（动力机械及工程专业论文）汽油机平均值模型的建立及试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 在“节能减排 成为当前全球热点的时代背景下，本文首先介绍 了混合动力汽车的发展现状。结合国家“8 6 3 ”重大项目“新型 电容混合动力轿车整车产品研发 ，对发动机的各种建模方法作了全 面的研究和比较。采用较为成熟和完善的“发动机平均值模型 的建 模方法和思想，针对本混合动力系统中的1 5 升排量的汽油机，建立 了完整的发动机平均值模型，对混合动力系统中多能源管理系统的开 发以及发动机性能预测具有较高的实用价值和指导意义。 本文首先建立了传统汽油机的平均值模型，其中主要包括三部 分：进气歧管模型，燃油蒸发模型和动力输出模型。对进气歧管的“充 排效应 ，沉积于进气歧管壁面上的油膜所产生的“湿壁效应 以及 发动机指示热效率等重要现象和参数作了详细的探讨和分析，初步建 立了发动机平均值模型的总体框架。 在传统发动机平均值模型的基础上，从热力学第一定律和能量守 恒定律出发，建立发动机的热模型。该模型可以预测发动机各部分的 温度，尤其是发动机冷却液温度的变化过程。在此基础上，分析了缸 内燃油分布和传递过程，建立了发动机冷起动过程中的碳氢排放模 型。并且建立了包括“温度模型”、“储氧模型 和“转化效率模型 三个子模型在内的三效催化转化器模型，实现了对发动机冷起动过程 中碳氢排放转化效率的准确预测。 通过发动机在稳态工况下的台架试验和冷起动试验，对本文所建 立的发动机平均值模型进行了试验验证。试验结果表明：在典型工况 t 江苏大学硕士学位论文 下，对发动机进气流量，进气压力，冷却液和转矩等参数的仿真误差 可以控制在5 以内；对冷起动过程中碳氢排放的仿真结果也较为精 确，并能反映出碳氢排放的总体变化趋势。 最后，阐述了推迟点火可降低碳氢排放的机理。试验表明：该方 法可以有效缩短三效催化转化器的“起燃时间 ，降低冷起动过程中 碳氢排放。此外，本文还介绍了瞬态油膜补偿策略，阐述和分析了冷 却液温度，节气门开度及其变化率等参数对油膜“湿壁效应的影响。 通过动态油膜补偿试验，证明了油膜补偿策略的有效性和精确性。 关键词：汽油机，平均值模型，排放，点火提前角，油膜补偿 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t 舡e n e r g ys a v i n g e m i s s i o nr e d u c i n g b e c o m et h eh o t s p o tu n i v e r s a l l y , t h e c u r r e n td e v e l o p m e n to fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i n t r o d u c e di n i t i a l l y b a s i n go n t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm a s s p r o d u c t i o no fs u p e r - c a p a c i t o rb a s e dh e v w h i c hi sn a t i o n a l8 6 3k e yp r o j e c t ，v a r i o u sm e t h o d so fe n g i n em o d e lb u i l d i n ga r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d t h ew e l ld e v e l o p e dm o d e lb u i l d i n gm e t h o da n dc o n c e p to f m e a nv a l u ee n g i n em o d e l ( m w m ) i s a d o p t e dt ob u i l dt h em o d e lo f1 5 lg a s o l i n e e n g i n eu s e di nh e v t h i sm o d e lh a ss i g n i f i c a n t l yp r a c t i c a lv a l u ea n dd i r e c t i v e s i g n i f i c a n c ef o rt h ee n g i n ep e r f o r m a n c ep r e d i c t i o na n dd e v e l o p m e n to fm u l t i e n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e mu s e di nh e v t 0b et h eb a s i so ft h ew h o l ee n g i n em o d e l ，t h et r a d i t i o n a lm v e mi sb u i l tf