渦輪增壓汽油機(jī)氣路系統(tǒng)仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 渦輪增壓是一種利用廢氣剩余能量來(lái)對(duì)空氣進(jìn)行壓縮的增壓技術(shù)，該技術(shù)能夠明 顯提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，且對(duì)改善燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放都有深遠(yuǎn)意義，現(xiàn)今已逐步成為 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。搭建精確的渦輪增壓汽油機(jī)氣路系統(tǒng)模型將有助于我們 更好地對(duì)該種發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究。
[0003] 長(zhǎng)期以來(lái)許多科研人員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的建模開(kāi)展了許多研究工作，并且很大一部分采 用了平均值建模方法。
[0004] L. Eriksson 等人于 2007 年的期刊 上發(fā) 衰飛HModeling and Control of Turbocharged SI and DI Engines{(潑故譚艮機(jī)和柴油機(jī)的建模與控制》)，其中采用分塊化建模的思想對(duì)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)氣路部分進(jìn)行 建模，并且針對(duì)壓縮機(jī)模型進(jìn)行了改善，并將所建模型應(yīng)用于汽油和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的控制方 法設(shè)計(jì)上。
[0005] P. Moulin等人于2008年在IFAC會(huì)議發(fā)表的上的一篇文韋Modelling and control of the air system of a(tfrAocAarget/ (《潤(rùn)輪增壓汽油機(jī)氣 路系統(tǒng)的建模與控制》)，其中基于渦輪增壓汽油機(jī)氣路系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并且采用 奇異攝動(dòng)的方法進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化，以便提出一種新的控制策略。
[0006] Rahul Sharma 等人于 2011 年的期刊/〇/? systems Technology發(fā)衰飛文韋Model Reduction of Turbocharged (TC) Spark Ignition (SI) (《渦輪增壓火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)的模型簡(jiǎn)化》)，其中在平均值建模的基礎(chǔ)上，為了提 出一種面向控制的模型，將原本高階次的發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行降階簡(jiǎn)化，便于后續(xù)控制算法的 開(kāi)發(fā)。
[0007] J. El Hadef 等人于 2012 年發(fā)表的文章 57 份從i/?<9 /hr (《面向控制的渦輪增壓火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)的建?！?中建立了一個(gè)利于進(jìn)行模型預(yù) 測(cè)控制的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，該模型基于物理學(xué)定律和數(shù)據(jù)表（map)，并且利用試驗(yàn)臺(tái)采集的數(shù)據(jù) 進(jìn)行模型校驗(yàn)。
