渦輪增壓汽油機氣路系統(tǒng)仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于發(fā)動機技術(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對空氣進行壓縮的增壓技術(shù)，該技術(shù)能夠明 顯提高發(fā)動機的動力性，且對改善燃油經(jīng)濟性和降低排放都有深遠意義，現(xiàn)今已逐步成為 汽車發(fā)動機領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。搭建精確的渦輪增壓汽油機氣路系統(tǒng)模型將有助于我們 更好地對該種發(fā)動機進行研究。
[0003] 長期以來許多科研人員對發(fā)動機的建模開展了許多研究工作，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{(潑故譚艮機和柴油機的建模與控制》)，其中采用分塊化建模的思想對渦輪增壓發(fā)動機氣路部分進行 建模，并且針對壓縮機模型進行了改善，并將所建模型應(yīng)用于汽油和柴油發(fā)動機的控制方 法設(shè)計上。
[0005] P. Moulin等人于2008年在IFAC會議發(fā)表的上的一篇文韋Modelling and control of the air system of a(tfrAocAarget/ (《潤輪增壓汽油機氣 路系統(tǒng)的建模與控制》)，其中基于渦輪增壓汽油機氣路系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)進行建模，并且采用 奇異攝動的方法進行模型的簡化，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) (《渦輪增壓火花點火式發(fā)動機的模型簡化》)，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)動機模型進行降階簡化，便于后續(xù)控制算法的 開發(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火式發(fā)動機的建?！?中建立了一個利于進行模型預 測控制的發(fā)動機模型，該模型基于物理學定律和數(shù)據(jù)表（map)，并且利用試驗臺采集的數(shù)據(jù) 進行模型校驗。
[0008] 以上建模過程的特點是均采用平均值建模的方法對渦輪增壓氣路系統(tǒng)的各個部 分建立其數(shù)學模型，但并未將發(fā)動機整體的氣路系統(tǒng)區(qū)分出進氣與排氣通道，而由于這兩 者結(jié)構(gòu)和氣體流動特性的不同，應(yīng)分別對其進行建模。

【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)進氣與排氣 通道的區(qū)別及系統(tǒng)中復雜的非線性因素進行建模的渦輪增壓汽油機氣路系統(tǒng)仿真方法。
[0010] 本發(fā)明將整體發(fā)動機氣路系統(tǒng)模型分為排氣部分流量特性模型和進氣部分流量 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力學模型、渦輪排氣閥氣 體流量模型、渦輪模型、機械連桿模型四個子模型；將進氣部分流量特性模型分成壓縮機模 型、中冷器模型、節(jié)氣門空氣流量模型、進氣支管動力學模型、進入氣缸空氣量模型五個子 模型； (一）排氣部分流量特性模型： (1)排氣支管動力學模型：令進入支管的廢氣質(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 表示進入氣缸空氣量表示噴油量； 假設(shè)進氣支管中的氣體為理想氣體，則茜足理想
根據(jù)熱力學定律可以得到，進氣支管中
支管的進、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)，可計算得到排氣支管氣體壓強如下： \&n j

式中，P表示#氣支管6勺氣體強；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：通過排氣閥的氣體質(zhì)量流量可以寫成如下表達 式：
式中，P，7^是排氣支管的壓強和溫度；P為渦輪排氣閥前后壓強比，即
，P 分別表示排氣閥的入口和出口氣體壓強； emI 式（8)中義(f)是壓強影響因子：
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)中是壓強修正因子：
€<表示參考壓強； (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；P則表示渦輪的入口氣體壓強，即排氣支管的氣 1 I rem 體壓強；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%為實驗數(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)量流量是由一個修正的氣體質(zhì)量流量乘以一個修正系數(shù)后得到的：
由查map得到，即
；渦輪的修正轉(zhuǎn)速為
1^/和T.e/分別表示參考壓強和溫度； 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分別表示壓縮機吸收的功率和渦輪釋放的功率，ft)表示渦輪和壓縮機A com tur w 的轉(zhuǎn)速；J表示旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動慣量;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）進氣部分流量特性模型： (1)壓縮機模型： 壓縮機吸收功率：
P表示壓縮機吸收的功率；|||表示通過壓縮機的空氣質(zhì)量流量；f 0表示恒壓com € F 比熱容；表示通過壓縮機的氣體增壓壓強；則表示外界大氣壓強；表示外界 環(huán)境的溫度；表示壓縮機的效率，它可以通過查map的形式得到
& ^7通過壓縮機氣體的修正質(zhì)量流量，即通過壓縮機的實際空氣流量&乘以一個 C € 修正系數(shù)，
，分別表示參考壓強和溫度； 壓縮機的增壓比

y表示空氣的等熵指數(shù)； 示：
壓縮機的修正轉(zhuǎn)速為
，即壓縮機實際轉(zhuǎn)速乘以一個修正 系數(shù); ^為常數(shù)； 壓縮機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)氣門前后壓強比， 表示節(jié)氣門出口氣體壓強，即進氣支管
A r 氣體壓強，」表不中冷器出口氣體壓強；表不節(jié)氣門的開度；!/"^^表不中冷器出口 的氣體溫度；函數(shù)是壓強影響因子；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)是壓強修正因子； (4) 進氣支管模型： 進氣支管氣體壓強：
P.表示進氣支管的氣體壓強；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)；}^表示進氣支管容積；&^和說￡^表示進入支 管和流出支管的空氣質(zhì)量流量；^表示進氣支管入口溫度，即節(jié)氣門出口氣體溫度； im5m J1表示進氣支管的氣體溫度； m (5) 進入氣缸空氣量模型： 進入氣缸空氣流量
P表示進氣支管的氣體壓強；J1表示進氣支管的氣體溫度；表示進 m刪 # ? 氣支管內(nèi)空氣密度；R表不氣體常數(shù)；N表不發(fā)動機轉(zhuǎn)速；I' 表不發(fā)動機總排量；
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氣路系統(tǒng)仿真方法充分考慮了氣路系統(tǒng)進氣和 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，對每 一部分包含的子模型都進行詳細建模，清晰直觀地描述了渦輪增壓汽油機氣路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 組成特點。
[0012] 2)本發(fā)明所述的一種渦輪增壓汽油機氣路系統(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。該仿真方法能夠準確地反映渦輪增壓 汽油機氣路系統(tǒng)的實際工作過程，較為精確地模擬和分析氣路系統(tǒng)的動態(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)模型的過程中采用數(shù)據(jù)擬合公式來表示系統(tǒng)中的非線 性因素，經(jīng)過大量實驗數(shù)據(jù)擬合驗證，所得到的擬合公式具有準確性和可靠性。
[0014] 4)從本發(fā)明所述的技術(shù)方案的實現(xiàn)來看，本發(fā)明所述的一種仿真方法針對渦輪增 壓汽油機的氣路系統(tǒng)，較精確地模擬了渦輪增壓汽油機氣路系統(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)動機的動態(tài)變化情況，從而為以此模型為基礎(chǔ)的估計、控制等各種研究奠定良 好的基礎(chǔ)，對真實渦輪增壓汽油機氣路系統(tǒng)的分析和改進具有一定的指導意義及應(yīng)用價 值。
【附圖說明】
[00