i r s t l y a n di tc o n t a i n st h r e em a j o rp a r t s ：i n t a k em a n i f o l dm o d e l ，f u e lv a p o r i z a t i o nm o d e la n d p o w e ro u t p u tm o d e l t h ei m p o r t a n tp h e n o m e n aa n dp a r a m e t e r s ，s u c ha s ，f i l l i n g & e m p t y i n ge f f e c tw i t h i ni n t a k ep i p e ，w a l l - w e t t i n ge f f e c tc a u s e db yf u e lf i l md e p o s i t e d o nt h ei n n e rw a l lo fi n t a k em a n i f o l da n di n d i c a t e dh e a te f f i c i e n c ya r ed i s c u s s e da n d a n a l y z e di nd e t a i l t h et r a d i t i o n a lm v e m i sc o n s t r u c t e da sab a s i cf r a m e b a s e do nm v e ma n d1 或l a wo ft h e r m o d y n a m i c sa sw e l la sl a wo fe n e r g y c o n s e r v a t i o n ，t h et h e r m a lm o d e lo fe n g i n ei sb u i l t t h i sm o d e lc a ni n d i c a t e st h e t e m p e r a t u r eo fe n g i n ec o m p o n e n t s ，e s p e c i a l l yt h ee n g i n ec o o l a n tt e m p e r a t u r e b a s e d o nt h et h e r m a lm o d e la n da n a l y z i n gt h ed i s t r i b u t i o na n dt r a n s f e ro ff u e li nc y l i n d e r , t h eh y d r o c a r b o n ( h c ) e m i s s i o nm o d e li sp r o p o s e d t h et h r e e - w a yc a t a l y s tm o d e l w h i c hi n c l u d e s t e m p e r a t u r es u b m o d e l ，o x y g e ns t o r a g es u b m o d e la n dc o n v e r s i o n e f f i c i e n c ys u b m o d e li s a l s op u tf o r w a r d t h i sm o d e li sa b l et o p r e d i c tt h eh c e m i s s i o nd u r i n gc o l d - s t a r tp r o c e s sp r e c i s e l y t h ea b o v em e n t i o n e de n g i n em o d e li sv e r i f yb yd y n a m o m e t e rt e s ta n dc o l d s t a r t e x p e r i m e n t ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sm o d e lg i v e sag o o dp r e c i s i o no fv a r i o u se n g i n e p a r a m e t e r s u n d e rs o m et y p i c a lc o n d i t i o n s ，t h es i m u l a t i o ne r r o ro fi n t a k ea i rf l o w , i n t a k ea i rp r e s s u r e ，e n g i n ec o o l a n tt e m p e r a t u r ea n dt o r q u eo u t p u ti sl e s st h a n5 b e s i d e ，t h eh ce m i s s i o nv a l u e sa n dt e n d e n c yd u r i n gc o l d - s t a r tc a na l s ob es