車用增壓柴油機瞬態(tài)特性仿真研究

車用增壓柴油機瞬態(tài)特性仿真研究

0汽車排氣污染物排放限值的變化目前，大多數大型火炮和商用車都采用了渦旋壓技術。通過提高柴油機吸入氣缸的空氣密度以提高平均有效壓力,從而達到提高功率、改善經濟的目的。然而,渦輪增壓柴油機不像非增壓柴油機那樣很快響應負荷和速度的突然變化,并隨著柴油機增壓程度的進一步提高,瞬態(tài)特性愈加惡化,排放性能變差。國家環(huán)?？偩趾蛧屹|量監(jiān)督檢驗檢疫總局共同起草的《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》發(fā)布稿,與現行實施的GB17691-2001車用壓燃式發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法相比,主要變化體現在:加嚴了污染物排放限值;改變了測量方法,試驗工況由ESC(穩(wěn)態(tài)循環(huán))、ELR(負荷煙度試驗)和ETC(瞬態(tài)循環(huán))工況所構成,針對不同車種或不同控制階段,應用不同的試驗工況。因此,利用數值仿真的方法研究車用增壓柴油機動態(tài)特性,可省去發(fā)動機臺架與整車的多次試驗及反復,同時建立柴油機模型也是電控柴油機硬件在環(huán)仿真中的重要環(huán)節(jié)。美國mathworks公司推出的仿真軟件MATLAB是一種通用型的仿真軟件,它已成為國際控制界應用最廣泛的語言和工具。它自帶的通用性工具包組件SIMULINK是一個交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境,不用編寫程序,利用方塊圖實現建模和仿真。它的出現使人們有可能考慮許多以前不得不做簡化假設的非線性因素、隨機因素,從而大大提高人們對非線性、隨機動態(tài)系統(tǒng)的認知能力。1增壓柴油模型的建立常用的增壓發(fā)動機動態(tài)仿真模型有:容積模型、線性模型、平均值模型等。線性模型非常簡單,建模最容易,但其仿真精度較低。容積模型較平均值模型仿真精度高,但由于目前硬件運行速度的限制,在發(fā)動機電控領域應用最廣泛的仍然是平均值模型。平均值模型較好地兼顧了發(fā)動機動態(tài)仿真的實時性和精度的要求,適用于電控發(fā)動機硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中的應用。筆者采用準線性的平均值模型,考慮發(fā)動機整體輸入輸出關系,注重發(fā)動機瞬態(tài)響應特性,重點描述影響發(fā)動機狀態(tài)參數的平均值隨時間的變化過程,利用Simulink建立車用增壓柴油機動態(tài)仿真模型。如圖1所示,將增壓柴油機分為發(fā)動機本體、壓氣機、渦輪機、中冷器、燃油系統(tǒng)。新鮮空氣通過壓氣機增壓后經中冷器進入燃燒室,與燃油混合燃燒后產生的廢氣經排氣道進入渦輪做功后排入大氣,燃油系統(tǒng)控制噴入燃燒室的燃油量。按照劃分的子系統(tǒng)分別建立各系統(tǒng)模型。1.1無性系模型1.1.1出壓氣機出口溫度由壓氣機特性曲線圖獲取質量流量mc、效率ηc、轉速n、壓比πc之間的相互關系,根據熱力學定律和牛頓定律,可求出壓氣機出口溫度T2和壓氣機消耗的扭矩Mc,即:T2=T1{1+1ηc[πc(k?1k)]?1}Τ2=Τ1{1+1ηc[πc(k-1k)]-1}Mc=1ηckk?130πncmcRT1[πc(k?1k)?1]Μc=1ηckk-130πncmcRΤ1[πc(k-1k)-1]式中,R為氣體常數;k為氣體絕熱指數;T1為環(huán)境溫度。