非道路用發動機建模及硬件在環仿真研究

摘要：以S04NMAP型非道路用發動機為研究對象，借助自主研發的VCAR實時仿真系統，開發了硬件在環仿真測試平臺，為控制器的開發與測試提供虛擬環境。開發了由發動機實時模型、VCAR實時系統、上位機監控軟件組成的控制器硬件在環仿真平臺。通過各類I/O板卡、信號接口、實時通信的配置，完成了發動機4類信號的模擬與采集，實現了模型與控制器間的信號交互。基于OpenECU M670控制器，完成了控制策略的開發，實現了硬件在環仿真測試系統的聯合測試，驗證了動態連接后發動機模型的速度與負荷特性、怠速工況、有無EGR工況下的穩態性能，以及起動、加速、變速等工況下的瞬態性能。實驗結果顯示，所設計的非道路用發動機控制器硬件在環仿真測試系統，準確性高、實時性好，能夠應用于控制器開發與測試。

關鍵詞：發動機；硬件在環；控制策略；控制器開發

中圖分類號：U4623" 收稿日期：2024-11-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202503019

1 前言

本文以S04NMAP型非道路發動機為研究對象，結合計算流體力學建模理念、內燃機理論以及實驗測試方法進行研究。根據發動機的結構和工作原理，利用Simulink軟件對發動機進行整機建模，開發出既能保證準確性又具備實時性的發動機壓力波模型，并將其與VCAR系統集成，從而構建非道路發動機硬件在環仿真平臺。這一平臺能夠在不同工況下進行運行模擬，為發動機控制系統的開發、控制策略的調試以及控制參數的標定提供虛擬環境支持。

2 仿真平臺總體架構

傳統發動機控制器的標定通常需要在實驗臺架上或真實車輛上進行測試。然而，利用硬件在環仿真平臺的虛擬標定，可以通過高速運算的發動機實時模型替代真實發動機，在虛擬環境中完成控制器的開發、測試和參數優化，發動機的狀態參數由仿真模型計算得出［1-2］。本文基于VCAR系統開發了適用于非道路發動機的控制器硬件在環仿真平臺，系統主要包括四個部分：發動機實時模型、VCAR系統、控制器和監控系統。開發的硬件在環仿真平臺的總體結構如圖1所示。

3 發動機本體建模

發動機系統由多個子系統構成。為簡化建模過程，本文將發動機劃分為多個模塊進行建模，包括管道模型、進排氣系統模型、氣缸模型和傳熱模型等［3-4］。各個模塊的建模遵循能量守恒、質量守恒和動量守恒等基本物理定律。

31 管道模型

發動機氣體在管道內流動時會與管道壁發生摩擦，導致能量損失。該過程由雷諾數（[Re]）和管道表面粗糙度來描述［5］。摩擦損失主要影響氣流的壓力變化，其計算公式為：

[Cf=16/RedRedlt;2 0000.08/Red0.25Redgt;4 0000.25/2lnD2h+1.742 000≤Red≤4 000]" "（1）

式中，[Red]為管道雷諾數；[D]為管道直徑；[h]為管道表面粗糙度。

32 進排氣系統建模

進氣和排氣系統通常假設以準穩定流動為基礎。閥門處的流量可以通過一維等熵絕熱流模型進行估算，流量取決于壓差、流量系數和瞬時流通面積［6］，公式如下：

[m=μF2P1?P2/ρ]" " " " " " " " " " " "（2）

式中，[m]為流量；[μ]為流量系數；[F]為流通面積；[P1]和[P2]分別為閥門兩側的氣壓；[ρ]為氣體密度。

33 傳熱模型

在管道內，流體與管壁之間的傳熱由于溫度差而發生，表面粗糙度是影響因素之一［7］。傳熱量計算如下：

[dQwdt=hgAaTg?Twall]" " " " " " " " " " " （3）

式中，[hg]為傳熱系數；[Aa]為管道壁面面積；[Tg]和[Twall]分別為氣體和管道壁面溫度。

傳熱系數[hg]可通過以下經驗公式計算：

[hg=12CfρUeffCpP23r]" " " " " " " " " " " "（4）

式中，[Ueff]為有效速度；[P r]為普朗特數。

34 氣缸模型

氣缸內的工作過程涉及多種物理和化學現象。為簡化建模，氣缸被視作一個熱力學系統，其狀態通過質量守恒和能量守恒描述。氣缸體積變化由活塞運動決定，需計算活塞位移和氣缸容積的變化率［8］。氣缸內的微分方程為：