i m u l a t e d a c c u r a t e l y f i n a l l y , t h em e c h a n i s m o fh cr e d u c t i o nb yr e t a r d i n gs p a r ka d v a n c ei si l l u s t r a t e d ， t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a ne f f e c t i v e l ys h o r t e n l i g h t o f f t i m e o ft h r e e w a yc a t a l y s ta n dr e d u c eh ce m i s s i o nd u r i n gc o l d s t a r t i na d d i t i o n ，t h e t r a n s i e n tf u e lc o m p e n s a t i o ns t r a t e g yi sp r e s e n t e d t h ei n f l u e n c i n g f a c t o r si n c l u d m g e n g i n ec 0 0 1 a i l tt e m p e r a t u r e ，t h r o t t l ep o s i t i o n a n di t sc h a n g i n gr a t e 。n 刚l w e t t i n g e 骶c ta r ea l ls m d i e d t h et r a n s i e n tf u e lf i l mc o m p e n s a t i o ne x p e r i m e n t c o n f i r m st h a t m i sf i l e lf i l mc o m p e n s a t i o ns t r a t e g yh a s 。u t s t a n d i n g e f f e c t i v e n e s sa n dp r e c i s i 。n k e yw o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ，m e a n v a l u ee n g i n em o d e l ，e m i s s i 。n s ， s p a r ka d v a n c e ，f u e lf i l mc o m p e n s a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年解密后适用本授权书 不保密回 学位论文作者签名： 尹嘲 沙。7 年6 月7 日 指导教师签蒯 嘲形月7 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 醐：垆钿夕日 步硼 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 发展混合动力汽车的时代背景 本文研究的对象是_ 台混合动力车用汽油机。目前全球油价飞涨，能源危机 日益凸显，已经进入了“高油价”时代，同时出于环保的需要，世界各国不断提 高汽车排放法规的标准。各国政府和企业纷纷瞄准电动汽车( 包括纯电动汽车， 混合动力汽车和燃料电池汽车) ，以期减少对石油资源的依赖和减少汽车尾气的 排放。 随着汽车工业的快速发展，汽车的生产量和保有量急剧增加，汽车排放污染 已成为大气污染最主要的根源，严重地危害着人类的健康。据研究表明f 1 1 ，目前 大气中3 8 5 的一氧化碳( c o ) 、2 1 7 的碳氢化合物( h c ) 、8 7 6 的氮氧化物 ( n o x ) 、1 1 7 的二氧化碳( c 0 2 ) 、6 2 的二氧化硫( s 0 2 ) 、3 2 的微粒物( p m ) 来自汽车尾气排放。而在市区的大气中，6 1 的c o 、8 7 的h c 、5 5 的n o x 来自汽车尾气排放。因此解决汽车排放对环境污染的危害，已成为世界各国多年 来一直关注的主要问题。 经济的蓬勃发展对燃料的旺盛需求和国内外油价长期倒挂使得我国对石油 资源的进口量持续上升。包括原油、成品油、液化气和其它油品在内的石油净进 口量在2 0 0 6 年跃增1 8 以后，2 0 0 7 年又同比增加了8 4 。2 0 0 7 年中国g d p 增 长了1 1 4 ，而同期的石油消费量增幅为5 5 ，由2 0 0 6 年的3 4 8 8 亿吨增加到 3 6 7 9 亿吨，而2 0 0 7 年的石油净进口量创纪录地达到1 8 3 5 亿吨，由此测算，2 0 0 7 中国的石油净进口量占消费量的比例，即石油进口依存度首度超过了5 0 。2 0 0 8 年中国国内经济仍将保持较快速度的增长，运输燃料、化工原料以及重大基础设 施的建设将带动油品需求的继续稳定增长，2 0 0 8 年我国的石油进口量极有可能 将突破2 亿吨。