孟長江,賈利,范燕朝,申曉彥,董新宇,呂慧,王海燕，仇會彬，劉國浩，任路

(1.中國北方發(fā)動機研究所(天津)，天津 300400；2.北京經(jīng)緯恒潤科技有限公司，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應用的大功率柴油機半物理建模方法

孟長江1,賈利1,范燕朝1,申曉彥1,董新宇1,呂慧1,王海燕2，仇會彬2，劉國浩3，任路1

(1.中國北方發(fā)動機研究所(天津)，天津 300400；2.北京經(jīng)緯恒潤科技有限公司，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)

為實現(xiàn)控制器硬件在環(huán)(Hardware-in-the-loop,HIL)測試，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實時仿真模型。介紹了柴油機關鍵部件的建模原理，并進行了起動、怠速工況和測功機工況下的仿真試驗，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)誤差小于6%，表明所建柴油機模型能夠完成控制器控制功能的驗證，可以應用于發(fā)動機控制策略的前期開發(fā)和控制器的HIL測試，模型具有較高的可靠性和通用性。

柴油機；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仿真測試系統(tǒng)以實時硬件平臺運行仿真模型來模擬被控對象的運行狀態(tài)，通過I/O接口與真實ECU形成閉環(huán)測試環(huán)境，通過模擬被控對象的各種復雜工況，如故障工況、極限工況，可以實現(xiàn)對被測ECU的全面、系統(tǒng)測試，從而及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設計中的缺陷，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]。

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

1 高壓共軌柴油機建模研究

1.1模型的總體結(jié)構(gòu)

以HIL應用為目的，根據(jù)大功率高壓共軌柴油機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能原理，將柴油機模型簡化為燃油系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、氣缸模塊、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、曲軸動力學子模型，并建立了簡單的傳動系統(tǒng)、起動機、測功機等模型。根據(jù)柴油機的不同運行工況，由燃油系統(tǒng)和進氣系統(tǒng)分別計算當前需要的噴油量和進氣量，在氣缸模塊進行混合氣體燃燒扭矩計算，該扭矩克服柴油機工作過程中的摩擦扭矩，通過曲軸動力學模型轉(zhuǎn)化為柴油機的轉(zhuǎn)速輸出，并傳遞給傳動系統(tǒng)。柴油機的結(jié)構(gòu)和原理見圖1。

圖1 柴油機結(jié)構(gòu)和工作原理

在滿足柴油機基本性能的前提下，從研究柴油機電控系統(tǒng)實時性需求的角度出發(fā)對建模過程作如下簡化[9-12]：

1) 忽略柴油機工作過程中氣體、液體壓力和溫度的周期性波動；

2) 忽略氣缸內(nèi)復雜的工作過程和曲柄連桿機構(gòu)的動力學計算，假設氣缸內(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。

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油計量閥的最大流量和油泵物理參數(shù)決定，其體積流量計算公式為

(1)

1.2.2噴油器模型

噴油器模型采用基于試驗數(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)

對于多次噴射，通過查詢多個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。軌壓計算公式為

(3)

1.3進氣系統(tǒng)模型

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

1.3.1增壓器模型

根據(jù)現(xiàn)象學模型原理，采用基于試驗數(shù)據(jù)的建模方法，通過查增壓器特性MAP表獲得壓氣機后的增壓壓力，同時假設中冷器效率足夠高，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為壓氣機入口壓力，此處為環(huán)境壓力；pRel(VInj,n)為增壓器出口的相對壓力MAP(見圖3)；VInj為單缸循環(huán)噴油量，用于表示負荷；n為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。

對于VGT(Variable Geometry Turbocharger)或帶有Waste Gate的渦輪增壓器，用兩個特性MAP分別表示控制閥處于兩個極限位置時的壓力，實際增壓壓力根據(jù)當前控制信號由兩個特性MAP線性內(nèi)插值計算。

