車用柴油發動機建模與仿真

陳路明 劉帝

摘要：為建立面向控制開發的柴油發動機仿真模型，本文結合了數據建模和原理建模方法的優點，提出了一種具有較高精度的動態建模方法。利用MATLAB/Simulink平臺，分別進行兩類典型工況實驗，將模型仿真結果與實際臺架實驗進行對比。結果表明，本文所建立的柴油發動機仿真模型各項性能均高度接近實際柴油發動機，具有較高的仿真精度，可用于支撐后期控制開發和應用。

Abstract： To establish a diesel engine simulation model for control-oriented development， this paper combines the advantages of data modeling and principle modeling methods， and proposes a dynamic modeling method with higher accuracy. Using the MATLAB/Simulink platform， two representative experiments were performed respectively， and the simulation results of the model were compared with the actual bench experiments. The results show that the performance of the diesel engine simulation model established in this paper is highly close to the actual diesel engine. The model has high simulation accuracy and can be used to support the control development and application in the future.

關鍵詞：柴油發動機;數據模型;原理模型

Key words： diesel engine;data model;principle model

中圖分類號：U262.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0014-02

1? 背景意義

柴油發動機是一種將柴油熱能轉換為機械能的動力裝置，具有低速扭矩大、中高速油耗低等優點，自十九世紀末發明以來，已在工程機械、農用機械以及軍用車輛等重型車輛領域得到廣泛應用，成為助推生產力快速發展的有利支撐。

無論是發動機自身工作還是面向整車應用，控制器始終是發動機控制的核心部分。近些年來，隨著發動機電控技術的普及，控制器開發的自動化程度得到顯著提升。越來越多的開發人員逐漸摒棄單純依靠臺架實驗進行手動調整參數的開發方式，離線或實時仿真手段成為當前柴油發動機控制器開發的主流。針對不同控制需求，柴油發動機的模型可分為數據模型、特性模型和原理模型等多種類型。本文面向整車控制應用，主要關注柴油發動機的外部特性，不需要研究內部復雜燃燒過程，因此采用數據建模和原理建模相結合的方法，建立柴油發動機的動態模型。

2? 柴油發動機建模

2.1 柴油發動機數據模型

柴油發動機的輸出轉矩與轉速和油門開度有關，三者關系可表示為：

式中，Te_gd為發動機轉速，n為發動機轉矩，α 為發動機油門開度，f為函數關系。

2.2 柴油發動機原理模型

柴油發動機在動態調速過程中，存在兩個重要環節：①從油門開度調整指令下達開始，經過步進電機動作以及氣缸內部燃燒過程，到最終已轉矩形式輸出到曲軸，該過程持續時間較長，動態特性不可忽略;②對于大功率柴油發動機而言，其慣性通常較大，對動態調整過程的影響不可忽略。為此，采用原理建模的方法，分別對上述兩個動態過程進行建模：

2.2.1 轉矩動態建模

對于轉矩動態響應過程，采用慣性和延時進行表示：

式中，Te_sj為實際生成轉矩，τ 為轉矩生成延時時間常數，T1為轉矩生成慣性時間常數。

2.2.2 轉速動態建模

根據動力學公式，可建立如下關系：

式中，Tload為負載轉矩，Tfric為空載轉矩，D為摩擦系數，J為發動機轉動慣量，n為發動機轉速。

2.3 面向控制的柴油發動機控制模型

在2.1和2.2的模型基礎上，在MATLAB/Simulink環境下可以建立得到完整的柴油發動機控制模型，結構如圖1所示。

給定轉速和實際轉速的差值輸入到油門開度調節器中，受到實際物理執行機構的限制，得到給定的油門開度指令，與實際轉速共同查表，得到期望的轉矩輸出值，經過執行機構的動作，得到輸出到發動機曲軸的實際轉矩，該轉矩克服負載轉矩，空載轉矩等阻力矩后，得到發動機實際轉速，完成整個閉環調速過程。

3? 仿真實驗

為驗證所建立的柴油發動機仿真模型的可靠性，本文設計了兩類具有代表性的實驗工況，并與實際發動機的作用結果進行對比，給出仿真模型可信度結論。

3.1 轉速跟蹤實驗

實驗條件為：初始轉速為1000rpm，在2s時刻給定轉速階躍到2000rpm，而后維持4s直到6s時刻，給定轉速階躍為1000rpm，直到10s時刻實驗結束，記錄得到的實驗結果如圖2所示。

由圖2可知，在給定轉速發生階躍變化后，實際轉速能很快跟蹤目標轉速的變化。在給定轉速上升和下降時，柴油發動機仿真模型用時分別為0.65s和1.55s，接近柴油發動機臺架實驗的0.61s和1.49s，仿真誤差分別為6.55%和4.03%，轉速跟蹤性能符合仿真模型精度要求。

3.2 抗負載擾動實驗

實驗條件為：初始轉速為1500rpm，初始轉矩為0Nm，在2s時刻負載轉矩階躍到1000Nm，而后維持4s直到6s時刻，負載轉矩階躍為0Nm，直到10s時刻實驗結束，記錄得到的實驗結果如圖3所示。

由圖3可知，在負載轉矩發生階躍變化后，實際轉速經過短時超調后迅速穩定到目標轉速。在負載轉矩增加和減小階段，柴油發動機仿真模型調節時間分別為0.45s和0.65s，接近柴油發動機臺架實驗的0.42s和0.6s，仿真誤差分別為7.14%和8.3%，抗負載擾動性能符合仿真模型精度要求。

4? 結論

本文采用數據建模和原理建模相結合的方法，在MATLAB/Simulink中建立面向控制開發的車用柴油發動機仿真模型，并在兩種典型代表性工況下進行仿真實驗，經與柴油發動機臺架實驗進行對比，驗證了本文所提柴油發動機仿真模型的較高精度，為后期控制開發提供了高置信度的模型基礎。

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