柴油机实时仿真物理模型的应用研究

2019年8月现代车用动力

MODEＲNVEHICLEPOWEＲNo.3（serialNo.175）

Aug.2019

doi：10．3969/j．issn．1671－5446．2019．03．006网络出版时间：2019－10－913：43

网络出版地址：http：//kns．cnki．net/kcms/detail/32．1642．TH．20191009．1343．010．html

柴油机实时仿真物理模型的应用研究

李学锐，吴月，杨海涛，靳玉刚

（中国一汽无锡油泵油嘴研究所，江苏无锡214063）

*

Power软件建立详细发动机准维燃烧模型，摘要：以测得喷油规律等参数作为输入条件，用GT-运用发动机外特性性能试验数运用欧洲瞬态循环（ETC）增压压力对发动机瞬态工况下涡轮增压器瞬态特性进行标定，并对实时仿据对稳态工况进行标定，

真功能发动机性能计算模型简化，保证精度的前提下提高计算速度，最后将该模型下载至硬件在环（HIL）系统进行测试。结“断油”通过对六缸机中的一缸测试，该模型可以很好的反映喷油特性果表明：发动机仿真物理模型能满足实时系统的要求，变化对发动机性能的影响。

关键词：实时仿真；物理模型；硬件在环；瞬态工况；标定中图分类号：TK411．12

文献标志码：A

文章编号：1671－5446（2019）03－0030－05

ApplicationStudyofＲeal-TimeSimulationPhysicsModelforDieselEngine

LIXuerui，WUYue，YANGHaitao，JINYugang

（FAWWuxiFuelInjectionEquipmentＲesearchInstitute，Wuxi214063，China）

Abstract：Takingthemeasuredinjectionratesasinput，thedetailedquasi-dimensionalcombustionGTmodelofenginewasestablishedstateworkingconditionwascalibratedbyusingtheexternalcharacteristictestdata，thetransientbyGT-powersoftware，andthesteady-characteristicofturbochargerwascalibratedbyusingtheETCcyclicboostpressure．Meanwhile，thereal-timesimulationmodelissim-plifiedtoimproveoperationspeedonthepremiseofensuringaccuracy．Finally，themodelwasdownloadedtotheHILsystemfortes-ting．Theresultsshowthattheenginesimulationphysicalmodelcanmeettherequirementsofthereal-timesystem，andthe\"oilbreak\"testononeofthesixcylindersshowsthatthemodelcanreflecttheinfluenceoftheinjectioncharacteristicsontheengineper-formance．

Keywords：real-timesimulation；physicsmodel；hardware-in-the-loop；transientcharacteristic；calibration

