汽油機燃油控制系統聯合仿真

鄧元望，賈國海，左青松，成偉，朱浩，張邦基

(1. 湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙，410082；2. 湖南大學 機械與運載工程學院，湖南 長沙，410082)

汽油機燃油控制系統聯合仿真

鄧元望1,2，賈國海2，左青松2，成偉2，朱浩2，張邦基1,2

(1. 湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，湖南 長沙，410082；2. 湖南大學 機械與運載工程學院，湖南 長沙，410082)

基于 AMESim仿真軟件的發動機仿真平臺 IFP-Engine，建立四缸直噴增壓汽油機仿真模型，在Matlab/Simulink仿真軟件中建立汽油機燃油量智能控制器，聯合AMESim和Simulink仿真軟件仿真，實現對汽油機燃油量的精確控制。仿真結果表明：使用燃油量智能控制器，空燃比可維持在14.7左右，汽油機的最大功率提高5.6%，耗油率降低6.6%。

AMESim仿真軟件；Matlab/Simulink仿真軟件；聯合仿真；空燃比；汽油機

為滿足節能和日益嚴格環保法規的要求，必須對現有的汽油機燃油控制系統進行改進[1]。然而，大多數汽油機燃油控制系統的設計只是采用經驗設計或者只是從單純的控制器設計上進行研究，沒有對汽油機燃油控制系統的熱工機理進行探討，其研究結果有一定的局限性[2?3]。采用專門用于液壓/機械系統建模、仿真及動力學分析的 AMESim仿真軟件可建立汽油機燃油控制系統的物理模型，然后設置相應的參數，可為汽油機燃油控制系統仿真設計提供很好的平臺，并可為很多仿真軟件(如Matlab和ADAMS等)提供無縫連接[4?5]；因此，在AMESim仿真平臺中，基于Matlab平臺的動態系統仿真軟件包的Simulink可借助Matlab的計算功能建立汽油機燃油控制器模型，通過改變仿真參數，能有效地解決汽油機燃油控制系統常規設計中所存在的問題[6?7]。在此，本文作者利用 AMESim仿真軟件的發動機仿真平臺 IFP-Engine，建立四缸直噴增壓汽油機仿真模型，在Matlab/Simulink仿真軟件中建立汽油機燃油量智能控制器；利用 AMESim與Simulink仿真軟件聯合仿真，實現對汽油機燃油量的控制，并利用實驗進行相應驗證。

1 汽油機燃油控制系統聯合仿真模型

1.1 基于AMESim仿真軟件的汽油機模型

AMESim仿真軟件中的發動機仿真平臺 IFPEngine包括壓縮和膨脹數學模型、燃油噴霧混合模型、油滴蒸發模型、傳熱模型等，汽油機燃燒過程的計算可直接調用這些子模型。根據發動機的結構和工作原理，建模時將系統實際元件按功能分成若干部分，在草圖模式下調用IFP-Engine的模塊建立四缸直噴增壓汽油機的模型[8?9]，見圖1。汽油機的參數如下：氣缸缸徑為90.82 mm，行程為76.96 mm，壓縮比為8.6:1.0。

從圖1可以看出：基于AMESim建立的汽油機物理樣機模型包括進氣管、排氣管、噴油器、氣缸以及聯合仿真模塊等。進氣部件包括進氣流量傳感器和節氣門等單元；排氣部件包括氧傳感器等單元；噴油器包括燃油量控制、噴油提前角控制等單元；氣缸包括氣缸體、點火提前角等單元[10?11]。聯合仿真模塊是AMESim軟件和Simulink軟件的接口部分，它將氧傳感器的過量空氣系數信號和節氣門開度信號傳遞到Simulink的燃油量控制器，控制器通過仿真計算得到理想空燃比的燃油量，再將燃油量信號通過聯合仿真模塊傳到AMESim中的噴油器，使噴油器實現理想的燃油噴射[12]。另外，在Simulink中，節氣門開度和轉速控制信號由聯合仿真模塊傳遞到AMESim，用來控制汽油機的節氣門開度和轉速。

