基于avl和cruise的发动机仿真模型的开发

基于avl和cruise的发动机仿真模型的开发

u2004发酵模型近年来，许多科学家在混合动力汽车的控制策略上进行了研究。在混合动力汽车研发过程中,基于循环工况的整车性能仿真有助于制定和测试混合动力策略,而整车循环工况仿真的准确性依赖于将各个关键零部件性能的仿真控制在允许误差范围之内。发动机参数的准确性直接影响了整个系统的动力性和经济性。AVLBOOST软件可以近似地模拟发动机的工作过程,对于混合动力汽车,发动机工作点分布较广,因此要求发动机模型能够覆盖尽量宽广的万有特性曲线区域。AVLCRUISE软件是由AVL公司开发的整车动力性、经济性以及排放性能仿真软件,通过搭建模块化的模型,可以实现整车系统的快速开发,并且允许用户自定义控制策略,优化匹配动力系统。CRUISE软件具有与FlowersMaster、MATLAB/Simulink及AVLBOOST等软件的接口,可在后台调用这些软件开发出的模型进行联合仿真。与CRUISE软件自带的简易发动机模型相比,优点主要有:参数更加详细;使用变化的边界条件;基于负荷控制的瞬态过程模拟。对于汽油机可以通过控制节气门开度来控制喷油量。文中开发了用于CRUISE-BOOST联合仿真的BOOST发动机模型,通过调整发动机关键参数,标定了发动机动力性及油耗万有特性。同时进行了基于ECE循环工况的联合仿真,验证了混合动力策略。1发动机提高排气效率的模型对自然吸气式多点进气道喷射四缸电控发动机进行建模,其基本参数如表1所示。BOOST发动机模型主要包括进排气系统模型、缸内模型和三元催化转化器模型。进排气系统各个部件都会对发动机的充气效率产生影响,从而影响发动机的油耗和动力性;发动机缸内模型主要为燃烧模型和传热模型。文中传热模型采用经验参数;由于实际的发动机标定软件中没有与燃烧模型参数相对应的参数,因此采用标定的方法确定燃烧模型参数。1.1空气过滤器进排气系统的设计参数主要包括各个部件的温度、压力、直径、长度、夹角以及流量系数等。主要的部件有空气滤清器、进气总管、进气歧管、节气门、排气歧管、排气总管、消声器和三元催化转化器。由于BOOST控件库中不包含节气门,因此采用阻力控件模拟节气门(通过控制其流量系数来模拟节气门的开度)。1.2燃烧模型的确定从BOOST控件库中加入气缸控件,输入参数主要包括:基本参数、传热参数和燃烧参数。基本参数包括缸径、行程、压缩比、连杆长度、活塞销偏置、凸轮型线、气门处流量系数、排气口初始条件和初始混合气成分等。传热参数包括活塞、缸盖和缸套的温度、表面积以及传热模型的选择(Woschni1978传热模型)。气缸内混合气向缸壁传热方程为Qwi=Aiαw(Tc-Twi)(1)式中Qwi为壁面传热量;Ai为气缸内表面积;αw为传热系数;Tc为缸内气体温度;Twi为缸内壁温。压缩行程传热系数为αw=130D−0.2P0.8cT−0.53c×[C1Cm+C2VDTc1Pc1Vc1(Pc−Pc0)]0.8(2)αw=130D-0.2Ρc0.8Τc-0.53×[C1Cm+C2VDΤc1Ρc1Vc1(Ρc-Ρc0)]0.8(2)式中C1=2.28+0.308Cu/Cm,Cu为周向速度,Cm为活塞平均速度;C2=0.00622(非直喷发动机);D为缸径;Pc为发动机缸内压力;Tc为发动机缸内温度;VD为气缸容积;Pc0为倒拖缸压;Tc1、Pc1、Vc1分别为进气门关闭时缸内温度、压力和气缸容积。燃烧参数对发动机的动力性和排放性能影响很大。单区Vibe函数是描述放热特性方便而有效的方法。燃烧模型选用单区Vibe模型,如式(3)所示,其主要参数包括燃烧始点、燃烧持续期、燃烧品质参数和参数a。⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪dxdα=aΔαc(m+1)yme−ay(m+1)dx=dQQy=α−α0Δαc(3){dxdα=aΔαc(m+1)yme-ay(m+1)dx=dQQy=α-α0Δαc(3)式中x为已燃燃油百分比;Q为燃烧总放热量;α为曲轴转角;α0为燃烧始点;Δαc为燃烧持续期;m为燃烧品质参数;a为Vibe参数(a=6.9代表完全燃烧)。α0、Δαc和m均须通过ECU模块给定参数值。1.3能量输出模块在BOOST模型中,ECU模块读入控制参数,通过查表的方式输出控制参数。输入ECU模块的参数有发动机转速或负荷;ECU输出的是影响发动机动力性和燃油经济性的控制参数,包括节气门流量系数、燃烧始点、燃烧持续期和燃烧品质参数。1.3.1群气门开度发动机的进气流量与节气门开度和节气门前后压差有关。BOOST没有直接提供节气门模型,因此选择阻力控件来模拟节气门,通过控制阀门的流量系数模拟节气门开度。阀门的流量系数与节气门开度呈非线性关系,因此通过进气压力找到它们之间的关系。图1为基于试验数据的发动机转速-进气压力-节气门开度对应关系。节气门流量系数标定步骤为:(1)发动机在某一转速下稳定运转,根据已知的节气门全关和全开时的进气压力来调节阀门流量系数;(2)进行同一转速下不同节气门开度对应的进气压力下的流量系数标定;(3)对其它转速点按照上述方法依次标定。节气门流量系数直接影响进气量,从宏观上影响发动机动力性参数。以进气压力间接代表发动机负荷,可以得出在不同负荷和转速下节气门流量系数,如图2所示。1.3.2燃烧过程计算公式采用单区Vibe燃烧模型,其主要参数包括燃烧始点、燃烧持续期和燃烧品质参数。ECU模块中需要输入燃烧始点。发动机标定参数中控制燃烧始点的为点火提前角,发动机转速越高,提前角越大,燃烧始点越提前;反之燃烧始点则推后。燃烧始点与发动机的点火提前角略有差异,但趋势相同,主要影响发动机动力性参数。燃烧始点如图3所示。发动机转速低时,点火提前角小,用曲轴转角表示的燃烧持续期较短;反之燃烧持续期则长。燃烧持续期的范围一般为40～80°CA。在标定过程中发现,转速越高、负荷越大,则燃烧持续期越长,燃烧持续期曲线如图4所示。燃烧品质参数m决定了燃烧放热率曲线的形状。m越小,则燃烧速度越快,压力升高率和最大爆发压力越大,燃油消耗率和排温越低;m越大,则燃烧速度越慢,后燃越严重,燃油消耗率和排温也越高。m的范围一般为1.5～3。在标定过程中发现,燃烧品质参数m对发动机油耗影响很大,其曲线如图5所示。1.3.3燃料模型的标定根据原发动机特性和文献,确定燃烧模型参数的范围和经验值。首先调节燃烧品质参数m,得到与原机大致相当的油耗,再调整燃烧始点直至发动机转矩和功率与原机相仿,要求误差小于8%,最后调整燃烧持续期对动力性和经济性参数进行匹配,然后按照此顺序反复调整至动力性和经济性指标误差小于5%。如果在标定过程中发现动力性参数无法达到原机水平,说明进气量不足或过多,应在调整节气门流量系数后,重新对燃烧模型参数进行标定。首先标定外特性,再标定发动机常用的部分负荷工况,对于发动机很少达到的工况(如高速低负荷和低速高负荷点)或者过低转速等非稳态点,仿真结果的精度要求可适当放宽。由于CRUISE和BOOST的接口为负荷信号,因此ECU中的参数均以负荷信号作为自变量。ECU模型中负荷标定点为0.3、0.4、0.6、0.8、0.9和1,转速标定点为1000、1300、1500、1900、2300、2500、3000、3500、4300、5000、5500和6000r/min,从而保证了模型的精度。各个负荷点和转速点标定完毕后,对转速标定点和负荷标定点之间的点进行仿真结果的验证。1.3.4cu内部控制模式图6为配置完毕的BOOST发动机模型。“R1”为阻力模块,通过限制其流量系数来模拟节气门开度;ECU模块与阀门模块和气缸相连,则在ECU内部可定义输入参数和控制参数。ECU中两种控制模式为发动机负荷信号模式和期望转速模式。