预计到2 0 1 0 和2 0 2 0 年，中国石油消费量将分别达到4 7 亿吨和 5 6 亿吨，分别比2 0 0 6 年提高1 7 4 2 和6 2 4 7 7 1 。 “节能与减排 已经成为关系到我国能源战略安全和可持续发展的重大课题。 而混合动力汽车以其较高的能量利用效率和较低的污染物排放，越来越成为全球汽 车行业发展的主流趋势之一，并且受到各国政府的大力支持和资助。混合动力技术 江苏大学硕士学位论吏 对传统的发动机技术具有良好的继承性，丌发成奉低，其有庞大的潜在h 场。于 受到蓄电池技术、反应膜催化剂技术以搜成本高昂等凼素的制约，纯电动汽车和燃 料电池汽车的发展相对缓慢，混合动力汽乍的研发正成为电动汽车发展的主流。 12 混合动力车用发动机建模的意义 随着汽午电控系统的广泛应h j ，对汽车控制系统的功能和可靠性的要求越米 越岛。任激烈的竞争环境卜，世界苒大汽午厂商都在追求快速m 灵活地jf 发汽车 的电气和控制系统，缩短研发周期以及降低研发成奉。传统的丌发模式由f 其固 有的缺陷难以满足当前的需求。这就需要利_ j 甚于罔形建模、快速原型和代码f 1 动，e 成等先进的丌发技术和方法，构建无缝衔接的集成式一体化开发平台。 现代汽乍控制系统的开发方法，也称v 型模式”发流利，如图1 4 所不其 j r 发流程包括：功能设计与离线仿真，快速控制原型，自动代码生成，硬件在环 仿真和整下标定测试。这五个流程构成了从功能性设计、软件编写、可靠性测试 别最终标定的汽车电拧系统 发的体化解决方案。 l 一文 功能设计 离线仿真 _ 标定测试 ，k oo ，蠹、 p 遵在制厦型 硬1 斗 。1 r 自 r - 立。：1 f j 牛吒 】拍，牛静f 图14v 型开发流程圈 f i m i r e l 4 t i l e f l o wc h a t o f v 哼衅d e v e l o p m e n t 在v 模式的功能设讣与离线仿真阶段，控制器的设计人员首先利用计算机 辅助开发软件，根据混合动力整车控制器的功能和需求建立可| 三l 执行控制算法的 模型和状态流程蚓，对电控系统的功能进行定义；此外，建立被控对象的功能模 型，利用计算机辅助开发软件的仿真和分析功能，对整个功能设计进行离线仿真 和分析，可以在短时间内验证控制算法设计的可行性，修正控制算法与功能要求 之问不符之处，初步建立混合动力罄车电控系统的控制算法和控制策略。 在本课题混合动力汽车的研发过程中，引入了多能源管理系统，对发动机、 江苏大学硕士学位论文 电动机、超级电容储能元件等单元进行全局控制，通过对发动机和电动机的输出 扭矩进行协调和管理，实现多动力源输出扭矩的平滑耦合， 传统汽车的节气门由驾驶员通过加速踏板进行机械的控制，加速踏板的位置 直接决定了节气门的开度。而在混合动力汽车中，考虑到发动机和电动机的动力 耦合，特别是在加速过程中电机需要实现助力功能，需要对发动机和电动的输出 转矩进行精确控制，才能使车辆具有更好的动力性和舒适性。因此采用了“线控” ( d r i v e nb yw i r e ) 节气门技术，即加速踏板不直接与发动机节气门相连，而是 通过一个位置传感器，将驾驶员的加速需求传输给e c u ，由e c u 根据驾驶员的 需求并结合汽车的实时参数，最终决定节气门的丌度和打开速度。这对发动机的 建模和仿真提出了新的要求。 本文建立的发动机平均值模型不但可以用于实现混合动力多能源管理系统 中控制策略的验证，而且在通过精确标定后，在某些传感器失效时，可以为e c u 提供虚拟传感器( v i r t u a ls e n s o r s ) 信号，预测发动机的实时参数并提供给混合 动力多能源管理系统，保证系统的正常工作。 1 3 发动机建模的研究现状 按照建模的理论基础划分，发动机的建模方法可分三类：基于物理分析建模、 经验模型和混合模型。其中物理分析模型包括了计算流体力学模型和平均值模 型；经验模型包括多项式回归分析或插值模型、神经网络模型和基于模糊控制规 则的模型；混合模型是基于混合系统理论和模块化建模理论的模型。由于采用的 建模方法和侧重点的不同，模型的复杂程度和适用范围也差异很大，下面对这些 建模方法进行介绍。 计算流体力学模型是最复杂也是能最详尽描述发动机流体动力学特性的模 型。这种建模的方法是将研究对象划分为数万个( 甚至更多的) 控制体单元，利 用微分方程来描述每一个控制体单元的特性。此方法的缺点在于对这些数量庞大 的微分方程进行求解需用大量的计算时间，因此无法用于混合动力汽车系统的实 时控制。目前常见的用于发动机计算流体力学计算的软件有：f i r e ，f l u e n t ，k i v a 和s t a r c d 等。 利用平均值建模的思想最早由r a s m u s s e n 在其博士论文【1 1 】中提出，后经 3 江苏大学硕士学位论文 a q u i n o i l 2 1 、p o w e l l t l 3 l 等人发展，最后由丹麦技术大学的h e n d r i c k s 1 4 1 1 5 】进行了系 统的总结与整理，给出了完成的模型和通用表达式。发动机的平均值模型忽略了 不同曲轴转角所对应的缸内变化，对各缸的工作状念进行了平均化处理，是一种 基于时间的控制模型。