李學(xué)軍，王 盈，王曼瑋

(長春大學(xué) a.電子信息工程學(xué)院；b. 研究生部，長春 130022)

基于enDYDA的GDI發(fā)動機快速起動仿真研究

李學(xué)軍a，王 盈b，王曼瑋b

(長春大學(xué) a.電子信息工程學(xué)院；b. 研究生部，長春 130022)

快速起動是怠速停止-起動技術(shù)中的關(guān)鍵。本文以GDI發(fā)動機為研究對象，基于enDYDA模型研究快速起動策略。通過對節(jié)氣門的開度和點火提前角的調(diào)節(jié)，觀察噴油點火的MAP圖、發(fā)動機的速度以及起動時間，確定在什么情況能快速起動。

GDI發(fā)動機；快速起動；enDYNA;仿真

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，汽車已經(jīng)成為生活中的必需品。 截至2016年6月底，中國汽車保有量已經(jīng)達到1.84億輛，僅次于美國，居于世界第二。汽車保有量不斷增加給道路交通和環(huán)境帶來巨大的影響，隨著每年超千萬數(shù)量的新車涌向路面，城市道路將變得更擁堵。擁堵問題使汽車經(jīng)常出現(xiàn)怠速等待的工況，該工況消耗了大量的燃料。在環(huán)境方面，怠速過程中排放出來的碳氫化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化硫等污染物給環(huán)境造成了嚴重的污染。如果在怠速等待的時候讓發(fā)動機停止，開始起步時讓發(fā)動機快速起動，就可以從源頭上解決燃料浪費和環(huán)境污染的問題，此項技術(shù)為怠速停止技術(shù)。目前，怠速停止起動技術(shù)是怠速時減少油耗和污染環(huán)境的有效手段之一，也是GDI發(fā)動機快速起動的關(guān)鍵。

選用GDI發(fā)動機對快速起動進行研究是傳統(tǒng)進氣道噴射汽油機，利用馬達最快也要2到3個沖程才能實現(xiàn)起動噴油到氣缸著火噴油，導(dǎo)致在起動的階段需要較長的時間，而GDI發(fā)動機能夠?qū)崿F(xiàn)首循環(huán)燃燒做功，為發(fā)動機實現(xiàn)快速起停提供很大的便利[1]。從國內(nèi)外研究來看，對于GDI發(fā)動機的快速起動確定停機后活塞的位置是十分重要的技術(shù)，從大量的實驗結(jié)果來看，當(dāng)采用反轉(zhuǎn)模式停機后活塞處在80°CA BTDC時較為理想,并且在該位置反轉(zhuǎn)時膨脹缸可以獲得較大的壓縮比，有利于其燃燒做功[2]。為了了解節(jié)氣門開度和點火提前角對快速起動的影響，控制其他影響因素改變節(jié)氣門開度和點火提前角，從實驗中總結(jié)出控制多大的節(jié)氣門開度和點火提前角才能達到理想的速度所需要的時間最短。