在与CRUISE进行联合仿真时,选择负荷信号模式。在CRUISE中调用BOOST发动机模型进行联合仿真,尤其是在混合动力汽车动力系统研发过程中,发动机模型的转矩、功率和油耗的准确性直接影响到整车的动力性和燃油经济性,并且由于混合动力发动机工作点分布区域范围较传统发动机更宽,因此需要验证整个转矩和油耗万有特性。2环境变量和接口设置进行CRUISE-BOOST联合仿真,除搭建BOOST发动机模型和CRUISE系统模型外,还须在CRUISE中设置环境变量和接口。接口设置包括在BOOST发动机模型中设置BOOST计算内核文件(boost.dll)的路径以及模型文件(.bst文件)。CRUISE和BOOST计算交替进行,在每一个时间步长内,CRUISE将即时需求发动机转速和负荷信号传递给BOOST,而BOOST则将计算出的发动机转矩和油耗返回给CRUISE。2.1发动机的负荷图7为JL479QA发动机万有特性试验数据与仿真数据对比。从图中可以看出,仿真数据与试验数据比较接近,发动机油耗经济区(Be≤260g/(kW·h))为:发动机转速1000～4000r/min,发动机转矩在75～115N·m之间,属于中高负荷。发动机常用工况点基本处于中低负荷(转速为1000～3500r/min,转矩为20～70N·m,功率为10～30kW),油耗较高。在强混合动力汽车中,在低速小负荷工况,应尽量减少发动机工作,而以纯电动模式运行,可有效地降低油耗和排放。2.2汽车电控性能测试循环图8为BOOST-CRUISE联合仿真环境,电动/发电一体化电机(ISG)固定在发动机曲轴输出端,ISG作为辅助动力源,由电池供电,配合CVT自动变速器,实现与发动机动力耦合。为了考察此混合动力汽车的动力性、经济性及NOx排放特性,对整车模型以ECE循环工况进行仿真。ECE循环工况主要模拟城市路况,汽车频繁起停,其典型参数如表2所示,仿真结果如图9所示。如图9(a)所示,整车进行了3次起步、加速和减速过程,最高车速分别为15、30、50km/h,总共行驶999m,由于采用无级变速,传动比变化平稳,降低了离合器结合时的冲击造成动力性及排放的不确定性,有利于增加模型准确性。发动机在驻车时停机,对应油耗及NOx排放为零。在城市路况,发动机只在车辆起步时启动,以弥补电机转矩的不足。整个测试循环有3次启动-加速过程,由图9(b)可以看出,每次启动-加速都存在1～2次发动机转速抖动,原因是启动过程中发动机与电机均输出转矩,转矩耦合不平顺导致转速波动,对应车速也存在波动。高温富氧环境有利于NOx生成,且NOx受空燃比影响很大。对于汽油机,在负荷(节气门开度)一定时,NOx直接受喷油量影响,在失火界限范围以内,供油量越大,缸内温度越高,NOx排放越高,同时平均有效压力也越大,即转矩也越大。由图9(c)可以看出,NOx排放跟随发动机转矩变化。动力系统在整个测试循环中大致分为4种工况:驻车、加速助力、纯电动行驶和减速充电。发动机只在启动及加速时工作。在车速较低的稳态路况,汽车以纯电动模式运行。减速时,电机给电池充电(此时电池电量未达充电上限),发动机关闭并且被倒拖。基于ECE循环工况的强混合动力汽车100km综合油耗为4.5L,NOx排放为0.145g/km,较低的油耗来自于以下几方面:(1)发动机只在启动及加速时工作,时间短,且负荷较小,NOx排放很少,对降低油耗贡献很大;(2)采用CVT传动,避免了换挡过程中空燃比变化对NOx排放的影响,同时发动机工作点可以尽量靠近经济油耗区,优化了发动机工况;(3)制动能量回收相当于提高发动机热效率。制动能量回收时发动机停机使得回收效率增大,同时降低了油耗和排放。3发动机燃烧模型通过对发动机实体及三维模型进行测绘,在BOOST中确定了发动机进排气系统和内部主要零部件的尺寸。缸内燃烧和传热直接影响发动机的动力性和经济性,缸内模型采用单区Vibe燃烧模型和Wo