由于该模型具有较少的参数和较低的阶次，且具有较高的 整体精度，并能够对发动机的动态响应进行模拟，因此在实际中得到了广发的应 用【1 6 1 。进过十几年的发展，学者们对平均值模型进行了深入的研究和完善，进 一步提高了模型的精度。例如：w e e k s t l7 】利用平均值模型建立了用于实时控制的 汽车发动机模型，h e n d r i c k 1 8 】提出了稳态和瞬态工况下平均值模型的空燃比控制 策略。c h e v a l i e r t l 9 】【加】对平均值模型的进气系统进行的细分，建“多态”进气歧 管模型并引入了卡尔曼滤波器，最终成功地将模型的误差减少到2 以内。 经验模型优点在于建模时间较短，但是模型的精度在很大程度上取决于建模 者的工程经验和理论水平。m e c h e l e l 2 1 】利用稳态数据的回归分析建立了空气流量 模型。m a j o r a l 2 2 1 提 了基于神经网络的燃油喷射控制模型。 混合建模将发动机划分为众多不同的子模型。混合建模是包含离散模型、连 续模型、有限状态机的混合系统描述。该建模方法过于简化，忽略了发动机某些 重要的物理特征，可读性差，可以说混合系统理论本身还处于发展之中，尚有许 多理论问题亟待解决。 本文选择平均值模型作为混合动力车用汽油机的建模方法，主要原因包括以 下两个方面：首先，在发动机的电控系统，尤其是混合动力汽车的多能源管理系 统中，对发动机控制的实时性要求较高，需要模型具有较快的动态响应和较短的 计算周期，以满足硬件在环仿真的适用要求。其次，平均值模型经过十多年的发 展和完善，不但具有较高的仿真精度，而且计算过程简单，无需求解大量的微分 方程组和迭代计算，通过简单的数学公式和图表插值，就可以准确描述出发动机 的各项主要性能。将平均值模型植入到混合动力的多能源管理系统中，可以大大 节约了e c u 有限的硬件和软件资源，符合混合动力控制系统的使用要求。计算 流体力学模型由于需要进行大量的计算和迭代，虽然具有比平均值模型更高的仿 真精度，但是其计算周期冗长，难以满足实时控制的需求，而仅适合离线仿真， 大量应用于对燃烧过程进行匹配和优化。 在发动机平均值模型的建立和完善的过程中，大量的试验工作是必不可少的 4 江苏大学硕士学位论文 环节。发动机的平均值模型使用了大量的经验公式和m a p ，虽然相关参考文献 中给出了一些参考值或经验值【1 5 】，但是发动机的具体结构参数和性能指标千差 万别，若要得到准确的仿真结果，必然依赖于大量的标定工作，诸如：发动机万 有特性的测量。反之，通过建立准确的发动机平均值模型，对后续的混合动力整 车性能的预测，多能源管理系统控制策略的开发有具有较高的指导意义。 1 4 本文的主要内容 作为国家“8 6 3 计划项目“新型电容混合动力轿车整车产品研发的组成 部分，本文针对该混合动力汽车使用的j i a 7 9 q a 汽油发动机，建立了发动机平 均值模型，并进行了发动机的台架标定试验和瞬态测试。建立的平均值模型实现 了对发动机各项参数的准确预测，并为后续的混合动力整车仿真模型的建立、混 合动力车用多能源管理系统的开发以及基于d s p a c e 的“硬件在环仿真 奠定了 坚实的基础。本课题的主要工作包括： 1 ) 建立了传统的发动机平均值模型。该模型包括：进气歧管动力学模型， 油膜蒸发动力学模型以及动力输出模型。研究了不同发动机工况下，转速和节气 门开度对进气质量流量和进气歧管压力的影响；分析了进气歧管内油膜蒸发的动 态特性，对瞬态工况下发动机空燃比的波动原因做出了较为深入的阐述；探讨了 不同点火提前角、空燃比等参数对发动机输出转矩的影响。 2 ) 建立了发动机的冷却液温度模型。作为影响发动机运行的重要参数之一， 发动机冷却液温度直接关系到发动机燃烧效率、冷起动和暖机排放等诸方面性 能。同时作为判断发动机工况的重要参数之一，发动机冷却液温度也是混合动力 电控系统所需要采集的重要信号。在此基础上，建立发动机冷起动和暖机过程的 h c 排放模型，对冷起动和暖机过程中h c 的形成和排放机理作了较为细致的研 究，对降低发动机冷起动排放具有指导性意义。 3 ) 建立了三效催化器的三个子模型：温度模型、储氧模型和转化效率模型。 该三效催化器模型主要考虑了温度和空燃比对转化效率的影响，具有结构简单， 精确较高的优点，能够满足整车仿真和硬件在环仿真的需要。 4 ) 参加了发动机台架试验和瞬态油膜补偿试验，研究了降低冷起动h c 排 放的措施，以及瞬态工况下空燃比波动的补偿方法。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章传统发动机平均值模型的建立 本文所建立的传统发动机平均值模型主要由三部分组成：进气歧管模型，油 膜蒸发模型和动力学模型。该模型是一种既可以描述发动机稳态工况也可以描述 瞬态变化过程的物理模型。该模型的特点是：表达式简单，易于理解；适用范围 广泛，能够满足从整车的l j 期控制策略开发到后期模型验证的使用需要；采用模 块化建模的思想，便于修改和完善，可以与其它混合动力模型及整车模型实现无 缝衔接。 在发动机平均值模型系统中包括三种变量，分别为：输入量、状态量和输出 量。一般而言，输入量有节气门开度、喷油量、点火提前角等。