基于Simulink的天然气发动机瞬态加速工况仿真设计

汪科任，孙仁云，严浩铭，张晟恺

(西华大学交通与汽车工程学院，四川 成都 610039)

基于Simulink的天然气发动机瞬态加速工况仿真设计

汪科任，孙仁云，严浩铭，张晟恺

(西华大学交通与汽车工程学院，四川 成都 610039)

利用Simulink软件建立了天然气发动机在瞬态加速工况下的发动机模型，该模型加入了进气压力修正模块，弥补了在瞬态加速工况下压力传感器所测进气压力的不准确，实现了进气压力的准确预估，使发动机瞬态加速工况也能控制在理论空燃比附近，并通过转速闭环控制使转速能迅速稳定在目标转速附近.仿真结果表明，模型能较好地实现瞬态加速工况下的空燃比控制，达到快速稳定转速的目的，可为发动机电控单元开发提供一定参考.

天然气发动机;瞬态加速;仿真

0 引言

发动机瞬态工况空燃比基本属于开环控制，而越发严格的排放标准使发动机在瞬态工况时也能实现空燃比闭环控制显得十分必要.为了实现循环喷气量，必须准确确定循环进气量.而在采用速度—密度法来确定发动机进气量的系统中，当节气门突变时，进气歧管内的压力会产生很大的突变，由于传感器具有一定的延迟性，会导致此时测得的进气压力不准确，从而导致喷气量不准确.要提高瞬态工况下空气流量的测量精度就必须想法消除由于传感器滞后所引起的这种误差［1］.本研究通过建立非线性进气管压力观测器模型来实时预测和估计进气管压力，并根据预估歧管内压力来准确地计算进入气缸的空气质量，从而根据空燃比来准确计算喷嘴的喷气量.

1 发动机模型

本研究在Crossley等［2］提出的四缸四冲程火花点火发动机模型的基础上进行了一定修改，本模型不仅适用于稳定工况也适用于瞬态工况，并可从工质流动和能量转换的角度对发动机运行进行分析和模拟.模型主要包括气路模块(Air and-CNG)、压缩冲程模块(Compression Stroke)、检测定时模块(Detect and Timing)、燃烧和动力输出模块(Combustion and Crank Shaft)、氧传感器模块(EGO Sensor).模型的总体框架如图1所示，发动机转速PID控制模块如图2所示.

图1 模型总体框架示意图

图2 发动机转速PID控制模块

1.1 气路模块

气路模块如图3所示，其作用是根据节气门开度、发动机转速和喷嘴的喷气量，计算进入气缸的空气量和燃油量，它由节气门体模型、进气歧管模型和天然气燃气模型组成.

图3 气路模块

1.1.1 节气门体子模块.

节气门体子模块如图4所示，其主要作用是模拟节气门处的空气流量特性，它以节气门开度作为输入量，以流过节气门体的空气流量作为输出量，节气门体的空气流量为，

式中，f(θ)是一个仅与节气门开度相关的经验公式，

g(pm)是一个与外界大气压力和进气歧管压力有关的函数，

式中，mat是节气门处空气流量，g/s;θ为节气门开度，%;pa、pm分别为大气压力和进气歧管绝对压力，Pa;sign是无符号函数.

图4 节气门体子模块

1.1.2 进气歧管子模块(加入了压力观察器).

进气歧管子模块如图5所示.该子系统模块以节气门体的空气流量和发动机的转速为输入量，以发动机进气歧管内气体状态参数和最终进入汽缸的空气流量为输出量，并考虑了在瞬态工况下节气门突变导致的歧管内压力的突变，从而在方程中加入了预估算法，使其可准确地预估节气门突变后歧管内实际的压力，用预估值代替实际值.具体由以下2个方程来描述，

式中，ma0为进气门空气流量，g/s;N为发动机转速，rad/s;Tm为进气温度，K;R为通用气体数;Vm为进气管容积，m3.