[0008] 以上建模過(guò)程的特點(diǎn)是均采用平均值建模的方法對(duì)渦輪增壓氣路系統(tǒng)的各個(gè)部 分建立其數(shù)學(xué)模型，但并未將發(fā)動(dòng)機(jī)整體的氣路系統(tǒng)區(qū)分出進(jìn)氣與排氣通道，而由于這兩 者結(jié)構(gòu)和氣體流動(dòng)特性的不同，應(yīng)分別對(duì)其進(jìn)行建模。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是提供一種基于Matlab/Simulink，渦輪增壓氣路系統(tǒng)進(jìn)氣與排氣 通道的區(qū)別及系統(tǒng)中復(fù)雜的非線性因素進(jìn)行建模的渦輪增壓汽油機(jī)氣路系統(tǒng)仿真方法。
[0010] 本發(fā)明將整體發(fā)動(dòng)機(jī)氣路系統(tǒng)模型分為排氣部分流量特性模型和進(jìn)氣部分流量 特性模型兩大部分，其中排氣部分流量特性模型分成排氣支管動(dòng)力學(xué)模型、渦輪排氣閥氣 體流量模型、渦輪模型、機(jī)械連桿模型四個(gè)子模型；將進(jìn)氣部分流量特性模型分成壓縮機(jī)模 型、中冷器模型、節(jié)氣門空氣流量模型、進(jìn)氣支管動(dòng)力學(xué)模型、進(jìn)入氣缸空氣量模型五個(gè)子 模型； (一）排氣部分流量特性模型： (1)排氣支管動(dòng)力學(xué)模型：令進(jìn)入支管的廢氣質(zhì)量流量為 ，流出支管的廢氣質(zhì)量流量為#和則排氣支管內(nèi)的氣體質(zhì)量流量&可表示 訓(xùn)t叫em 為：
(1)
式中^為排出氣缸的氣體質(zhì)量流量，由質(zhì)量守恒有 exh 表示進(jìn)入氣缸空氣量表示噴油量； 假設(shè)進(jìn)氣支管中的氣體為理想氣體，則茜足理想
根據(jù)熱力學(xué)定律可以得到，進(jìn)氣支管中
支管的進(jìn)、出口氣體的焓值為：
由于排氣支管內(nèi)溫度變化可以忽略，即; 聯(lián)立方程（1)~ (6)，可計(jì)算得到排氣支管氣體壓強(qiáng)如下： \&n j

式中，P表示#氣支管6勺氣體強(qiáng)；表示廢氣6勺#容&即 But 墨6 常數(shù);F表示排氣支管容積J1 表示排氣支管入口溫度；J1表示排氣支管的氣體溫 m 纖,《 _ 度； (2)渦輪排氣閥氣體流量模型：通過(guò)排氣閥的氣體質(zhì)量流量可以寫(xiě)成如下表達(dá) 式：
式中，P，7^是排氣支管的壓強(qiáng)和溫度；P為渦輪排氣閥前后壓強(qiáng)比，即
，P 分別表示排氣閥的入口和出口氣體壓強(qiáng)； emI 式（8)中義(f)是壓強(qiáng)影響因子：
k是絕熱系數(shù)； 式（8)中是渦輪排氣閥氣體質(zhì)量流量特性系數(shù)：
表示渦輪排氣閥的開(kāi)度； Wf 式（8)中是溫度修正因子：
Tef >表示參考溫度； 式（8)中是壓強(qiáng)修正因子：
€<表示參考?jí)簭?qiáng)； (3)渦輪模型： 渦輪釋放功率：
式中表示渦輪釋放的功率;表示通過(guò)渦輪的廢氣質(zhì)量流量；fp表示恒壓 比熱容；表示渦輪的出口氣體壓強(qiáng)；P則表示渦輪的入口氣體壓強(qiáng)，即排氣支管的氣 1 I rem 體壓強(qiáng)；表不排氣支管的氣體溫度；k表不絕熱系數(shù)； ?表示渦輪的效率，是中間變量BSR的二次函數(shù)：
% max為渦輪效率的最大值和%為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的參數(shù)；BSR由下面的公式定 義：
?I表示渦輪的轉(zhuǎn)速
；d是與渦輪半徑相關(guān)的系數(shù)； 渦輪的氣體質(zhì)量流量是由一個(gè)修正的氣體質(zhì)量流量乘以一個(gè)修正系數(shù)后得到的：
由查map得到，即
；渦輪的修正轉(zhuǎn)速為
1^/和T.e/分別表示參考?jí)簭?qiáng)和溫度； 渦輪的氣體溫度：
n表示排氣的多變膨脹系數(shù)； (4)建立機(jī)械連桿模型： 依據(jù)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的牛頓第二定律和能量守恒定律，可以得到：
P和/J分別表示壓縮機(jī)吸收的功率和渦輪釋放的功率，ft)表示渦輪和壓縮機(jī)A com tur w 的轉(zhuǎn)速；J表示旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;為摩擦力矩， 其中.