取缸套壁面、缸蓋底面和活塞上頂面所圍成的容積為控制容積，應用熱力學第一定律、質量守恒定律以及氣體狀態方程，可以得到計算汽油機工作過程的方程組[13]如下：

式中：φ為曲軸轉角；p，V和T分別為缸內氣體的壓力、容積和溫度；m為氣體質量；u為比內能；h為比焓；R為氣體常數；λ為瞬時過量空氣系數；ms為通過進氣門流入氣缸的氣體質量；me為通過排氣門流出氣缸的氣體質量；QB為燃料燃燒放出的熱量；Qw為壁面與系統間交換的熱量。為了使計算統一，假設加入系統的能量或質量為正，離開系統的能量和質量為負。

圖1 基于AMESim的四缸直噴增壓汽油機模型Fig.1 Model of four cylinders turbocharged gasoline direct injection engine based on AMESim

求解上述方程組，可以得到溫度、壓力和質量隨曲軸轉角的變化關系，但由于方程組中還有多個待求解的微分變量，如dV，dQB，dQw，dms和dme等，必須建立相應的計算方程，才能使方程組封閉。

1.1.1 氣缸工作容積

根據活塞連桿機構運動學的幾何關系式，可導出氣缸工作容積隨曲軸轉角的變化關系，其方程[13]為：

式中：Vs為氣缸工作容積；εc為幾何壓縮比；λs=S/(2l)，為曲軸連桿比，可根據汽油機的結構參數確定。將式(4)對φ求導，即可得到dV/dφ。

1.1.2 氣體流動

工質流進、流出氣缸的質量流量，可根據流體力學中氣體流經節流元件的計算關系導出，其一般形式[13]為：

式中：下標I和II分別表示氣門上、下游；μs,e與As,e分別為氣門處的流量系數與流通截面積；ψs,e為流函數，與上、下游的壓力差即流動狀態有關，當壓差較大，即pII/pI≤[2/(k+1)]k/(k?1)時，出現超臨界流動狀態，此時流量與氣門前后壓差無關。

1.1.3 熱量傳遞

工質與活塞頂面、氣缸壁面及缸蓋底面的傳熱量計算式[13]如下：

式中：各傳熱表面積Fi可根據活塞位移以及汽油機的幾何參數確定；壁面溫度Twi根據統計值確定。

1.1.4 放熱規律

燃料的燃燒放熱較復雜，在模型中一般用一個簡化的燃燒放熱規律來代替實際燃燒放熱過程，即認為燃料是按照一定的函數形式進行燃燒放熱，性能指標與實際指標一致。常用的函數有余弦函數和韋伯(Weibe)函數等，本研究中采用韋伯函數形式，其表達式[13]為：

式中：ηu為燃燒效率，取決于燃燒方式；m取決于燃燒放熱速率，其取值范圍為0.2～3.0。韋伯函數的3個主要參數(燃燒始點φ0、燃燒持續期φz和燃燒品質指數m)與汽油機的類型有關。

1.2 基于Simulink仿真軟件的控制器模型

仿真軟件AMESim與Simulink的聯合仿真是通過AMESim中界面菜單下的輸出圖標功能與Simulink中的S函數實現連接的。具體實現過程是：在AMESim仿真軟件中經過系統編譯、參數設置等生成供Simulink使用的S函數；在Simulink環境中, 將建好的AMESim模型當作1個普通的S函數(如圖2中的聯合仿真模塊)對待, 添加到系統的Simulink模型中，從而實現AMESim與Simulink的聯合建模與仿真[14]。

圖2 基于Matlab/Simulink的系統控制模型Fig.2 Model of control system based on Matlab/Simulink