而状态量和输出 量可以根据实际用途灵活选取。例如：就油膜模型而言，可以将油膜厚度作为状 态量，将进入气缸的燃油量作为输出量，而在动力学模型中，又可以将进入气缸 的燃油量作为状态量，将发动机转速和空然比作为输出量。 在发动机平均值模型中，输入量和输出量之间存在着两种基本关系t 瞬间完 成态和连续发展态。瞬间完成态的关系是指状态量在不超过输入量变化时间的一 倍或数倍的时间内即可达到稳定的状态，此关系可以采用数学表达式进行描述， 例如：喷油量和燃烧热量之间的关系。而连续发展态是指状态量需要十倍于( 甚 至更长时间) 输入量变化时间才能达到平衡状态的关系，所以需要用微分方程来 进行描述，例如：节气门开度和转速变化之i 、日j 的关系。 2 1 进气歧管模型 2 1 。1 节气门处的空气流量模型 早期的发动机平均值模型中【1 5 】，采用了一维可压缩流体的收缩喷管模型来 近似模拟节气门处的空气流动，为进一步提高模型的精度，h e n d r i c k s1 1 9 】提出了 双通道的节气门空气流动模型( 如图2 1 所示) ，该模型将节气门体处的空气流 动划分为上下两组独立且平行的空气流：区域d 的主流( d o m i n a n tf l o w ) 和区 域s 的从流( s u bf l o w ) ，两股空气流分别从节气门两侧流过节气门以后，在节 气门背后重新汇合成一股空气流。 6 江苏大学硕士学位论文 ：| | 妻誊霉一| i p m t m ，抟 j 6 一一 飞l 一 0 p m h i d翰 t m l 一一 图2 1 节气门处双通道空气流动模型 f i g u r e2 1 d o u b l ec h a n n e l sa i rf l o wm o d e la tt h r o t t l e 由于两个流场的相互作用，使亚音速等熵流动的压比范围从原来的0 5 2 8 3 - 1 扩展为0 4 1 2 5 - - - 1 。假设节气门处的空气流动只与节气门开度和节气门前后的 压比有关，则得到如下的节气门处空气质量流量方程： 式中： 式中： 磊讲( 口，p r ) = m a t l p - - 茏届( 口) 履( p ，) ( 2 - 1 ) l ( 口) = 1 - a a c o s ( a ) + a 2 c o s 2 ( 口) 纷 吁m 胛搬裂 制南， 岛= 厮 m 耐一流经节气门的空气流量，k g s ； 7 江苏大学硕士学位论文 p 广为周围环境中的大气压力，p a ； t 。一为周围环境中的大气温度，k ； p 广为节气门前后的压比，p r = p m p 。，p m 为进气歧管压力，p a ； m a t l 一为试验拟合参数，本文选取为m a t l = 5 9 ，其它参数值如下【1 5 】： a l = 1 4 0 7 3 ，a 2 = o 4 0 8 7 ，p l = o 4 4 0 4 ，p 2 = 2 3 1 4 3 ，p n = o 7 4 0 4 ，p c = 0 4 1 2 5 从式( 2 1 ) 中可以看出，流经节气门处的空气质量流量被分解为关于节气 门开度方程层( 甜) 和压比方程履( b ) 的乘积，将原本复杂的变截面流动简化为气 体在收缩喷管中的一维等熵流动过程，并且包含了具体了物理意义。c h e v a l i e r l l 9 1 对进气模型又做了进一步研究，将进气歧管压力的采样值视为周期性波动的变 量，采用一阶泰勒公式将进气歧管压力进行多项式的展开，以替代原始进气歧管 压力的数值，可以有效降低进气噪声对仿真精度的干扰。在特定工况下，能将模 型的精度提高3 0 左右，但该种方法需要对数据进行大量拟合运算，大幅提高了 模型的复杂程度，适用于对仿真精确较高的场合。节气门仿真模型如图2 2 所示。 b e t a l 图2 2 节气门处空气流动仿真子模型 f i g u r e2 2 t h es u b m o d e lo f a i rf l o wa tt h r o t t l e 2 1 2 进气门处的空气流量模型 进入气缸的空气质量流量直接关系到进入气缸参与燃烧的燃油量，进而决定 了发动机的输出转矩和转速，是发动机平均模型中重要的状态量之一，该值一般 根据“速度密度法”计算得到，进气量与发动机转速、充量系数、进气压力、 发动机排量以及进气歧管内的空气温度等参数有关【刎，其表达式为： 8 江苏大学硕士学位论文 式中： 拈盎( 印 1 2 0 尺l 一 ( 2 2 ) m 叩一进入汽缸的空气量，k g s v 一发动机排量，m 3 ； i o 气体常数，j ( k g k ) ； k 一进气歧管内气体的温度，k ； e 。一充量系数； p i _ 进气歧管内气体的压力，p a ； n 一发动机转速，r r a i n ； 式( 2 2 ) 中，充量系数一般通过标定试验，由“转速节气门开度充量系统” 组成的三维m a p 插值得到。而h e n d r i c k s 采用经验公式对充量系数进行近似的 计算，通过严格的推导得出以下的表达式 2 3 1 ： = 击 c 等一等等渤一志 淫3 ) = s l p 。