结合式(1)～(5)便能预估出进气歧管压力并计算出进气量，再根据空燃比便能计算出实际喷气量.

图5 进气歧管子模块

1.2 进气与压缩冲程模块

1.2.1 进气冲程模块.

图6 进气冲程模块

进气冲程模块如图6所示，其主要作用是在每个进气冲程开始时对来自于进气歧管的空气流量和燃油流量进行积分，并在进气冲程结束的时候进行采样，从而可以得到每循环的进气量和燃油量.该模块实际上是由2个外部触发积分器模块构成，外部触发信号来自于定时和检测模块，定时检测模块每隔180°曲轴转角就触发进气冲程积分器，积分器一旦被触发就被重新赋初值0，并且开始分别对该循环内的进气量和燃油量进行积分，直至下一个外部触发信号来临将积分结果输出并重新开始新一轮的赋初值和积分.这样每隔180°曲轴转角就会对缸内进气量和燃油量进行积分并将结果输出，从而可以精确地模拟四缸发动机的进气冲程.

1.2.2 压缩冲程模块.

压缩冲程模块如图7所示.模块由一个触发子系统构成，触发信号来自定时和检测模块，定时检测模块在压缩冲程开始时刻触发压缩冲程模块，使其接受来自进气冲程的积分结果，进行一个单位延迟后输出给下一个模块.模块内部的触发子模块发出触发信号与触发压缩冲程的外部触发信号同时发生，触发进气冲程模块.

图7 压缩冲程模块

1.3 定时和曲轴位置检测模块

定时和曲轴位置检测模块模型如图8、9所示，其主要功能就相当于实际发动机中用来确定曲轴位置的曲轴传感器，它实时检测曲轴的瞬态位置，在曲轴达到上止点和下止点时发出一个脉冲触发信号，触发相应的吸气和压缩冲程的执行，也确定了发动机的吸气终了(压缩开始)时间和开始(压缩终了)时间.

图8 定时和曲轴位置检测模块

图9 曲轴位置检测模块

曲轴位置检测模块主要对输入的发动机曲轴转速进行积分从而确定发动机曲轴的瞬态位置，曲轴每转过180°就发出一个触发信号，从而为确定吸气终了(也即压缩开始)时刻提供了一个参考信号.

1.4 动力输出模块

动力输出模块如图10所示，其主要作用是根据进入汽缸的燃油量和空气量，以及发动机的其他参数(发动机转速和点火提前角等)来计算发动机的输出功率和转速变化率.

图10 动力输出模块

空气与燃油进入汽缸混合燃烧膨胀，推动活塞做功而产生扭矩，这一扭矩减去泵气阻力矩和发动机内部摩擦阻力矩，得到最终对外的输出扭矩.发动机扭矩的公式为，

式中，ma为汽缸内空气的质量，g;A/F为空燃比;˙N发动机加速度，r/s2;Meng、Mload分别为发动机输出扭矩、负荷扭矩;其他参数的物理意义同前面方程中的参数.

1.5 氧传感器模块

氧传感器模块如图11所示，其作用是模拟排气氧传感器信号，检测排气氧含量，为发动机部分负荷和热机怠速工况下实现空燃比闭环控制提供一个反馈信号，它以测量所得到的空燃比为输入量.氧传感器的信号是开关式的，当为浓混合气(高于理论空燃比)时输出信号为高电平，稀混合气(低于理论空燃比)时为低电平，在过量空气系数λ=1时发生跃变.

图11 氧传感器模块

理想的EGO输出特性如图12的所示，实际输出特性曲线如图13所示.

图12 输出特性曲线(理想)

图13 输出特性曲线(实际)

从图13可见，实际的输出特性在当λ=1附近有较大的跃升.为便于建模并同时考虑EGO的实际输出特性，对于氧传感器非线性的输出特性可以用一个反正切函数来描述，

2 模型仿真与分析

在仿真实验中，本研究模拟条件为:发动机转速从2 000 r/min到3 000 r/min的瞬态加速过程，外界扰动为恒定值，仿真时间为10 s.图14为目标转速信号与实际转速信号图，图15为空燃比信号图.