在圖2所示的聯合仿真模塊中，將AMESim中汽油機模型包括的進氣流量傳感器的進氣流量信號和氧傳感器的過量空氣信號分別傳遞到燃油量控制器和空燃比計算模塊中[15]。燃油量控制器接收節氣門開度信號、轉速信號、過量空氣系數信號和進氣壓力信號，通過控制器計算理想的噴油量。噴油量信號再傳到空燃比計算模塊和聯合仿真模塊。注意噴油量信號傳到聯合仿真模塊時要乘以系數K2(K2=0.001)。因為在Simulink中是以g/s為單位計算，而在AMESim中噴油量是以kg/s來進行計算。另外，轉速信號傳到聯合仿真模塊時也要乘以K1(K1=π/30)，因為轉速在Simulink中用的單位是rad/s，而在AMESim中用的單位是r/min，所以，要進行單位制的轉換。空燃比計算模塊接收進氣流量信號、轉速信號和燃油量信號通過計算得到進氣壓力和空燃比的瞬時值，再將計算得到的進氣壓力瞬時值反饋給燃油量控制器?？刂破魍ㄟ^不斷地接收進氣壓力信號和過量空氣系數信號，計算所需要的理想燃油量，再將理想燃油量通過聯合仿真模塊傳到AMESim中的汽油機模型中，從而實現理想燃油噴射。

如圖3所示的燃油量控制模型使用傳感器反饋信號調整燃油量，從而使圖4所示的空燃比達到理想值。該控制策略由4個子模塊即控制邏輯模塊、傳感器系數修正模塊、進氣流量系數修正模塊和燃油量系數修正模塊完成。

該控制器能夠根據節氣門開度和汽油機轉速的變化對噴油量進行調整，使混合氣的空燃比維持在理想值14.7左右。理想的空燃比能夠使汽油機的動力性、燃油經濟性和排放性能綜合最優。為了讓系統保持理想的空燃比，利用氧傳感器來測定尾氣中的含氧量，它能夠很好地反映空燃比。當傳感器檢測到較高的氧含量即空氣過多而燃油不足時，控制器就會相應地增加燃油量；當傳感器檢測到較低的氧含量即燃油過多而空氣過少時，控制器就會相應地減少燃油量。

圖3 燃油量控制模型Fig.3 Model of fuel rate controller

圖4 空燃比控制模型Fig.4 Model of air fuel ratio controller

2 汽油機燃油控制系統聯合仿真的應用

2.1 汽油機燃油控制系統仿真分析

仿真運行從節氣門開度 20°開始，然后，按勻速開到30°，再按勻速回到20°，耗時各為1 s。該過程反復進行，仿真時間為4 s，如圖5所示。同時，將汽油機轉速設為正常轉速300 rad/s，通過仿真計算出上述條件下空燃比、噴油量、缸內燃燒壓力和溫度變化情況，如圖6所示。

圖 6(a)所示為進氣流量變化曲線。從圖 6(a)可看出：若節氣門開度變大，則進氣量增多；若節氣門開度變小，則進氣量減小。圖 6(a)所示的進氣流量的變化與圖5所示節氣門開度變化近似于正比變化。從圖6(b)可以看出：當系統達到穩定狀態時，空燃比在14.32到14.87之間波動，即空燃比穩定在14.7左右，系統達到了理想的控制效果。

圖6(c)所示為噴油器的噴油量變化曲線?？梢姡簢娪土亢凸潥忾T開度之間也近似于正比關系。當節氣門開度增大時，噴油量跟著增大，進氣流量也隨之增大(見圖 6(a))。因而空燃比被維持在理想空燃比 14.7左右。從圖6(d)可以看出：汽油機在穩定狀態下運行時，燃油燃燒利用效率為99.92%～99.95%。這是由于在理想空燃比下，空燃比接近燃油燃燒的化學當量比，在理論上燃油能夠完全燃燒，因此，燃油利用率高。