圖3 渦輪增壓器相對增壓壓力特性MAP示意

1.3.2節(jié)流閥和進氣歧管模型

假設進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。

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)以下公式計算：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

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

(11)

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，進氣歧管壓力計算公式為

(12)

1.3.3進氣門模型

假設氣門關閉后，進氣歧管和氣缸內(nèi)氣體熱力學狀態(tài)相同。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，通過進氣門進入氣缸的空氣質(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扭矩計算模型

扭矩計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算。其中，最優(yōu)平均指示扭矩和摩擦扭矩計算根據(jù)試驗數(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)。

為了能更準確描述一個工作循環(huán)內(nèi)燃燒扭矩的動態(tài)過程，通過一個隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的形函與平均指示扭矩相乘，實現(xiàn)氣缸僅在做功行程輸出扭矩。根據(jù)此扭矩計算的轉(zhuǎn)速可以作為發(fā)動機失火檢測的依據(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

摩擦扭矩的計算公式為

TqFric=fn,TEng。

(15)

式中：TEng為發(fā)動機溫度。

1.5曲軸動力學模型

曲軸動力學模型用于計算發(fā)動機轉(zhuǎn)速。將系統(tǒng)簡化為柴油機、負載、起動機3個回轉(zhuǎn)質(zhì)量以及無慣性聯(lián)軸節(jié)構(gòu)成的當量系統(tǒng)。根據(jù)牛頓第二定律，發(fā)動機轉(zhuǎn)速計算公式為

(16)

式中：TqEng為發(fā)動機指示扭矩；TqExt為外部扭矩，包括起動機扭矩和負載扭矩，在測功機模式下負載扭矩為測功機扭矩；JEng為發(fā)動機當量轉(zhuǎn)動慣量；JExt為外部慣量，包括起動機慣量和負載慣量，在測功機模式下負載慣量為測功機的轉(zhuǎn)動慣量。

由于篇幅原因，本研究不再對系統(tǒng)的其他模型如冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、起動機、測功機、傳動系統(tǒng)等的建模原理進行詳細介紹。

2 模型實現(xiàn)

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

建模發(fā)動機的基本參數(shù)見表1。利用發(fā)動機臺架試驗獲得一組萬有特性數(shù)據(jù)，對開發(fā)的實時仿真模型進行參數(shù)化。

圖7 柴油機Simulink模型

發(fā)動機型式四沖程、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標定扭矩/N·m810標定轉(zhuǎn)速/r·min-11300發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速/r·min-1600單缸循環(huán)噴油次數(shù)2

3 仿真試驗

為了驗證開發(fā)的實時仿真模型的精度，對柴油機模型進行起動過程和測功機工況下的穩(wěn)態(tài)仿真測試，并將仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行了對比。

3.1起動-怠速工況

設置模型怠速為600 r/min，發(fā)動機在空載下起動。圖8示出模型起動時發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化過程，由圖可以看出，起動后5 s左右發(fā)動機轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定，并維持在怠速600 r/min，與真實數(shù)據(jù)完全一致。

圖8 柴油機起動過程

3.2測功機工況

將模型設置為測功機模式，調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷，獲得柴油機的萬有特性仿真數(shù)據(jù)，并與試驗數(shù)據(jù)進行比較，對比結(jié)果見圖9。由扭矩相對誤差(見圖10)可以看出，模型計算值與試驗數(shù)據(jù)誤差基本都在6%以內(nèi)。

圖10 柴油機萬有特性扭矩相對誤差

4 結(jié)束語

通過對柴油機各系統(tǒng)進行簡化處理，采用半物理建模方法建立了大功率高壓共軌柴油機的實時仿真模型。仿真結(jié)果表明，所建立的柴油機模型滿足仿真精度的要求，可以應用于控制器的HIL測試，能夠完成其控制功能的驗證，此模型還可以用于發(fā)動機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

孟長江(1970—)，男，研究員，主要研究方向為發(fā)動機控制系統(tǒng)及內(nèi)燃機測試儀器；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]