一y i 式中： r 进气冲程中，进气温度的变化量； t m - 进气歧管温度； p 瑚气气管内气体的压力； b 一绝热指数，k = i 4 ； r _ 压缩比； 驴进排气门迭开时的缸内气体平均温度； m 删进排气门迭开时的气体质量损失； p m 进气歧管内气体的密度； p c 一排气管的背景压力； 仁去p 9 江苏大学硕士学位论文 假设某典型工况如下，a t = 1 5 k ，t m = 3 0 0 k ，r = 1 0 ，p e = 1 0 5 b a r ，t = 0 9 ， t o v = 1 0 0 0 k ，进排气门迭开时气体体积损失占缸内气体总质量的5 。计算结果 为：s i 卸9 5 2 ，p i 如0 7 9 3 。因此式( 2 3 ) 简化为： 0 如= 0 9 5 2 p m 一0 0 9 7 3 ( 2 4 ) 从式( 2 4 ) 可以发现，充量系数和进气歧管压力的乘积( e v p m ) 只与进气 歧管压力p m 成正比关系，而不涉及转速对充量系数的影响，故模型的复杂程度 大大降低，而误差在6 以内【矧，能够满足工程应用的要求。式( 2 4 ) 第一次 通过理论计算和推导的方法得到了发动机充量系数的经验公式，具有较高的理论 价值和指导意义。在具体建模和仿真过程中，可以根据具体的试验条件，灵活选 择经验公式或标定m a p 的方法获取充量系数的数值。 2 1 3 进气岐管压力模型 在发动机的进气系统中，空气从节气门流入，经过进气歧管最终进入气缸。 根据质量守恒定律可以得到进气歧管内空气质量流量方程： = ；一 ( 2 5 ) 而理想气体状态方程为： p v = m r t ( 2 - 6 ) 将式( 2 - 5 ) 和式( 2 6 ) 联立，得到进气气管内空气的压力变化率为： 蠢= 等( 五，( o f , ) 一面( t l , ) ) = 等五，c o f , 驴丢 ， 式中f = i 么u v m 为进气歧管的时间常数。 亿万巳 值得一提的是，在通常的发动机平均值模型中，假设进气歧管内的气体流动 为等温过程，即z 肼= o ，称为“单态( o n e s t a t e ) ”模型。而在文献【1 9 】中，作 者为提高瞬态工况下模型的精度，根据进气歧管的质量和能量守恒方程，建立了 “双态( t w o s t a t e ) 和“四态( f o u r - s t a t e ) ”进气系统模型。其中双态模型不 但考虑了进气压力的变化，而且考虑了进气歧管内的空气与管壁换热等因素产生 的温度变化；四态模型对进气系统的几何结构作了进一步细分，将其划分为进气 江苏大学硕士学位论文 总管稳压箱和进气歧管两部分，再分别计算两者的温度和压力变化。车用发动机 进气温度的升高主要是由于受气缸内气体回流以及管壁传热等因素影响，结果进 气温度变化不大，一般可忽略不计。而对于采用e g r 的发动机而言，由于高温 排气直接与新鲜空气进行混合，温度变化明显，改变了进气系统内空气密度和比 热，进而影响进气质量流量，因此就不再适用将进气过程视为等温过程的“单态” 模型，需要另作计算，追加引入进气温度的模型。 由式( 2 2 ) 式( 2 7 ) 建立的整个进气歧管空气动力学系统如图2 3 所示： 其中“增益模块k ”包含了理想气体状态方程，将进气的质量变化率换算为压力 变化率；“函数模块f ( u ) ”包含了“速度密度法”的方程，根据发动机转速和进 气歧管内的压力等参数计算得到进入气缸空气的质量流量；“积分环节1 s ”包含 了发动机进气歧管的初始压力数值，根据压力变化率积分得到进气歧管的瞬时压 力值；左侧的“d m a t d t ”子系统包含了节气门处空气流动的动力学方程，输出量 为流经节气门处的空气质量流量；整个模块的输入量为节气门丌度和转速，输出 量为进入气缸的空气质量流量和进气歧管内的压力。 图2 3 进气歧管空气动力学模型 f i g u r e2 3 t h ed y n a m i cm o d e lo f a i rf l o wi ni n t a k em a n i f o l d 2 2 油膜蒸发及非线性瞬态油膜补偿器模型 对于采用了三效催化装置的汽油发动机而言，空燃比的精确控制对排放起着 至关重要的作用，因为在发动机运行时，三效催化剂只在理论空燃比k = 1 4 7 附 近很狭窄的范围内( 称为“催化窗口 ) 才能对排放物进行有效地氧化和还原， 实际空燃比一旦超出上述的“窗口地带 ，三效催化剂对有害排放物的转化效率 大大降低，直接影响了发动机的排放性能。而汽油机的燃油从喷油器喷出以后， 并没有全部进入气缸内，还有一部分燃油沉积于进气歧管内壁上形成“油膜 ， 江苏大学硕士学位论文 这就足所谓的“湿壁效应”，如图2 4 所示。 图2 4 湿壁效应示意图 f i g u r e2 4 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fw a l l - w e t t i n ge f f e c t 作为建立油膜蒸发模型的提前和基础，有必要对稳态和瞬态工况下的油膜对 空燃比的影响作简要的论述，为此提出油膜的两个重要参数，油膜沉积比例系数 x 和油膜蒸发时问常数z f ，前者是指沉积在进气歧管壁面形成油膜的燃油质量占 燃油喷射总质量的比例，后者是指进气歧管壁面上液态的油膜蒸发为燃油蒸汽所 需的时间。 