汪科任，孫仁云，嚴(yán)浩銘，張晟愷

(西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都 610039)

基于Simulink的天然氣發(fā)動機瞬態(tài)加速工況仿真設(shè)計

汪科任，孫仁云，嚴(yán)浩銘，張晟愷

(西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都 610039)

利用Simulink軟件建立了天然氣發(fā)動機在瞬態(tài)加速工況下的發(fā)動機模型，該模型加入了進(jìn)氣壓力修正模塊，彌補了在瞬態(tài)加速工況下壓力傳感器所測進(jìn)氣壓力的不準(zhǔn)確，實現(xiàn)了進(jìn)氣壓力的準(zhǔn)確預(yù)估，使發(fā)動機瞬態(tài)加速工況也能控制在理論空燃比附近，并通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制使轉(zhuǎn)速能迅速穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近.仿真結(jié)果表明，模型能較好地實現(xiàn)瞬態(tài)加速工況下的空燃比控制，達(dá)到快速穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的目的，可為發(fā)動機電控單元開發(fā)提供一定參考.

天然氣發(fā)動機;瞬態(tài)加速;仿真

0 引言

發(fā)動機瞬態(tài)工況空燃比基本屬于開環(huán)控制，而越發(fā)嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)使發(fā)動機在瞬態(tài)工況時也能實現(xiàn)空燃比閉環(huán)控制顯得十分必要.為了實現(xiàn)循環(huán)噴氣量，必須準(zhǔn)確確定循環(huán)進(jìn)氣量.而在采用速度—密度法來確定發(fā)動機進(jìn)氣量的系統(tǒng)中，當(dāng)節(jié)氣門突變時，進(jìn)氣歧管內(nèi)的壓力會產(chǎn)生很大的突變，由于傳感器具有一定的延遲性，會導(dǎo)致此時測得的進(jìn)氣壓力不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致噴氣量不準(zhǔn)確.要提高瞬態(tài)工況下空氣流量的測量精度就必須想法消除由于傳感器滯后所引起的這種誤差［1］.本研究通過建立非線性進(jìn)氣管壓力觀測器模型來實時預(yù)測和估計進(jìn)氣管壓力，并根據(jù)預(yù)估歧管內(nèi)壓力來準(zhǔn)確地計算進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量，從而根據(jù)空燃比來準(zhǔn)確計算噴嘴的噴氣量.

1 發(fā)動機模型

本研究在Crossley等［2］提出的四缸四沖程火花點火發(fā)動機模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定修改，本模型不僅適用于穩(wěn)定工況也適用于瞬態(tài)工況，并可從工質(zhì)流動和能量轉(zhuǎn)換的角度對發(fā)動機運行進(jìn)行分析和模擬.模型主要包括氣路模塊(Air and-CNG)、壓縮沖程模塊(Compression Stroke)、檢測定時模塊(Detect and Timing)、燃燒和動力輸出模塊(Combustion and Crank Shaft)、氧傳感器模塊(EGO Sensor).模型的總體框架如圖1所示，發(fā)動機轉(zhuǎn)速PID控制模塊如圖2所示.

圖1 模型總體框架示意圖

圖2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速PID控制模塊

1.1 氣路模塊

氣路模塊如圖3所示，其作用是根據(jù)節(jié)氣門開度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和噴嘴的噴氣量，計算進(jìn)入氣缸的空氣量和燃油量，它由節(jié)氣門體模型、進(jìn)氣歧管模型和天然氣燃?xì)饽Ｐ徒M成.

圖3 氣路模塊

1.1.1 節(jié)氣門體子模塊.

節(jié)氣門體子模塊如圖4所示，其主要作用是模擬節(jié)氣門處的空氣流量特性，它以節(jié)氣門開度作為輸入量，以流過節(jié)氣門體的空氣流量作為輸出量，節(jié)氣門體的空氣流量為，

式中，f(θ)是一個僅與節(jié)氣門開度相關(guān)的經(jīng)驗公式，

g(pm)是一個與外界大氣壓力和進(jìn)氣歧管壓力有關(guān)的函數(shù)，

式中，mat是節(jié)氣門處空氣流量，g/s;θ為節(jié)氣門開度，%;pa、pm分別為大氣壓力和進(jìn)氣歧管絕對壓力，Pa;sign是無符號函數(shù).

圖4 節(jié)氣門體子模塊

1.1.2 進(jìn)氣歧管子模塊(加入了壓力觀察器).

進(jìn)氣歧管子模塊如圖5所示.該子系統(tǒng)模塊以節(jié)氣門體的空氣流量和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為輸入量，以發(fā)動機進(jìn)氣歧管內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)和最終進(jìn)入汽缸的空氣流量為輸出量，并考慮了在瞬態(tài)工況下節(jié)氣門突變導(dǎo)致的歧管內(nèi)壓力的突變，從而在方程中加入了預(yù)估算法，使其可準(zhǔn)確地預(yù)估節(jié)氣門突變后歧管內(nèi)實際的壓力，用預(yù)估值代替實際值.具體由以下2個方程來描述，

式中，ma0為進(jìn)氣門空氣流量，g/s;N為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，rad/s;Tm為進(jìn)氣溫度，K;R為通用氣體數(shù);Vm為進(jìn)氣管容積，m3.