1 GDI快速起動的原理

GDI發(fā)動機快速起動，一般采用的是直接起動和電機拖動起動。直接起動有兩種模式，一種是反轉(zhuǎn)起動：GDI發(fā)動機從靜止開始起動的時候，首先是確定哪個氣缸處在壓縮行程的狀態(tài)，系統(tǒng)利用直噴技術(shù)向壓縮氣缸內(nèi)噴入少量的燃油后進行點火，燃料燃燒釋放的能量將推動活塞使曲軸發(fā)生反轉(zhuǎn)靠近下止點但不通過，曲軸在瞬時反轉(zhuǎn)的同時也擠壓處在膨脹行程的氣缸，然后噴油器將會向膨脹氣缸內(nèi)噴入燃油并點燃，發(fā)動機將會起動然后正常工作。另一種是正轉(zhuǎn)起動：第四缸(膨脹缸)的過量空氣系數(shù)控制在0.84左右時可以獲得最高燃燒壓力；由于正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的配氣相位不同，使得正轉(zhuǎn)起動時首缸很難轉(zhuǎn)過其下止點。對于正轉(zhuǎn)起動模式，第四缸(膨脹缸)活塞初始位置為105°CA ATDC時較為理想，能保證膨脹缸(第四缸)活塞和接下來的第一缸活塞均能轉(zhuǎn)過各自的下止點，從而發(fā)動機起動成功。正反轉(zhuǎn)起動不需要輔助電機，所以相比較電機拖動起動系統(tǒng)而言起動時間將會更短，更安靜，可靠性更高[2]。電機拖動起動模式，原理是電機拖動轉(zhuǎn)速在800～1400r/min范圍內(nèi)時，均能使發(fā)動機穩(wěn)定地過渡切換到發(fā)動機自行著火運轉(zhuǎn)模式。拖動轉(zhuǎn)速相對較高時(1200r/min和1400r/min)，模式切換與過渡時轉(zhuǎn)速相對較平穩(wěn)；但是拖動轉(zhuǎn)速過高時(1400r/min)，HC排放略有增加[2]。GDI發(fā)動機的模型如圖1所示。

圖1 GDI發(fā)動機模型

2 GDI發(fā)動機系統(tǒng)建模

一個四缸GDI發(fā)動機的簡化物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。電子控制單元通過控制著空氣質(zhì)量流量、節(jié)氣門開度、燃油噴射、點火提前角等協(xié)同工作，實現(xiàn)發(fā)動機的快速起動。

2.1 進氣岐管模型

(1)

節(jié)氣門開度為φ,So為節(jié)流面積，pa為標(biāo)準大氣壓，則進入氣缸的空氣質(zhì)量流量為：

(2)

(3)

2.2 吸入氣缸的空氣模型

ρa為外部空氣密度，Vc為發(fā)動機氣缸容積，η為發(fā)動機的容積效率系數(shù)，ω為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，典型的空氣流量計算公式如下：

(4)

η(pm,ω)為pm和ω的函數(shù)

η=ηω(ω)·ηpm(pm)

(5)

將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和進氣歧管壓力對發(fā)動機容積效應(yīng)的影響?yīng)毩⑵饋矸謩e建立模型：

(6)

(7)

圖2 發(fā)動機燃油動態(tài)過程示意圖

J為發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量，τe為發(fā)動機指示扭矩，τf為發(fā)動機的摩擦力扭矩，建立關(guān)于發(fā)動機轉(zhuǎn)速的動力學(xué)模型?；谂ｎD第二定律建立如下方程：

Jω=τe-τf

(8)

(9)

τf=ff(ω,m0)=d0+d1·ω+d2·ω2+e0+e1(pa-pm)

(10)

基于扭矩對GDI發(fā)動機的快速起動的控制方法如圖3所示。

圖3 基于扭矩控制快速性策略

3 仿真分析

基于enDYDA搭建四缸GDI發(fā)動機模型并進行參數(shù)化處理，ECU通過硬件在環(huán)(HIL)系統(tǒng)在“虛擬車輛”上進行仿真測試不需要真實的車輛，HIL測試系統(tǒng)可以模擬不同的工況比傳統(tǒng)的方法更加徹底和全面。將此模型作為被控對象通過調(diào)節(jié)改變節(jié)氣門開度和點火提前角進行半實物仿真。圖4仿真模型結(jié)構(gòu)中選擇GDI發(fā)動機作為工作的起始點；利用模塊庫或者Simulink模塊構(gòu)建GDI發(fā)動機；根據(jù)離線仿真還是在線仿真，配置IO模塊，選擇輸入輸出信號。經(jīng)過多次試驗，在節(jié)氣門開度為3.014點火提前角為16.2deg時四缸GDI發(fā)動機能夠在熱機的時候快速起動，在NIVeristand測試軟件圖5上觀察GDI發(fā)動機的工況，在不同條件下發(fā)動機快速起動達到怠速狀態(tài)過程所用的時間最短。