1.1.2渦旋模型渦輪機模型與壓氣機類似,故不詳述。1.1.3mtmc、mtt-c由牛頓第二定律可得增壓器轉子扭矩的平衡方程:Mt?Mc=Jtcπ30dntkdtΜt-Μc=Jtcπ30dntkdt式中,Mt為渦輪扭矩,Mc為壓氣機扭矩,Jtc為增壓器的轉動慣量。1.2中冷器設計流量計算T3=T2(1-ε)+εTWΔP=ΔP0(qm/qm0)2式中,T3為中冷器出口溫度,TW為冷卻介質的入口溫度,ΔP為中冷器產生的壓降,ΔP0為中冷器在設計工況下時的壓力損失,qm0為中冷器的設計流量。1.3發(fā)動機模型1.3.1屋頂效率v將充氣效率視為發(fā)動機轉速的函數,由穩(wěn)態(tài)試驗數據提供,用最小二乘法編程擬合在整個速度工況下的充氣效率曲線ηv=f(n)上。1.3.2氣體流量的計算對增壓機而言,其掃氣系數通常大于1,故常忽略殘余廢氣系數,進入氣缸的氣體流量按如下公式計算:ma=ρcηvVn/120ρc=Pc/RTc1.3.3空燃比對測定結果的影響通常在運用熱力學第一定律計算平均排氣溫度的方法時都會遇到求排氣溫度因子的問題,當空燃比大于18時計算結果較準確,小于18時尤其在過量空氣系數小于1的惡劣燃燒情況下,計算誤差較大。因此,筆者采用平均排氣溫度由穩(wěn)態(tài)試驗數據提供,用曲面擬合的方法求出在每個柴油機轉速和齒桿位置下的排氣溫度,然后利用插值計算每個工況下的排氣溫度。1.3.4有效輸出矩陣由負荷特性試驗可以得到柴油機有效輸出扭矩與轉速和油門齒條位置的關系數組,通過二維插值可以得到各工況點下的有效扭矩Me。1.3.5測功機的負載模型發(fā)動機動力學模型與增壓器動力學模型類似,故不詳述。這里需要說明的是:若將測功機做為負載,則負載模型可用一個階躍信號代替;若將汽車實際行駛時發(fā)動機的制動扭矩作為負載,則需要單獨建立發(fā)動機的負載模型。1.4加速阻力fj代數和加速阻力fj的代數和代數在汽車行駛過程中,根據發(fā)動機所提供的驅動力等于汽車行駛中各種行駛阻力之和,得總的阻力Ft是滾動阻力Ff、空氣阻力Fw、坡度阻力Fi、加速阻力Fj的代數和。Ft=Ff+Fw+Fi+Fj式中Ff=GfFw=CDA21.15ua2Fi=GiFj=δmduadtFt=MLigi0ηTr?ML=f(ua)式中Ff=GfFw=CDA21.15ua2Fi=GiFj=δmduadtFt=ΜLigi0ηΤr?ΜL=f(ua)通過上述負載模型可以建立試驗工況下的車速和負載扭矩之間的關系,從而可以模擬發(fā)動機的動態(tài)工況,計算各性能參數的變化情況。1.5模型建立及仿真燃油系統(tǒng)模型主要以噴油泵為主,建立油泵在轉速和負荷(即齒桿位置)作用下的供油量。由于噴油泵也是一個非線性系統(tǒng),所以噴油泵模型的建立主要依賴于試驗數據,由噴油泵速度特性提供的數據利用插值的方法將泵的速度特性曲線化,mf=f(Fr,n)。將上述數學模型在SIMULINK中建立起各部分的仿真模塊,建立如圖2所示的仿真框圖,用階躍信號來模擬油門及車載負荷、斜坡角度的突變,將仿真結果輸出到Matlab工作空間。圖3是模擬發(fā)動機油門從10%開度突增至100%,在車速穩(wěn)定后降至60%的發(fā)動機轉速變化過程。圖4是模擬車輛突遇上坡路,車速穩(wěn)定后減輕負載的發(fā)動機轉速變化過程。2發(fā)動機動態(tài)響應仿真筆者在平均值模型的