车用增压柴油机瞬态特性仿真研究

车用增压柴油机瞬态特性仿真研究

0汽车排气污染物排放限值的变化目前，大多数大型火炮和商用车都采用了涡旋压技术。通过提高柴油机吸入气缸的空气密度以提高平均有效压力,从而达到提高功率、改善经济的目的。然而,涡轮增压柴油机不像非增压柴油机那样很快响应负荷和速度的突然变化,并随着柴油机增压程度的进一步提高,瞬态特性愈加恶化,排放性能变差。国家环保总局和国家质量监督检验检疫总局共同起草的《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》发布稿,与现行实施的GB17691-2001车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法相比,主要变化体现在:加严了污染物排放限值;改变了测量方法,试验工况由ESC(稳态循环)、ELR(负荷烟度试验)和ETC(瞬态循环)工况所构成,针对不同车种或不同控制阶段,应用不同的试验工况。因此,利用数值仿真的方法研究车用增压柴油机动态特性,可省去发动机台架与整车的多次试验及反复,同时建立柴油机模型也是电控柴油机硬件在环仿真中的重要环节。美国mathworks公司推出的仿真软件MATLAB是一种通用型的仿真软件,它已成为国际控制界应用最广泛的语言和工具。它自带的通用性工具包组件SIMULINK是一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境,不用编写程序,利用方块图实现建模和仿真。它的出现使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素、随机因素,从而大大提高人们对非线性、随机动态系统的认知能力。1增压柴油模型的建立常用的增压发动机动态仿真模型有:容积模型、线性模型、平均值模型等。线性模型非常简单,建模最容易,但其仿真精度较低。容积模型较平均值模型仿真精度高,但由于目前硬件运行速度的限制,在发动机电控领域应用最广泛的仍然是平均值模型。平均值模型较好地兼顾了发动机动态仿真的实时性和精度的要求,适用于电控发动机硬件在环仿真系统中的应用。笔者采用准线性的平均值模型,考虑发动机整体输入输出关系,注重发动机瞬态响应特性,重点描述影响发动机状态参数的平均值随时间的变化过程,利用Simulink建立车用增压柴油机动态仿真模型。如图1所示,将增压柴油机分为发动机本体、压气机、涡轮机、中冷器、燃油系统。新鲜空气通过压气机增压后经中冷器进入燃烧室,与燃油混合燃烧后产生的废气经排气道进入涡轮做功后排入大气,燃油系统控制喷入燃烧室的燃油量。按照划分的子系统分别建立各系统模型。1.1无性系模型1.1.1出压气机出口温度由压气机特性曲线图获取质量流量mc、效率ηc、转速n、压比πc之间的相互关系,根据热力学定律和牛顿定律,可求出压气机出口温度T2和压气机消耗的扭矩Mc,即:T2=T1{1+1ηc[πc(k−1k)]−1}Τ2=Τ1{1+1ηc[πc(k-1k)]-1}Mc=1ηckk−130πncmcRT1[πc(k−1k)−1]Μc=1ηckk-130πncmcRΤ1[πc(k-1k)-1]式中,R为气体常数;k为气体绝热指数;T1为环境温度。1.1.2涡旋模型涡轮机模型与压气机类似,故不详述。1.1.3mtmc、mtt-c由牛顿第二定律可得增压器转子扭矩的平衡方程:Mt−Mc=Jtcπ30dntkdtΜt-Μc=Jtcπ30dntkdt式中,Mt为涡轮扭矩,Mc为压气机扭矩,Jtc为增压器的转动惯量。1.2中冷器设计流量计算T3=T2(1-ε)+εTWΔP=ΔP0(qm/qm0)2式中,T3为中冷器出口温度,TW为冷却介质的入口温度,ΔP为中冷器产生的压降,ΔP0为中冷器在设计工况下时的压力损失,qm0为中冷器的设计流量。1.3发动机模型1.3.1屋顶效率v将充气效率视为发动机转速的函数,由稳态试验数据提供,用最小二乘法编程拟合在整个速度工况下的充气效率曲线ηv=f(n)上。1.3.2气体流量的计算对增压机而言,其扫气系数通常大于1,故常忽略残余废气系数,进入气缸的气体流量按如下公式计算:ma=ρcηvVn/120ρc=Pc/RTc1.3.3空燃比对测定结果的影响通常在运用热力学第一定律计算平均排气温度的方法时都会遇到求排气温度因子的问题,当空燃比大于18时计算结果较准确,小于18时尤其在过量空气系数小于1的恶劣燃烧情况下,计算误差较大。因此,笔者采用平均排气温度由稳态试验数据提供,用曲面拟合的方法求出在每个柴油机转速和齿杆位置下的排气温度,然后利用插值计算每个工况下的排气温度。1.3.4有效输出矩阵由负荷特性试验可以得到柴油机有效输出扭矩与转速和油门齿条位置的关系数组,通过二维插值可以得到各工况点下的有效扭矩Me。1.3.5测功机的负载模型发动机动力学模型与增压器动力学模型类似,故不详述。这里需要说明的是:若将测功机做为负载,则负载模型可用一个阶跃信号代替;若将汽车实际行驶时发动机的制动扭矩作为负载,则需要单独建立发动机的负载模型。1.4加速阻力fj代数和加速阻力fj的代数和代数在汽车行驶过程中,根据发动机所提供的驱动力等于汽车行驶中各种行驶阻力之和,得总的阻力Ft是滚动阻力Ff、空气阻力Fw、坡度阻力Fi、加速阻力Fj的代数和。Ft=Ff+Fw+Fi+Fj式中Ff=GfFw=CDA21.15ua2Fi=GiFj=δmduadtFt=MLigi0ηTr⇒ML=f(ua)式中Ff=GfFw=CDA21.15ua2Fi=GiFj=δmduadtFt=ΜLigi0ηΤr⇒ΜL=f(ua)通过上述负载模型可以建立试验工况下的车速和负载扭矩之间的关系,从而可以模拟发动机的动态工况,计算各性能参数的变化情况。1.5模型建立及仿真燃油系统模型主要以喷油泵为主,建立油泵在转速和负荷(即齿杆位置)作用下的供油量。由于喷油泵也是一个非线性系统,所以喷油泵模型的建立主要依赖于试验数据,由喷油泵速度特性提供的数据利用插值的方法将泵的速度特性曲线化,mf=f(Fr,n)。将上述数学模型在SIMULINK中建立起各部分的仿真模块,建立如图2所示的仿真框图,用阶跃信号来模拟油门及车载负荷、斜坡角度的突变,将仿真结果输出到Matlab工作空间。图3是模拟发动机油门从10%开度突增至100%,在车速稳定后降至60%的发动机转速变化过程。图4是模拟车辆突遇上坡路,车速稳定后减轻负载的发动机转速变化过程。2发动机动态响应仿真笔者在平均值模型的