基于Simulink的天然氣發動機瞬態加速工況仿真設計

汪科任，孫仁云，嚴浩銘，張晟愷

(西華大學交通與汽車工程學院，四川 成都 610039)

基于Simulink的天然氣發動機瞬態加速工況仿真設計

汪科任，孫仁云，嚴浩銘，張晟愷

(西華大學交通與汽車工程學院，四川 成都 610039)

利用Simulink軟件建立了天然氣發動機在瞬態加速工況下的發動機模型，該模型加入了進氣壓力修正模塊，彌補了在瞬態加速工況下壓力傳感器所測進氣壓力的不準確，實現了進氣壓力的準確預估，使發動機瞬態加速工況也能控制在理論空燃比附近，并通過轉速閉環控制使轉速能迅速穩定在目標轉速附近.仿真結果表明，模型能較好地實現瞬態加速工況下的空燃比控制，達到快速穩定轉速的目的，可為發動機電控單元開發提供一定參考.

天然氣發動機;瞬態加速;仿真

0 引言

發動機瞬態工況空燃比基本屬于開環控制，而越發嚴格的排放標準使發動機在瞬態工況時也能實現空燃比閉環控制顯得十分必要.為了實現循環噴氣量，必須準確確定循環進氣量.而在采用速度—密度法來確定發動機進氣量的系統中，當節氣門突變時，進氣歧管內的壓力會產生很大的突變，由于傳感器具有一定的延遲性，會導致此時測得的進氣壓力不準確，從而導致噴氣量不準確.要提高瞬態工況下空氣流量的測量精度就必須想法消除由于傳感器滯后所引起的這種誤差［1］.本研究通過建立非線性進氣管壓力觀測器模型來實時預測和估計進氣管壓力，并根據預估歧管內壓力來準確地計算進入氣缸的空氣質量，從而根據空燃比來準確計算噴嘴的噴氣量.

1 發動機模型

本研究在Crossley等［2］提出的四缸四沖程火花點火發動機模型的基礎上進行了一定修改，本模型不僅適用于穩定工況也適用于瞬態工況，并可從工質流動和能量轉換的角度對發動機運行進行分析和模擬.模型主要包括氣路模塊(Air and-CNG)、壓縮沖程模塊(Compression Stroke)、檢測定時模塊(Detect and Timing)、燃燒和動力輸出模塊(Combustion and Crank Shaft)、氧傳感器模塊(EGO Sensor).模型的總體框架如圖1所示，發動機轉速PID控制模塊如圖2所示.

圖1 模型總體框架示意圖

圖2 發動機轉速PID控制模塊

1.1 氣路模塊

氣路模塊如圖3所示，其作用是根據節氣門開度、發動機轉速和噴嘴的噴氣量，計算進入氣缸的空氣量和燃油量，它由節氣門體模型、進氣歧管模型和天然氣燃氣模型組成.

圖3 氣路模塊

1.1.1 節氣門體子模塊.

節氣門體子模塊如圖4所示，其主要作用是模擬節氣門處的空氣流量特性，它以節氣門開度作為輸入量，以流過節氣門體的空氣流量作為輸出量，節氣門體的空氣流量為，

式中，f(θ)是一個僅與節氣門開度相關的經驗公式，

g(pm)是一個與外界大氣壓力和進氣歧管壓力有關的函數，

式中，mat是節氣門處空氣流量，g/s;θ為節氣門開度，%;pa、pm分別為大氣壓力和進氣歧管絕對壓力，Pa;sign是無符號函數.

圖4 節氣門體子模塊

1.1.2 進氣歧管子模塊(加入了壓力觀察器).

進氣歧管子模塊如圖5所示.該子系統模塊以節氣門體的空氣流量和發動機的轉速為輸入量，以發動機進氣歧管內氣體狀態參數和最終進入汽缸的空氣流量為輸出量，并考慮了在瞬態工況下節氣門突變導致的歧管內壓力的突變，從而在方程中加入了預估算法，使其可準確地預估節氣門突變后歧管內實際的壓力，用預估值代替實際值.具體由以下2個方程來描述，

式中，ma0為進氣門空氣流量，g/s;N為發動機轉速，rad/s;Tm為進氣溫度，K;R為通用氣體數;Vm為進氣管容積，m3.