[dμd?=dQBd?+dmsd?hs?dmed?he?dQwd?hs?pdvd?]" " （5）

式中，[μ]為缸內氣體的內能；[p]為氣缸內壓力；[v]為氣缸容積；[QB]為燃燒放熱；[Qw]為壁面傳熱；[hs]和[he]分別為進氣和排氣工質的比焓。

35 動力學模型

發動機啟動時，起動機提供扭矩推動曲軸旋轉，直至發動機自持運轉。成功啟動后，燃燒過程提供動力以克服摩擦并維持穩定轉速［9］。發動機動力學方程為：

[Tstart=Tf+Tl+Ti]" " " " " " " " " " " " （6）

式中，[Tstart]為起動機提供的扭矩；[Tf]為摩擦扭矩；[Tl]為外部負載扭矩；[Ti]為燃燒產生的指示扭矩。

36 工況模型

在不同工況下，發動機的工作狀態會動態變化。本文識別了多種工況，包括起動、加速和怠速等。在這些工況中，氣缸壓力、燃燒過程和氣流速率等參數顯著變化，需根據實際情況調整輸入輸出信號，以確保性能穩定和效率優化。

4 工況控制轉換策略

41 工況控制狀態

工況轉換是確保發動機正常運行并達到最佳性能的關鍵條件［10］。只有在滿足特定條件后，工況才會進行切換。

工況轉換策略由Simulink的sateflow工具開發，提供了直觀便捷的工況切換方式。在該策略中，發動機的工況被細分為7種，即停機、起動、暖機、怠速、正常運行、超速和斷電［11］，并以Sys_state表示，分別用1～7進行標識，如表1所示。

42 工況轉換模塊

在任意時刻，發動機只能處于一個特定工況。當檢測到上電開關信號時，發動機處于停機工況，對應標志為1。當起動信號出現并至少重復三次且轉速超過起動工況的參考轉速時，發動機將從停機工況切換到起動工況，標志變為2。當轉速超過暖機工況的切換限值時，發動機則從起動工況切換至暖機工況，標志為3，如圖2所示。

當轉速超過基礎怠速轉速加上狀態切換的偏差時，發動機從暖機工況切換到怠速工況，標志為4。當轉速超過基礎怠速轉速與切換至正常工作狀態偏差的和，并且踏板位置發生變化時，發動機進入正常運行工況，標志為5。當轉速超過超速工況的參考值時，發動機切換到超速工況，標志為6，如圖3所示。

當發動機處于超速工況時，一旦檢測到轉速低于超速工況的參考值，將切換回正常運行工況。在發動機處于任何工況的情況下，如果發動機的轉速低于停機轉速，那么發動機會直接進入停機工況［12］。如果同時檢測不到上電信號，則切換至斷電工況，標志為7，發動機的整個工況轉換控制如圖4所示。

5 硬件在環實驗

硬件在環仿真通過將硬件與仿真環境相結合，實現實時交互。在這種仿真中，控制系統模型在計算機上運行，與真實硬件設備進行接口［13］。數據和控制信號的交互使仿真系統能夠逼真地模擬硬件的實際工作狀態。

51 怠速工況

怠速工況指的是油門踏板松開、傳動系統脫離，發動機不輸出扭矩，僅克服自身機械摩擦，從而維持最低轉速的平穩運行狀態。發動機的怠速轉速需要在適當范圍內，過高會引發無效功增多，增加油耗；過低則可能導致轉速不穩，缺乏功率緩沖［14］。

因此，怠速工況應在最佳轉速下運行，以確保平穩運轉，這通常為汽油機或氣體機的700～1 000 r/min。當發動機啟動成功且轉速穩定后，在監控界面將冷卻水溫的手動標志位設為1，進入手動模式，并調節冷卻水溫在20～90 ℃間變化，觀察實際與目標轉速的變化。在環實驗發動機怠速工況運行參數如圖5所示。

