)機(jī)指示扭矩；TqExt為外部扭矩，包括起動(dòng)機(jī)扭矩和負(fù)載扭矩，在測(cè)功機(jī)模式下負(fù)載扭矩為測(cè)功機(jī)扭矩；JEng為發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；JExt為外部慣量，包括起動(dòng)機(jī)慣量和負(fù)載慣量，在測(cè)功機(jī)模式下負(fù)載慣量為測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

由于篇幅原因，本研究不再對(duì)系統(tǒng)的其他模型如冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、起動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)等的建模原理進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 模型實(shí)現(xiàn)

使用Matlab/Simulink建立柴油機(jī)各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，模型結(jié)構(gòu)見圖7。

建模發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)見表1。利用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)獲得一組萬有特性數(shù)據(jù)，對(duì)開發(fā)的實(shí)時(shí)仿真模型進(jìn)行參數(shù)化。

圖7 柴油機(jī)Simulink模型

發(fā)動(dòng)機(jī)型式四沖程、直列氣缸數(shù)6發(fā)火順序1—5—3—6—2—4壓縮比18∶1缸徑/mm108行程/mm130排量/L7．14斷油轉(zhuǎn)速/r·min-12500標(biāo)定扭矩/N·m810標(biāo)定轉(zhuǎn)速/r·min-11300發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速/r·min-1600單缸循環(huán)噴油次數(shù)2

3 仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證開發(fā)的實(shí)時(shí)仿真模型的精度，對(duì)柴油機(jī)模型進(jìn)行起動(dòng)過程和測(cè)功機(jī)工況下的穩(wěn)態(tài)仿真測(cè)試，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。

3.1起動(dòng)-怠速工況

設(shè)置模型怠速為600 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)在空載下起動(dòng)。圖8示出模型起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化過程，由圖可以看出，起動(dòng)后5 s左右發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定，并維持在怠速600 r/min，與真實(shí)數(shù)據(jù)完全一致。

圖8 柴油機(jī)起動(dòng)過程

3.2測(cè)功機(jī)工況

將模型設(shè)置為測(cè)功機(jī)模式，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，獲得柴油機(jī)的萬有特性仿真數(shù)據(jù)，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果見圖9。由扭矩相對(duì)誤差(見圖10)可以看出，模型計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差基本都在6%以內(nèi)。

圖10 柴油機(jī)萬有特性扭矩相對(duì)誤差

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)柴油機(jī)各系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，采用半物理建模方法建立了大功率高壓共軌柴油機(jī)的實(shí)時(shí)仿真模型。仿真結(jié)果表明，所建立的柴油機(jī)模型滿足仿真精度的要求，可以應(yīng)用于控制器的HIL測(cè)試，能夠完成其控制功能的驗(yàn)證，此模型還可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的前期開發(fā)，模型具有較高的可靠性和通用性。

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Semi-PhysicalModelingofHighPowerDieselEngineforHILTest

MENG Changjiang1,JIA Li1,FAN Yanzhao1,SHEN Xiaoyan1,DONG Xinyu1,LV Hui1,WANG Haiyan2,QIU Huibin2，LIU Guohao3，REN Lu1

(1.China North Engine Research Institute(Tianjin),Tianjin 300400,China；2.Beijing JingweiHiRain Technologies Co.,Ltd.,Beijing 100191,China；3.Military Representative Resident Station in Tianshui Area，Xi’an Military Representative Bureau，Tianshui 741000，China)

Based on semi-physical modeling theory，a real time model of high pressure common rail diesel engine was built by using Matlab/Simulink software to realize the hardware-in-the-loop testing of controller. The modeling principle of key components of diesel engine was introduced and the simulation tests under the starting, idle and dynamometer conditions were conducted. The results show that the error between simulation and test is less than 6%. Therefore, the diesel engine model can complete the verification of controller control function and can be applied to the early development of engine control strategy and the HIL test of controller. Accordingly, the model has high reliability and versatility.

diesel engine；high pressure common rail；hardware-in-the-loop (HIL)；semi-physical model；simulation

2017-05-20；

2017-10-21

孟長(zhǎng)江(1970—)，男，研究員，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)及內(nèi)燃機(jī)測(cè)試儀器；mcj9259@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.007

TK422

B

1001-2222(2017)05-0034-05

[編輯： 姜曉博]