結(jié)合式(1)～(5)便能預(yù)估出進(jìn)氣歧管壓力并計算出進(jìn)氣量，再根據(jù)空燃比便能計算出實際噴氣量.

圖5 進(jìn)氣歧管子模塊

1.2 進(jìn)氣與壓縮沖程模塊

1.2.1 進(jìn)氣沖程模塊.

圖6 進(jìn)氣沖程模塊

進(jìn)氣沖程模塊如圖6所示，其主要作用是在每個進(jìn)氣沖程開始時對來自于進(jìn)氣歧管的空氣流量和燃油流量進(jìn)行積分，并在進(jìn)氣沖程結(jié)束的時候進(jìn)行采樣，從而可以得到每循環(huán)的進(jìn)氣量和燃油量.該模塊實際上是由2個外部觸發(fā)積分器模塊構(gòu)成，外部觸發(fā)信號來自于定時和檢測模塊，定時檢測模塊每隔180°曲軸轉(zhuǎn)角就觸發(fā)進(jìn)氣沖程積分器，積分器一旦被觸發(fā)就被重新賦初值0，并且開始分別對該循環(huán)內(nèi)的進(jìn)氣量和燃油量進(jìn)行積分，直至下一個外部觸發(fā)信號來臨將積分結(jié)果輸出并重新開始新一輪的賦初值和積分.這樣每隔180°曲軸轉(zhuǎn)角就會對缸內(nèi)進(jìn)氣量和燃油量進(jìn)行積分并將結(jié)果輸出，從而可以精確地模擬四缸發(fā)動機的進(jìn)氣沖程.

1.2.2 壓縮沖程模塊.

壓縮沖程模塊如圖7所示.模塊由一個觸發(fā)子系統(tǒng)構(gòu)成，觸發(fā)信號來自定時和檢測模塊，定時檢測模塊在壓縮沖程開始時刻觸發(fā)壓縮沖程模塊，使其接受來自進(jìn)氣沖程的積分結(jié)果，進(jìn)行一個單位延遲后輸出給下一個模塊.模塊內(nèi)部的觸發(fā)子模塊發(fā)出觸發(fā)信號與觸發(fā)壓縮沖程的外部觸發(fā)信號同時發(fā)生，觸發(fā)進(jìn)氣沖程模塊.

圖7 壓縮沖程模塊

1.3 定時和曲軸位置檢測模塊

定時和曲軸位置檢測模塊模型如圖8、9所示，其主要功能就相當(dāng)于實際發(fā)動機中用來確定曲軸位置的曲軸傳感器，它實時檢測曲軸的瞬態(tài)位置，在曲軸達(dá)到上止點和下止點時發(fā)出一個脈沖觸發(fā)信號，觸發(fā)相應(yīng)的吸氣和壓縮沖程的執(zhí)行，也確定了發(fā)動機的吸氣終了(壓縮開始)時間和開始(壓縮終了)時間.

圖8 定時和曲軸位置檢測模塊

圖9 曲軸位置檢測模塊

曲軸位置檢測模塊主要對輸入的發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行積分從而確定發(fā)動機曲軸的瞬態(tài)位置，曲軸每轉(zhuǎn)過180°就發(fā)出一個觸發(fā)信號，從而為確定吸氣終了(也即壓縮開始)時刻提供了一個參考信號.

1.4 動力輸出模塊

動力輸出模塊如圖10所示，其主要作用是根據(jù)進(jìn)入汽缸的燃油量和空氣量，以及發(fā)動機的其他參數(shù)(發(fā)動機轉(zhuǎn)速和點火提前角等)來計算發(fā)動機的輸出功率和轉(zhuǎn)速變化率.

圖10 動力輸出模塊

空氣與燃油進(jìn)入汽缸混合燃燒膨脹，推動活塞做功而產(chǎn)生扭矩，這一扭矩減去泵氣阻力矩和發(fā)動機內(nèi)部摩擦阻力矩，得到最終對外的輸出扭矩.發(fā)動機扭矩的公式為，

式中，ma為汽缸內(nèi)空氣的質(zhì)量，g;A/F為空燃比;˙N發(fā)動機加速度，r/s2;Meng、Mload分別為發(fā)動機輸出扭矩、負(fù)荷扭矩;其他參數(shù)的物理意義同前面方程中的參數(shù).