結合式(1)～(5)便能預估出進氣歧管壓力并計算出進氣量，再根據空燃比便能計算出實際噴氣量.

圖5 進氣歧管子模塊

1.2 進氣與壓縮沖程模塊

1.2.1 進氣沖程模塊.

圖6 進氣沖程模塊

進氣沖程模塊如圖6所示，其主要作用是在每個進氣沖程開始時對來自于進氣歧管的空氣流量和燃油流量進行積分，并在進氣沖程結束的時候進行采樣，從而可以得到每循環的進氣量和燃油量.該模塊實際上是由2個外部觸發積分器模塊構成，外部觸發信號來自于定時和檢測模塊，定時檢測模塊每隔180°曲軸轉角就觸發進氣沖程積分器，積分器一旦被觸發就被重新賦初值0，并且開始分別對該循環內的進氣量和燃油量進行積分，直至下一個外部觸發信號來臨將積分結果輸出并重新開始新一輪的賦初值和積分.這樣每隔180°曲軸轉角就會對缸內進氣量和燃油量進行積分并將結果輸出，從而可以精確地模擬四缸發動機的進氣沖程.

1.2.2 壓縮沖程模塊.

壓縮沖程模塊如圖7所示.模塊由一個觸發子系統構成，觸發信號來自定時和檢測模塊，定時檢測模塊在壓縮沖程開始時刻觸發壓縮沖程模塊，使其接受來自進氣沖程的積分結果，進行一個單位延遲后輸出給下一個模塊.模塊內部的觸發子模塊發出觸發信號與觸發壓縮沖程的外部觸發信號同時發生，觸發進氣沖程模塊.

圖7 壓縮沖程模塊

1.3 定時和曲軸位置檢測模塊

定時和曲軸位置檢測模塊模型如圖8、9所示，其主要功能就相當于實際發動機中用來確定曲軸位置的曲軸傳感器，它實時檢測曲軸的瞬態位置，在曲軸達到上止點和下止點時發出一個脈沖觸發信號，觸發相應的吸氣和壓縮沖程的執行，也確定了發動機的吸氣終了(壓縮開始)時間和開始(壓縮終了)時間.

圖8 定時和曲軸位置檢測模塊

圖9 曲軸位置檢測模塊

曲軸位置檢測模塊主要對輸入的發動機曲軸轉速進行積分從而確定發動機曲軸的瞬態位置，曲軸每轉過180°就發出一個觸發信號，從而為確定吸氣終了(也即壓縮開始)時刻提供了一個參考信號.

1.4 動力輸出模塊

動力輸出模塊如圖10所示，其主要作用是根據進入汽缸的燃油量和空氣量，以及發動機的其他參數(發動機轉速和點火提前角等)來計算發動機的輸出功率和轉速變化率.

圖10 動力輸出模塊

空氣與燃油進入汽缸混合燃燒膨脹，推動活塞做功而產生扭矩，這一扭矩減去泵氣阻力矩和發動機內部摩擦阻力矩，得到最終對外的輸出扭矩.發動機扭矩的公式為，

式中，ma為汽缸內空氣的質量，g;A/F為空燃比;˙N發動機加速度，r/s2;Meng、Mload分別為發動機輸出扭矩、負荷扭矩;其他參數的物理意義同前面方程中的參數.

1.5 氧傳感器模塊

氧傳感器模塊如圖11所示，其作用是模擬排氣氧傳感器信號，檢測排氣氧含量，為發動機部分負荷和熱機怠速工況下實現空燃比閉環控制提供一個反饋信號，它以測量所得到的空燃比為輸入量.氧傳感器的信號是開關式的，當為濃混合氣(高于理論空燃比)時輸出信號為高電平，稀混合氣(低于理論空燃比)時為低電平，在過量空氣系數λ=1時發生躍變.

圖11 氧傳感器模塊

理想的EGO輸出特性如圖12的所示，實際輸出特性曲線如圖13所示.