52 起動工況

發動機從靜止狀態過渡到運轉并最終達到怠速的過程被稱為發動機的起動工況。在起動過程中，發動機不能立即切換到工作狀態。起動時，起動機首先帶動曲軸克服摩擦力，從而推動活塞運動，確保氣缸內進氣和壓縮過程的順利進行。曲軸旋轉期間，控制器負責操作噴油器和火花塞進行噴油和點火。當曲軸達到設定轉速后，控制器會斷開起動機的電源；隨著高溫壓縮混合氣在缸內點燃，發動機開始輸出功率，一旦輸出轉矩超過摩擦轉矩，便可維持自身運轉［15］。

在經過上位機界面的配置和初始化后，按順序將鑰匙開關從0調整到1，再到2，觀測發動機轉速的變化。在環實驗發動機起動工況參數如圖6所示。

在仿真測試系統中，發動機在大約75 s時開始啟動。起動繼電器閉合后，起動機開始驅動飛輪旋轉，可以觀察到發動機迅速從靜止狀態進入轉動狀態，轉速上升至約900 r/min。曲軸的旋轉帶動活塞上下運動，活塞下行時缸內抽吸作用增強，導致進氣歧管的真空度增大，從而降低了絕對壓力。

當起動機提供的轉矩足以克服發動機內部的摩擦力，并確保缸內壓縮和做功過程的正常進行時，起動機的電源切斷，發動機進入自行運轉狀態，從啟動狀態轉變為運行狀態。由于該實驗旨在驗證發動機的起動過程，啟動后未調整節氣門開度，因此發動機在啟動后保持怠速運轉，轉速大約為800 r/min。在此過程中，節氣門開度的曲線在初期的紊亂階段是節氣門初始化過程的表現。通過不同開度的測試以確認節氣門的正常工作。根據啟動過程中各參數的分析，發動機模型可以正常啟動并無故障運行。

53 加速工況

加速工況是指發動機在怠速運轉的情況下，隨著節氣門開度逐漸增大，發動機的輸出功率不斷增加，導致轉速迅速上升的過程。

在發動機完成啟動并穩定在怠速工況后，可以通過上位機界面的加速踏板信號控件進行調節，進而實現兩次不同幅度的加速操作［16］。具體而言，當駕駛員踩下加速踏板時，信號控件會根據踏板的開度調整節氣門，進而改變空氣流量和燃油供給量，增加發動機的功率輸出，發動機轉速會迅速提升，直到達到預定的加速目標。在環實驗發動機加速工況運行參數如圖7所示。

從圖7中可以看到，當加速踏板被踩下時，節氣門開度增加，大量新鮮空氣通過節氣門進入進氣管道。此時，混合氣較為稀薄，為了確保發動機功率輸出，噴油脈寬增大，點火提前角向前調整，缸內燃燒壓力增加，導致發動機轉速迅速上升。

在第一次加速中，節氣門開度較小，EGR（廢氣再循環）閥幾乎未開啟，流量較小；在第二次加速中，節氣門開度增加至中等負荷水平，EGR閥開啟，流量和增壓壓力都明顯增大。

當踏板松開后，節氣門開度迅速減小，噴油器停止供油，發動機進入滑行狀態，曲軸在慣性作用下繼續旋轉，而轉速因自身摩擦阻力逐漸降低。為確保發動機運行穩定性，避免噴油器密封不嚴導致氣缸內混合氣過濃的問題，在發動機滑行期間停止噴油時，節氣門開度保持在50%，火花塞繼續點火。

當轉速降低到1 000 r/min的恢復噴油轉速時，節氣門開度回落至怠速開度的10%，噴油器重新開始工作。通過對轉速、節氣門開度、EGR流量等參數的分析，可以推斷出本文所搭建的硬件在環仿真測試平臺對發動機加速工況下的仿真具備一定的準確性和可靠性。

6 結語

本文對非道路用發動機控制器的硬件在環仿真測試系統進行了綜合實驗，驗證了發動機模型在不同穩態工況下的性能表現。這些穩態工況包括發動機起動、加速以及怠速運行等。實驗結果表明，集成后的硬件在環仿真平臺滿足實時性要求，重要性能參數實測值與臺架實測數據無較大誤差，參數變化趨勢與控制策略趨于一致，能夠應用于控制器的開發與測試，具有一定的現實意義。

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作者簡介：

李丕毅，男，1977年生，院長/副教授，研究方向為汽車發動機傳感器性能分析。