李小靜，鄧 濤，梁 偉，盧任之

(重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074)

混合動力汽車是目前提高燃油經濟性和減少排放的新型交通工具。機電混合動力汽車的動力、傳動系統(tǒng)的控制策略開發(fā)，整車性能仿真及整車控制器開發(fā)都需要根據發(fā)動機的工況參數實時估計發(fā)動機的轉矩輸出，這是當今汽車控制策略開發(fā)必須解決的基礎性問題。建立有一定精度又能滿足控制動態(tài)性及實時性要求的汽油發(fā)動機模型是解決該問題的主要途徑［1］。

在汽油發(fā)動機的電控燃油噴射系統(tǒng)中，電子控制單元(ECU)除了根據進氣量來控制噴油器正常噴油外，還要實現起動加濃、暖機加濃、加速加濃、全負荷加濃、減速調稀、自動怠速、強制怠速停油等控制功能［2］，以滿足發(fā)動機在各種特殊工況下對混合氣的要求，從而使發(fā)動機能夠獲得良好的燃油經濟性和動力性，并且降低排放物中的有害物質［2］。加、減速工況是發(fā)動機最常見的動態(tài)工況，也是對發(fā)動機動態(tài)輸出轉矩及燃油經濟性影響最大的工況。文獻［1］指出:當節(jié)氣門開度變化率較高時，發(fā)動機管理系統(tǒng)對進入氣缸的混合氣進行了加濃處理，但模型中并沒有考慮到這種加濃處理帶來的影響。本文基于Elbert Hendricks提出的發(fā)動機平均值模型［3］建立了加濃仿真模型，對發(fā)動機加速工況噴油量進行了必要的修正，并對比分析了加速加濃處理對發(fā)動機轉速及轉矩估計的影響。

1 發(fā)動機平均值模型

發(fā)動機平均值模型在1989年由Elbert Hendricks提出，能夠較好地兼顧動態(tài)仿真的精確性和實時性。它忽略了每個工作循環(huán)內不同曲軸轉角時各缸的差別，對其進行平均值處理，以微分方程和代數方程的形式，對汽油發(fā)動機的進氣歧管進氣、供油及曲軸轉速的瞬時狀態(tài)進行描述，并建立動態(tài)模型。該模型適用于發(fā)動機運行的各種工況。傳統(tǒng)汽油發(fā)動機的平均值模型主要包括3部分:進氣歧管模型、燃油蒸發(fā)與油膜模型和動力輸出模型［4］。

1.1 進氣歧管模型

1.1.1 節(jié)氣門空氣流量模型

汽油發(fā)動機一般通過節(jié)氣門對進入氣缸的進氣流量進行調節(jié)，因此構建能反映實際物理過程的節(jié)氣門處空氣流量模型對于預測進氣管內的空氣狀態(tài)，確定每循環(huán)實際氣缸進氣量都有重要意義［5－6］。

節(jié)氣門處空氣質量流量為［7］:

1.1.2 進氣門空氣流量模型

進入氣缸參與燃燒的燃油質量是由進入氣缸的空氣質量流量決定的，而汽油發(fā)動機輸出的轉矩和轉速由參與燃燒的燃油質量決定。進氣門的空氣流量是發(fā)動機平均模型中的重要狀態(tài)量之一，該值一般根據“速度－密度法”計算得到［3］。進氣量與發(fā)動機轉速、進氣壓力、充量效率、發(fā)動機排量以及進氣歧管內的空氣溫度等參數有關，其表達式為式中:˙map為進入氣缸的空氣質量流量(kg/s);Vd為發(fā)動機排量(m3);n為發(fā)動機轉速(r/min);R為氣體常數(J/kg·K);Tm為進氣歧管內氣體溫度(K);pm為進氣歧管內氣體的壓力(Pa);ηv為充量效率。

Hendricks對(ηv·pm)進行標定［8］，指出ηv·pm=si(n)pm－yi(n)。

由式(1)可得

所以

在某一穩(wěn)態(tài)工況(ηv·pm)下，˙mat=˙map，這意味著˙map可以通過空氣流量計間接得到。不同轉速下的si和yi可通過測得的多組數據對式(2)進行擬合得到［7］:si=0.952，yi=0.075。

1.1.3 進氣岐管壓力模型

在汽油發(fā)動機的進氣系統(tǒng)中，進氣歧管內空氣流動系統(tǒng)具有很強的非線性，反應速度相對比較快，進氣歧管內氣體流速接近音速，溫度可接近大氣溫度，所以在平均值模型中顯得較為復雜?？諝鈴墓?jié)氣門流入，經過進氣歧管最終進入氣缸。由于˙mat≠˙map，因此進氣歧管中的氣體質量流量方程為

利用式(3)和理想氣體狀態(tài)方程可以得到:

1.2 燃油吸附與蒸發(fā)模型

燃油有2個途徑進入氣缸內燃燒:一是從噴油器噴出以燃油蒸汽的形式˙mfv和空氣一起進入氣缸。因為空氣流動很快，在一個循環(huán)內即可到達進氣門，這意味著可以忽略燃油蒸汽流動的動態(tài)過程，用代數方程來表示。二是被吸附到進氣管壁的燃油通過油膜在進氣歧管中的二次蒸發(fā)進入氣缸，其時間常數為τf。由于燃油的蒸發(fā)是一個時變的過程，因此可以用微分方程來表示。進氣歧管內燃油狀態(tài)方程表達式為［6］:

1.3 曲軸動力輸出模型

動力輸出模型的主要作用是計算汽油發(fā)動機的輸出轉速和轉矩的變化率［6］，根據本文2個子模型輸出的進入氣缸的燃油量和空氣量，以及發(fā)動機其他參數(發(fā)動機轉速、點火提前角、空燃比等)，把牛頓第二定律運用到曲軸動力輸出端，得到的平衡方程為

式中:ω為發(fā)動機角速度(rad/s);Ti為發(fā)動機指示轉矩(N·m);Tf為發(fā)動機工作需克服摩擦轉矩(N·m);Tload為曲軸輸出端負載轉矩(N·m);Tp為發(fā)動機泵氣損失轉矩(N·m);Hu為燃油低熱值(kJ/kg);I為曲軸負載及發(fā)動機轉動慣量(kg·m2);τd為發(fā)動機轉速變化相對于燃油噴射的平均延遲，n為氣缸數。發(fā)動cyl機的指示效率ηi受多種因素影響，主要包括轉速、點火提前角θ、進氣管壓力和過量空氣系數λ，則有

綜上所述，建立的發(fā)動機均值模型如圖1所示。

圖1 發(fā)動機均值模型

2 加濃處理

汽車行駛過程中，經常要遇到加速、減速的工況。加速時，由于燃油的慣性比空氣大得多，燃油量的增加相對于空氣量的增加要滯后，再加上節(jié)氣門突然開大，發(fā)動機的吸氣量會隨著節(jié)氣門開度的變化而即刻發(fā)生變化，進氣管內的真空度陡降，進氣管壁的油膜蒸發(fā)量立即減少，這些都會造成短時間混合氣過?。?］，從而使發(fā)動機的加速性能相應減弱，甚至會因為混合氣過稀而導致發(fā)動機抖動、熄火或失火，無法正常工作。

為了使發(fā)動機獲取良好的加速過渡性能，要求燃油供給系統(tǒng)在短時間內得到較濃的混合氣。節(jié)氣門開度變化率比較大時，發(fā)動機ECU會根據節(jié)氣門位置傳感器的輸出信號來判斷發(fā)動機是否處于加速工況。當發(fā)動機處于加速工況時，ECU能自動按一定比例對發(fā)動機噴油量進行適當的修正［2］。修正的大小和持續(xù)時間取決于加速時的發(fā)動機冷卻液溫度。溫度越低，修正量越大，持續(xù)時間越長。噴油量修正關系［2］如圖2所示。

圖2 噴油量修正

根據實際發(fā)動機管理系統(tǒng)對混合氣進行的加濃處理，本研究將節(jié)氣門打開速率是否大于10°/s作為判斷是否加濃噴油的限值［9］。由于發(fā)動機穩(wěn)定運轉時冷卻液溫度一般保持在80～85℃，因此本研究設定發(fā)動機冷卻液溫度分別為20℃和80℃，采用Elbert Hendricks提出的平均值模型［4］對其中的加速工況進行必要的加濃噴油修正處理。仿真模型采用Simulink模塊搭建，所建立的修正發(fā)動機噴油的平均值模型的結構見圖3。

圖3 修正后的均值模型結構

3 仿真分析

分別在冷卻液溫度為20℃和80℃時，對發(fā)動機有加濃修正和無加濃修正的模型進行了仿真，結果如圖4、5所示。

首先，從圖4、5可以看出:加濃后，發(fā)動機轉矩及轉速上升更快，說明加濃處理后發(fā)動機的加速性和動力性能更好。

其次，模型分析結果表明:在發(fā)動機冷卻液溫度為20℃時，轉矩瞬時提升最大可達35%，證明了在冷卻液溫度較低或汽車啟動時，對發(fā)動機進行加濃處理有助于提高汽車的加速性能和動力性能，縮短汽車的加速時間。這與實際發(fā)動機ECU考慮對汽車加速進行加濃處理的原因相符。

再次，從圖4(a)與圖5(a)的對比，以及圖4(b)與圖5(b)的對比發(fā)現:隨著發(fā)動機冷卻液溫度升高，加濃處理與不加濃處理的差別縮小。原因是隨著發(fā)動機冷卻液溫度的升高，加濃的時間及加濃的程度都有所降低。

圖4 冷卻液為20℃時發(fā)動機仿真結果

圖5 冷卻液為80℃時發(fā)動機仿真結果

4 結論

汽車的加減速過程是汽車行駛過程中最常見的動態(tài)工況。傳統(tǒng)汽車加速時，發(fā)動機ECU都會加濃噴油來滿足整車動力性需求。本文針對通常采用的平均值模型未對汽車的加速工況進行修正，從而影響發(fā)動機轉矩估計這一問題，在模型中對加速工況的噴油情況進行了必要的加濃修正處理，建立了加濃修正的發(fā)動機平均值模型，并將加濃模型與未加濃均值模型的仿真結果進行了對比分析，結果表明:

1)加濃修正后，發(fā)動機轉矩及轉速提升更快，從而證明了加濃處理后發(fā)動機的加速性、動力性更好。

2)冷卻液溫度為20℃，加濃時轉矩提升最高可以達35%。

3)由于發(fā)動機冷卻液溫度升高，加濃的時間及加濃的程度都有所降低，因此隨著發(fā)動機冷卻液溫度的升高，加濃處理與不加濃處理的差別有所縮小。

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