圖12 輸出特性曲線(理想)

圖13 輸出特性曲線(實際)

從圖13可見，實際的輸出特性在當λ=1附近有較大的躍升.為便于建模并同時考慮EGO的實際輸出特性，對于氧傳感器非線性的輸出特性可以用一個反正切函數來描述，

2 模型仿真與分析

在仿真實驗中，本研究模擬條件為:發動機轉速從2 000 r/min到3 000 r/min的瞬態加速過程，外界擾動為恒定值，仿真時間為10 s.圖14為目標轉速信號與實際轉速信號圖，圖15為空燃比信號圖.

圖14 目標轉速與實際轉速

由圖14可以看出，在3 s時刻目標轉速從2 000 r/min立刻瞬變為3 000 r/min，而經過PID調節后可以在0.5 s的時間后便在目標轉速附近震蕩，3.5 s后變保持住3 000 r/min的平均轉速，證明該模型可以達到較為精確的控制效果.

由圖15可知，加入壓力觀察器模型后整個過程都能將空燃比維持在理論空燃比16.7附近，觀察3到4 s這個瞬態加速過程可知，在該階段空燃比穩定地維持在理論空燃比16.7附近，說明加入壓力觀察器模塊能夠很好地控制瞬態加速工況的空燃比.此時三元催化劑有較高的轉化率，從而在一定程度上可以實現發動機瞬態加速工況下排放的達標.

圖15 空燃比圖

3 結語

本研究針對四缸四沖程汽油發動機，建立了瞬態加速工況下的發動機與控制器模型，并在Matlab/Simulink環境下對這些模型進行了構建與綜合仿真.仿真實驗結果表明:基于本模型的空燃比控制模型和控制算法是可行的，加入進氣壓力觀察器后可以較好地在瞬態加速工況下將空燃比控制在理論空燃比附近，同時，加入PID速度閉環控制能在瞬態加速后將發動機轉速迅速控制在預期目標轉速附近，二者都達到了預期的控制效果.

［1］陳緒平，黃海波，黃鈺.基于燃油平均值模型的燃氣(CNG)發動機模型［J］.四川工業學院學報，2004，169(4):169－172.

［2］Crossley P R，Cook J A.A nonlinear engine model for drivetrain system development［C］//IEEE International Conference on Control 1991.Ed-inburgh:IEEE Press，1991:921 －925.

［3］陳超，王紹金光，康曉敦.基于 Matlab/Simulink的汽油機電控系統仿真［J］.內燃機工程，2005，24(5):23 －27.

［4］薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統仿真技術與應用［M］.北京:清華大學出版社，2002.

［5］Hendricks E，Sorenson S C.Mean value engine modeling of spark ignition engine［J］.SAE Transactions，1990，99(3):1359－1373.

［6］張翠平，楊慶佛，韓以侖.汽油機怠速穩定性的模糊控制的仿真研究［J］.內燃機工程，2003，24(4):38 －41.

［7］陳萬忠，張振東，錢耀義，等.汽油機怠速模糊控制的研究［J］.農業機械學報，1998，29(2):116 －120.

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Simulation Design for Transient Acceleration Conditions of Natural Gas Engine Based on Simulink

WANG Keren，SUN Renyun，YAN Haoming，ZHANG Shengkai
(School of Transportation and Automotive Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China)

This paper builds engine model of natural gas engine under transient acceleration conditions by Simulink software.The inlet pressure correction module is added to the model.This model compensates for inaccuracy of inlet pressure measured by the pressure sensor under transient acceleration conditions，and implements accurate forecast of inlet pressure，and can also make transient acceleration conditions of the engine be controlled in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio.Through closedloop control of the speed，speed can be quickly stabilized around the target speed.The simulation results show that this model can well realize the air-fuel ratio control under transient acceleration conditions to achieve the purpose of fast and steady speed，which can provide certain reference for development of the engine electronic control unit.

natural gas engine;transient acceleration;simulation

TK413;TP391.9

A

1004－5422(2014)01－0068－05

2013－11－18.

汪科任(1987—)，男，碩士研究生，從事天然氣電控發動機技術研究.