圖4 仿真模型結(jié)構(gòu)

圖5 Verisand測試界面

圖6 GDI發(fā)動機快速起動時間和速度的關(guān)系

4 結(jié) 論

基于enDYDA的GDI發(fā)動機快速啟動對不同節(jié)氣門開度和點火提前角進行了仿真，enDYNA作為控制器的控制對象，根據(jù)發(fā)動機快速起動的要求構(gòu)建了發(fā)動機快速起動控制策略,以四缸GDI發(fā)動機為研究對象,在HIL中進行ECU的測試，并且根據(jù)其實際的工作過程,將整個的發(fā)動機分成節(jié)氣門,進氣歧管、空氣質(zhì)量流量、燃油油路等幾部分分別建立模型,接著利用enDYDA軟件獲得相應(yīng)的發(fā)動機模型參數(shù),圖6是根據(jù)給出一個節(jié)氣門開度得出發(fā)動機在快速起動的速度和啟動時間。

[1]BishopJ，NedungadiA，ArmiroliP，etal.AnEngineStart/StopSystemforImprovedFuelEconomy[J].SAEPaper,2007-1-1777.

[2] 韓立偉．缸內(nèi)直噴發(fā)動機應(yīng)用起動-停止技術(shù)的研究[D].長春:吉林大學(xué)，2010．

[3] 曹志成. 直噴汽油機直接起動過程中的燃燒和動力學(xué)模擬[D].天津：天津大學(xué),2014.

[4]Aquino,C.Transienta/fcontrolcharacteristicsofthe5litercentralfuelinjectionengine[J].SAETechnicalPaper,1981.810494.

[5] 胡得勝. 基于模型的汽油機氣路系統(tǒng)控制map標(biāo)定[D].長春：吉林大學(xué),2015.

[6]ChengY,Wang,JX,Zhuang,RJ,WuN.Analysisofcombustionbehaviorduringcold-startandwarm-upprocessofSIgasolineengine[J].SAETechnicalPaper,2001-1-3557.

[7] 王維,馬超,龔笑舞,等. 基于TESISDYNAware軟件的高壓共軌柴油機ECU硬件在環(huán)仿真[J]. 現(xiàn)代車用動力,2013(4):41-44.

[8]ChevalierA,MullerM,HendricksE.Onthevalidityofmeanvalueenginemodelsduringtransientoperation[J].SAETechnicalPaper,2000-1-1261.

[9] 趙靖華,洪偉,韓林沛,等. 基于enDYNA的柴油機瞬態(tài)EGR控制硬件在環(huán)仿真平臺研究[J]. 汽車技術(shù),2014(7):24-27.

[10] 陳虹,胡云峰,郭宏志，等. 基于backstepping方法的電子節(jié)氣門控制[J]. 控制理論與應(yīng)用, 2011, 28(4): 491-496.

[11] 韋倫文. 智能鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)研究[J]. 上海汽車,2014(4):13-16.

責(zé)任編輯：程艷艷

Research on Simulation of GDI Engine Fast Starting Based on enDYDA

LI Xuejuna, WANG Yingb, WANG Manweib

(a.Collegeof Electronic Information Engineering; b. Graduate Department, Changchun University, Changchun 130022, China)

Fast starting is the key to idling stop—starting technology. This paper, taking GDI engine as the research object, discusses fast starting strategies based on enDYDA model. By adjusting the throttle opening and ignition advance angle, we determine the conditions for the rapid starting based on the observation of MAP graph of the fuel injection and ignition, the speed of the engine and the starting time.

GDI engine; fast starting; enDYNA; simulation

2016-10-18

李學(xué)軍(1968-)，女，山東臨沂人，教授，博士，主要從事發(fā)動機控制、魯棒控制方面研究;王 盈(1989-)，男，河南信陽人，碩士研究生，主要從事先進控制理論研究與應(yīng)用方面研究。

TK421+.42

A

1009-3907(2017)02-0001-04