MlVirf/cwl表示摩擦力矩常數(shù)；^表示與轉(zhuǎn)速相關(guān)的阻尼摩擦力 矩； (二）進(jìn)氣部分流量特性模型： (1)壓縮機(jī)模型： 壓縮機(jī)吸收功率：
P表示壓縮機(jī)吸收的功率；|||表示通過(guò)壓縮機(jī)的空氣質(zhì)量流量；f 0表示恒壓com € F 比熱容；表示通過(guò)壓縮機(jī)的氣體增壓壓強(qiáng)；則表示外界大氣壓強(qiáng)；表示外界 環(huán)境的溫度；表示壓縮機(jī)的效率，它可以通過(guò)查map的形式得到
& ^7通過(guò)壓縮機(jī)氣體的修正質(zhì)量流量，即通過(guò)壓縮機(jī)的實(shí)際空氣流量&乘以一個(gè) C € 修正系數(shù)，
，分別表示參考?jí)簭?qiáng)和溫度； 壓縮機(jī)的增壓比

y表示空氣的等熵指數(shù)； 示：
壓縮機(jī)的修正轉(zhuǎn)速為
，即壓縮機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速乘以一個(gè)修正 系數(shù); ^為常數(shù)； 壓縮機(jī)的出口氣體溫度可以表示為：
式中，k表示絕熱系數(shù)； (2) 中冷器模型： 冷卻介質(zhì)為外界空氣，其溫度為外界空氣的溫度中冷器的出口氣體溫度 如下：
表不中冷器出口氣體溫度；I表不壓縮機(jī)的出口氣體溫度；表不中冷效率； twil表示冷卻介質(zhì)的溫度； CQOSi (3) 節(jié)氣門空氣流量模型： 節(jié)氣門的空氣質(zhì)量流量如下：
P表示節(jié)氣門前后壓強(qiáng)比， 表示節(jié)氣門出口氣體壓強(qiáng)，即進(jìn)氣支管
A r 氣體壓強(qiáng)，」表不中冷器出口氣體壓強(qiáng)；表不節(jié)氣門的開(kāi)度；!/"^^表不中冷器出口 的氣體溫度；函數(shù)是壓強(qiáng)影響因子；函數(shù)^是節(jié)氣門空氣質(zhì)量流量特性系 數(shù)；函數(shù)是溫度修正因子；函數(shù)是壓強(qiáng)修正因子； (4) 進(jìn)氣支管模型： 進(jìn)氣支管氣體壓強(qiáng)：
P.表示進(jìn)氣支管的氣體壓強(qiáng)；I表示空氣的熱容比，等壓比熱容與等容比熱容的im ?Q 比值，即
^表示氣體常數(shù)；}^表示進(jìn)氣支管容積；&^和說(shuō)￡^表示進(jìn)入支 管和流出支管的空氣質(zhì)量流量；^表示進(jìn)氣支管入口溫度，即節(jié)氣門出口氣體溫度； im5m J1表示進(jìn)氣支管的氣體溫度； m (5) 進(jìn)入氣缸空氣量模型： 進(jìn)入氣缸空氣流量
P表示進(jìn)氣支管的氣體壓強(qiáng)；J1表示進(jìn)氣支管的氣體溫度；表示進(jìn) m刪 # ? 氣支管內(nèi)空氣密度；R表不氣體常數(shù)；N表不發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；I' 表不發(fā)動(dòng)機(jī)總排量；
I為容積效率，以map的形式得到。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是： 1)本發(fā)明所述的一種渦輪增壓汽油機(jī)氣路系統(tǒng)仿真方法充分考慮了氣路系統(tǒng)進(jìn)氣和 排氣通道的區(qū)別與聯(lián)系，將整體氣路模型分成上述兩大部分，采用模塊化建模的策略，對(duì)每 一部分包含的子模型都進(jìn)行詳細(xì)建模，清晰直觀地描述了渦輪增壓汽油機(jī)氣路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 組成特點(diǎn)。
[0012] 2)本發(fā)明所述的一種渦輪增壓汽油機(jī)氣路系統(tǒng)仿真方法采用平均值建模為基礎(chǔ)， 將系統(tǒng)中較復(fù)雜的變量關(guān)系用非線性擬合公式表示。該仿真方法能夠準(zhǔn)確地反映渦輪增壓 汽油機(jī)氣路系統(tǒng)的實(shí)際工作過(guò)程，較為精確地模擬和分析氣路系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)輸出。本發(fā)明所 建立的模型在大多數(shù)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下都具有較高的精度。
[0013] 3)本發(fā)明在建立氣路系統(tǒng)模型的過(guò)程中采用數(shù)據(jù)擬合公式來(lái)表示系統(tǒng)中的非線 性因素，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合驗(yàn)證，所得到的擬合公式具有準(zhǔn)確性和可靠性。
[0014] 4)從本發(fā)明所述的技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)來(lái)看，本發(fā)明所述的一種仿真方法針對(duì)渦輪增 壓汽油機(jī)的氣路系統(tǒng)，較精確地模擬了渦輪增壓汽油機(jī)氣路系統(tǒng)的工作狀態(tài)，具備一定的 通用性。
[0015] 5)本發(fā)明所述的一種渦輪增壓汽油機(jī)氣路系統(tǒng)仿真方法所提供的仿真模型能夠 充分反映發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)變化情況，從而為以此模型為基礎(chǔ)的估計(jì)、控制等各種研究奠定良 好的基礎(chǔ)，對(duì)真實(shí)渦輪增壓汽油機(jī)氣路系統(tǒng)的分析和改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義及應(yīng)用價(jià) 值。
【附圖說(shuō)明】
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