1.5 氧傳感器模塊

氧傳感器模塊如圖11所示，其作用是模擬排氣氧傳感器信號，檢測排氣氧含量，為發(fā)動機部分負(fù)荷和熱機怠速工況下實現(xiàn)空燃比閉環(huán)控制提供一個反饋信號，它以測量所得到的空燃比為輸入量.氧傳感器的信號是開關(guān)式的，當(dāng)為濃混合氣(高于理論空燃比)時輸出信號為高電平，稀混合氣(低于理論空燃比)時為低電平，在過量空氣系數(shù)λ=1時發(fā)生躍變.

圖11 氧傳感器模塊

理想的EGO輸出特性如圖12的所示，實際輸出特性曲線如圖13所示.

圖12 輸出特性曲線(理想)

圖13 輸出特性曲線(實際)

從圖13可見，實際的輸出特性在當(dāng)λ=1附近有較大的躍升.為便于建模并同時考慮EGO的實際輸出特性，對于氧傳感器非線性的輸出特性可以用一個反正切函數(shù)來描述，

2 模型仿真與分析

在仿真實驗中，本研究模擬條件為:發(fā)動機轉(zhuǎn)速從2 000 r/min到3 000 r/min的瞬態(tài)加速過程，外界擾動為恒定值，仿真時間為10 s.圖14為目標(biāo)轉(zhuǎn)速信號與實際轉(zhuǎn)速信號圖，圖15為空燃比信號圖.

圖14 目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速

由圖14可以看出，在3 s時刻目標(biāo)轉(zhuǎn)速從2 000 r/min立刻瞬變?yōu)? 000 r/min，而經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后可以在0.5 s的時間后便在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近震蕩，3.5 s后變保持住3 000 r/min的平均轉(zhuǎn)速，證明該模型可以達(dá)到較為精確的控制效果.

由圖15可知，加入壓力觀察器模型后整個過程都能將空燃比維持在理論空燃比16.7附近，觀察3到4 s這個瞬態(tài)加速過程可知，在該階段空燃比穩(wěn)定地維持在理論空燃比16.7附近，說明加入壓力觀察器模塊能夠很好地控制瞬態(tài)加速工況的空燃比.此時三元催化劑有較高的轉(zhuǎn)化率，從而在一定程度上可以實現(xiàn)發(fā)動機瞬態(tài)加速工況下排放的達(dá)標(biāo).

圖15 空燃比圖

3 結(jié)語

本研究針對四缸四沖程汽油發(fā)動機，建立了瞬態(tài)加速工況下的發(fā)動機與控制器模型，并在Matlab/Simulink環(huán)境下對這些模型進(jìn)行了構(gòu)建與綜合仿真.仿真實驗結(jié)果表明:基于本模型的空燃比控制模型和控制算法是可行的，加入進(jìn)氣壓力觀察器后可以較好地在瞬態(tài)加速工況下將空燃比控制在理論空燃比附近，同時，加入PID速度閉環(huán)控制能在瞬態(tài)加速后將發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速控制在預(yù)期目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近，二者都達(dá)到了預(yù)期的控制效果.

［1］陳緒平，黃海波，黃鈺.基于燃油平均值模型的燃?xì)?CNG)發(fā)動機模型［J］.四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004，169(4):169－172.

［2］Crossley P R，Cook J A.A nonlinear engine model for drivetrain system development［C］//IEEE International Conference on Control 1991.Ed-inburgh:IEEE Press，1991:921 －925.

［3］陳超，王紹金光，康曉敦.基于 Matlab/Simulink的汽油機電控系統(tǒng)仿真［J］.內(nèi)燃機工程，2005，24(5):23 －27.

［4］薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

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［8］孟嗣宗，郭少平，張文海.發(fā)動機精確空燃比控制方法的研究［J］.內(nèi)燃機工程，1999，20(2):70 －75.

［9］包生重，裴海靈，周乃君，等.基于Matlab的模型汽油機電控系統(tǒng)仿真［J］.電力科學(xué)與技術(shù)，2006，27(3):30 －32.

Simulation Design for Transient Acceleration Conditions of Natural Gas Engine Based on Simulink

WANG Keren，SUN Renyun，YAN Haoming，ZHANG Shengkai
(School of Transportation and Automotive Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China)

This paper builds engine model of natural gas engine under transient acceleration conditions by Simulink software.The inlet pressure correction module is added to the model.This model compensates for inaccuracy of inlet pressure measured by the pressure sensor under transient acceleration conditions，and implements accurate forecast of inlet pressure，and can also make transient acceleration conditions of the engine be controlled in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio.Through closedloop control of the speed，speed can be quickly stabilized around the target speed.The simulation results show that this model can well realize the air-fuel ratio control under transient acceleration conditions to achieve the purpose of fast and steady speed，which can provide certain reference for development of the engine electronic control unit.

natural gas engine;transient acceleration;simulation

TK413;TP391.9

A

1004－5422(2014)01－0068－05

2013－11－18.

汪科任(1987—)，男，碩士研究生，從事天然氣電控發(fā)動機技術(shù)研究.