假设油膜沉积比例系数x = 4 0 ，在稳态工况下，油膜处于动态平衡过程， 油膜的蒸发量等于沉积量，即m f v a p ，如图所示。而在动态工况下( 如d e p ：m f 2 5 节气门突开或突关时) ，这种动态的平衡被打破，使进入气缸内的燃油量不等于 喷油器喷出的燃油量，即m fd e p m fv a p ，如图2 6 和图2 7 所示。 图2 5 稳态工况下油膜的动态平衡示意图 f i g u r e2 5 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fd y n a m i cb a l a n c e o ff h e lf n mu n d e rs t a b l ec o n d i t i o n 0 江苏大学硕士学位论文 图2 6 加速工况下，油膜变化的示意图 f i g u r e2 6 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ff u e lf i l mv a r i a t i o nd u r i n ga c c e l e r a t i o n 图2 7 减速工况下，油膜变化的示意图 f i g u r e2 7 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ff u e lf i l mv a r i a t i o nd u r i n gd e c e l e r a t i o n 加速时，节气门的开度突然增大，由于进气管内压力的增加，使燃油汽化速 度降低，使沉积在壁面上的燃油增多，这部分沉积的燃油需要一定的时间才能汽 化，因此加速时，实际进入气缸内的燃油量不足，使混合气变稀，为满足空燃比 要求，需要加大喷油脉宽，进行加速加浓。与加速工况相反，减速时节气门的开 度迅速减少甚至关闭，而发动机的转速由于惯性影响依然保持在较高的水平，使 进气管的压力急剧降低，加速了进气管壁上油膜的汽化速度，油膜丌始大量的蒸 发并被抽吸到气缸内，导致混合气瞬间变浓，严重时甚至会因为空燃比过低而发 生较为明显的燃烧循环波动。因此在减速时，应该减少喷油量。此外在实际的燃 油喷射过程中，燃油喷射一般在发动机的进气门关闭时进行，并尽量将燃油喷射 在进气门的背面，这样做的目的是为了有效地利用进气门传导出的燃烧热量对油 膜进行加热，加快油膜的蒸发，降低“湿壁效应”对发动机排放产生的不良影响。 江苏大学硕士学位论文 2 2 1 油膜蒸发的数学模型 目前通用的油膜蒸发模型由a q u i n o 于1 9 8 0 年最先提出【1 2 1 ，他在一台进气 总管单点喷射( c e n t r a lf u e li n j e c t ，c f i ) 发动机上进行了试验，研究了油膜的蒸 发机理并建立了相应的数学模型，将油膜中的燃油质量作为油膜蒸发系统的主要 状态量；e l b e r th e n d r i c k s 和t h o m a sv e s t e r h o l m 等人幽1 通过对进气总管单点喷射 ( c f i ) 和进气道多点喷射( m u l t i p o i n ti n j e c t i o n ，m p i ) 两种发动机进行的试验， 在a q u i n o 模型的基础上做出了进一步的改进，将油膜的燃油质量流量作为状态 量，使模型的物理意义更趋明显，并提出了非线性瞬态油膜补偿( n o n l i n e a r t r a n s i e n tf u e lf i i mc o m p e n s a t i o n ) 的理论模型和控制策略，对瞬态工况下空燃比 的变化做出补偿，可以有效防止瞬态工况下发动机空燃比的波动；浙江大学的邹 博文在其博士论文中i 冽，推导了在两种不同喷射正时( 进气门打开和进气门关 闭) 情况下的油膜蒸发模型，给出了适用于上述两种喷油正时的统一数学模型： 二扩：三二户一m b ) ( 2 - 8 a ) t f 臃声- - ( 1 - x ) 班声 ( 2 - 8 b ) 聊，= m f l ，+ m 扩 ( 2 - 8 c ) 式中： 肌扩一油膜质量的变化率，g s ； m i 一喷油器喷出的燃油流量，g s ； 胁 ，燃油蒸发流量，g s ； m ，- 进入气缸的燃油流量，g s ； x 一油膜沉积比例系数； 0 一油膜蒸发时间常数，s ； 假设模型中的x 和研常数，对方程组( 2 8 ) 进行l a p l a c e 变换，可以得到 油膜蒸发系统的传递函数，输入值为燃油喷射流量，输出值为进入气缸的燃油流 量，由于略去了中间变量，利用传递函数对油膜蒸发模型进行描述，使整个油膜 系统的数学模型更加简明，其传递函数如下： 1 4 江苏大学硕士学位论文 肿竺= 等笋泣9，m 声( s ) ，j 方程组( 2 8 ) 和传递函数( 2 9 ) 是在“时域”范围内对油膜的蒸发模型进 行了理论计算和推导，而发动机的燃油喷射量是根据循环进气量、目标空燃比和 其它修正因