图14 目标转速与实际转速

由图14可以看出，在3 s时刻目标转速从2 000 r/min立刻瞬变为3 000 r/min，而经过PID调节后可以在0.5 s的时间后便在目标转速附近震荡，3.5 s后变保持住3 000 r/min的平均转速，证明该模型可以达到较为精确的控制效果.

由图15可知，加入压力观察器模型后整个过程都能将空燃比维持在理论空燃比16.7附近，观察3到4 s这个瞬态加速过程可知，在该阶段空燃比稳定地维持在理论空燃比16.7附近，说明加入压力观察器模块能够很好地控制瞬态加速工况的空燃比.此时三元催化剂有较高的转化率，从而在一定程度上可以实现发动机瞬态加速工况下排放的达标.

图15 空燃比图

3 结语

本研究针对四缸四冲程汽油发动机，建立了瞬态加速工况下的发动机与控制器模型，并在Matlab/Simulink环境下对这些模型进行了构建与综合仿真.仿真实验结果表明:基于本模型的空燃比控制模型和控制算法是可行的，加入进气压力观察器后可以较好地在瞬态加速工况下将空燃比控制在理论空燃比附近，同时，加入PID速度闭环控制能在瞬态加速后将发动机转速迅速控制在预期目标转速附近，二者都达到了预期的控制效果.

［1］陈绪平，黄海波，黄钰.基于燃油平均值模型的燃气(CNG)发动机模型［J］.四川工业学院学报，2004，169(4):169－172.

［2］Crossley P R，Cook J A.A nonlinear engine model for drivetrain system development［C］//IEEE International Conference on Control 1991.Ed-inburgh:IEEE Press，1991:921 －925.

［3］陈超，王绍金光，康晓敦.基于 Matlab/Simulink的汽油机电控系统仿真［J］.内燃机工程，2005，24(5):23 －27.

［4］薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用［M］.北京:清华大学出版社，2002.

［5］Hendricks E，Sorenson S C.Mean value engine modeling of spark ignition engine［J］.SAE Transactions，1990，99(3):1359－1373.

［6］张翠平，杨庆佛，韩以仑.汽油机怠速稳定性的模糊控制的仿真研究［J］.内燃机工程，2003，24(4):38 －41.

［7］陈万忠，张振东，钱耀义，等.汽油机怠速模糊控制的研究［J］.农业机械学报，1998，29(2):116 －120.

［8］孟嗣宗，郭少平，张文海.发动机精确空燃比控制方法的研究［J］.内燃机工程，1999，20(2):70 －75.

［9］包生重，裴海灵，周乃君，等.基于Matlab的模型汽油机电控系统仿真［J］.电力科学与技术，2006，27(3):30 －32.

Simulation Design for Transient Acceleration Conditions of Natural Gas Engine Based on Simulink

WANG Keren，SUN Renyun，YAN Haoming，ZHANG Shengkai
(School of Transportation and Automotive Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China)

This paper builds engine model of natural gas engine under transient acceleration conditions by Simulink software.The inlet pressure correction module is added to the model.This model compensates for inaccuracy of inlet pressure measured by the pressure sensor under transient acceleration conditions，and implements accurate forecast of inlet pressure，and can also make transient acceleration conditions of the engine be controlled in the vicinity of the theoretical air-fuel ratio.Through closedloop control of the speed，speed can be quickly stabilized around the target speed.The simulation results show that this model can well realize the air-fuel ratio control under transient acceleration conditions to achieve the purpose of fast and steady speed，which can provide certain reference for development of the engine electronic control unit.

natural gas engine;transient acceleration;simulation

TK413;TP391.9

A

1004－5422(2014)01－0068－05

2013－11－18.

汪科任(1987—)，男，硕士研究生，从事天然气电控发动机技术研究.