圖5 節氣門開度曲線Fig.5 Curve of angle of throttle

圖6 聯合仿真結果Fig.6 Co-simulation results

2.2 汽油機燃油控制系統的聯合仿真應用效果

為驗證汽油機燃油控制系統的聯合仿真中燃油量智能控制器的控制效果，建立包括EQ491汽油機、變速箱、三相異步電動機、測功機及控制柜、三效催化轉化器、氧傳感器、尾氣分析儀及數據采集系統等在內的實驗臺架。

圖7 節氣門角度突增時轉速與氧傳感器電壓時間曲線Fig.7 Curves of rotational speed and oxygen sensor voltage when angle of throttle suddenly reduces

圖7所示為節氣門從30°突然增加到45°時電控燃油噴射汽油機轉速變化和氧傳感器電壓變化情況。從圖7可見：通過采用最優智能控制策略對電控燃油噴射汽油機空燃比進行精確控制，可以防止電控燃油噴射汽油機在瞬態工況下排放性能變差。

圖8所示為轉矩突變時汽油機轉速變化和空燃比變化情況，此時空燃比的目標值是14.7。從圖8可見：空燃比在工況突變時能夠既快又準確地恢復到初始設定值，這說明在工況突變的過程中，通過閉環控制，采用如圖3所示的燃油量智能控制器，可以使汽油機的空燃比隨著工況變化的波動盡可能地小，從而防止瞬態工況的排放性能變差。

圖8 轉矩突減時轉速和空燃比的變化曲線Fig.8 Curves of rotational speed and air/fuel when torque suddenly reduces

采用燃油量智能控制器，汽油機各種工況的性能均得到改善，其主要表現在以下幾方面：

(1) 濃混合氣供油時，起動性能顯著提高，一次性起動成功率為100%。

(2) 空燃比控制較理想，提高了低速穩定性，拓寬了功率應用范圍。

(3) 空燃比濃、稀間隔時間的控制更容易。

(4) 優化了空燃比，保證了油氣混合質量，使汽油機的最大功率提高5.6%，耗油率降低6.6%。

3 結論

(1) 將 AMESim 系統仿真軟件的發動機模塊庫IFP-Engine用于汽油機的燃油控制系統的仿真模擬，能夠精確地模擬汽油機的實體模型，具有很友好的人機交互界面，結果豐富、全面，仿真精度高，可以降低開發成本和縮短開發周期。

(2) 通過AMESim和Simulink軟件的聯合仿真，在Simulink里設計了燃油量智能控制器，它可以使汽油機在理想的空燃比范圍內工作，很好地改善了汽油機的燃燒狀況，提高了汽油機的動力性、排放性，提高了燃油燃燒效率。仿真與實驗結果表明：汽油機采用燃油量智能控制器的燃油控制系統后，最大功率提高5.6%，耗油率降低6.6%。

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(編輯 陳燦華)

Co-simulation of injection control system of gasoline engine

DENG Yuan-wang1,2, JIA Guo-hai2, ZUO Qing-song2, CHENG Wei2, ZHU Hao2, ZHANG Bang-ji1,2

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,Hunan University, Changsha 410082, China;2. College of Mechanical & Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

An engine model with four cylinders turbocharged gasoline direct injection was built in the IFP-Engine library of the AMESim simulation software. The gasoline engine controller was built in the Matlab/Simulink software. The co-simulation was made to run the models in two different softwares respectively at the same time and the engine’s injection flow rate was effectively controlled. The results show that with the intelligent controller of the gasoline engine fuel control system, the air-fuel ratio fluctuates around 14.7, the maximum power of the gasoline engine is increased by 5.6% and the fuel consumption is reduced by 6.6%.

AMESim simulation software; Matlab/Simulink software; co-simulation; air fuel ratio; gasoline engine

TK41

A

1672?7207(2011)02?0384?07

2010?01?10；

2010?03?25

江蘇省動力機械清潔能源與應用重點實驗室開放基金資助項目(QK09003)

鄧元望(1968?)，男，湖南安化人，博士，副教授，從事混合動力電動汽車、發動機電子控制技術和排放污染物測試等技術的教學與科研工作；電話：13908456247；E-mail：dengyuanwang610@126.com