引言

反映每循环喷油量而不能反映喷油变化规律对发动

机性能的影响。尤其是后一点严重制约着高排放限值要求的共轨柴油机控制策略的开发。如需要研究

或者需要考虑可变喷油规律对发动机性能的影响，

这些要求都是均值数多次喷射之间的相互影响时，

因此建立一个具有实时仿真功学模型无法满足的，

能的发动机物理模型是开发更高级HIL平台的前

提。

发动机实时仿真物理模型需要很高的计算精度

Power软件建立了1台与速度。本文首先利用GT-并利用测量的六缸直列式涡轮增压柴油机的模型，

发动机节能减排要求的不断提高，使得发动机

的被控对象模型由数学模型向物理模型转换。基于降低了物理模型的控制策略大大提高了控制精度，

发动机标定工作量。硬件在环系统是控制策略开发。在HIL系统中，一个高精度的发动

高精度发动机控制策略的机燃烧模型是开发复杂、的重要环节

但现在大部分在HIL系统上使用的发动机燃前提，

这类模型的不足之处是烧模型都为均值数学模型，

并且模型只能不仅需要大量的试验数据进行标定，

*

［1］

收稿日期：2019－06－18

作者简介：李学锐（1987—），男，湖北汉川人，工程师，主要从事发动机性能仿真研究。

2019年第3期李学锐，等：柴油机实时仿真物理模型的应用研究

31

功率、油耗等试验数据对模型进行标定。然后利用

最后把发简化流程及优化方法来简化发动机模型，并对其动机实时模型下载到HIL系统上进行测试，

“断油”来观察发动机性能的变化。中1个气缸进行

机为例，研究如何建立具有发动机性能实时仿真功

表1给出了发动机的主要参数。能的物理模型，

表1

机型直列六缸

发动机主要参数

排量/L7．7

进/排气门数

2/2

压缩比17．5发火次序1-5-3-6-2-4

110×135

缸径×行程/mm×mm

1发动机详细模型的建立

GT-Power是一维发动机性能仿真软件，它可以

连杆长度/mm

270

活塞顶隙/mm

0．8

传热、进排气系统、增压系统和摩擦建立包括燃烧、

考虑因素越多，模损失等一系列子系统。一般来说，

如考虑涡轮增压器的型越复杂其计算精度也越高，

需建立详细的放气阀模型等，但是复杂模滞后特性，

型会导致运算速度降低。为建立可靠的发动机实时

首先建立详细的物理模型，在详细物仿真物理模型，

在保持简化模型与复杂理模型的基础上逐渐简化，

得到运算模型计算精度误差不超过5%的前提下，速度快且精度高的物理模型。本文以1台六缸柴油

1．1

发动机稳态模型的建立与标定

Power软件建立的发动机图1给出了采用GT-

模型包括涡轮增压器、中冷器、工作过程计算模型，

进排气道、进排气管、气缸等。在此模型中，燃烧模该模型以型是采用预测型DIPulse准维燃烧模型，

可以反映喷油规律对发动机喷油规律为输入条件，

具有计算速度快、计算精度高的优点，燃烧的影响，

与非预测型（数学型）燃烧模型相比，计算速度只慢5%～10%。

图1详细的发动机物理模型

图2为试验测量的轨压为120MPa时不同喷油

模型中总共输入290条不同持续期下的喷油规律，不同脉宽下的喷油规律。轨压、

DIPulse燃烧模型是基于燃烧时缸内的初始条件喷油规律、喷油量等参数来预测燃烧和喷油提前角、

由于没有详细的结构参放热率的。在放气阀模型中，

利用试验获得的增压压力，通过数及弹簧性能参数，

使得比例积分微分（PID）控制来调节放气阀的开度，计算的增压压力和试验获得的增压压力一致。

图3是模型计算和试验测量的发动机性能结果从结果可以看出：功率、扭矩的误差在3%的对比，

以内，比油耗的最大误差约为2%，中冷后的增压压故试验结果和计算结果高度力是通过PID控制的，

吻合。PID调节出的不同增压压力下的放气阀的有效直径如图4所示。

图2燃烧模型需要的喷油规律

32

现代车用动力2019年第3期

图3模型计算结果和试验结果的对比

工况下，发动机燃油系统的滞后很小，但换气系统会

主要是标定有滞后现象。标定发动机的瞬态特性，

发动机涡轮增压器的响应特性。涡轮增压器的响应放气阀的响应特性主要由涡轮机和压缩机的惯性、

发动机特性所决定。如果建立详细的放气阀模型，

故先不考虑放气阀的响应模型的计算速度会很慢，

图4

不同增压压力对应的放气阀直径

只标定涡轮增压器的转动惯量。特性，

图5给出了发动机ETC循环对应的轨压、发动主喷提前角、主喷油量、预喷提前角、预喷油机转速、

模型计算了量。把这些数据输入到发动机模型中，

不同转动惯量下进气压力的变化。

从图6中可以看出：随着转动惯量的增大，增压

1．2发动机瞬态模型的建立与标定

由于车用发动机绝大部分运行在瞬态工况点，

故需要建立和标定发动机一致的瞬态模型。在瞬态

2019年第3期李学锐，等：柴油机实时仿真物理模型的应用研究

33

图5ETC循环输入到发动机模型的部分试验数据

模型，需要在详细发动机物理模型的基础上进行简

简化步骤如下：①关闭不必要的输出；②合并排化，

气道；③合并涡轮前的管道；④增大排气系统的离散长度；⑤去除中冷器；⑥调整进气系统的离散长度；⑦加大最大计算步长。每简化一步后的发动机物理

从图中可以看出：转速模型的计算结果如图7所示，

为800r/min时第1步简化后对应的每个循环的计

到第7步简化后每循环的计算算时间为1．25min，

图6

不同增压器转动惯量下发动机模型计算增压压力

压力的跟随性逐渐降低，当转动惯量为1．00×

·m2时，10－3kg跟随性最差，计算的增压压力和试验

－5

·m2数据相比严重滞后。转动惯量为2．57×10kg

时，计算的增压压力和试验值最接近。

已降为第1步简化后耗时时间已经变为0．25min，

第1步的20%；在1200～2000r/min转速范围内，

而第7简化后对应的每个循环的计算时间为1min，步简化后对应的每循环的计算时间为0．15min左

为第1步简化后耗时的15%。简化后模型预测右，

比油耗等性能参数与之前的差别在正常范的功率、围内。

经过对详细发动机物理模型简化后，模型的计

［2］

而模型的计算精度几乎不变，算耗时大幅缩短，极大地提高了计算效率。

2发动机模型的简化

为了得到具有实时功能的发动机性能仿真物理

图7模型每次简化后的计算结果及计算时间

34

现代车用动力2019年第3期

3发动机实时模型测试

要是给发动机0．5s的启动信号（很大的启动扭

让发动机启动，然后使发动机快速进入怠速状矩），

态；在发动机运行1s后给发动机施加600N·m的油门变为60%，此时转速增加，然后发动机在负载，

一个稳定转速下运行；在4s时减小发动机负载到300N·m，油门开度减小到50%，此时发动机在另外一个转速下稳定运行。图9是发动机的启动信号、油门信号、转速、增压压力、缸压曲线、有效扭矩和涡轮机转速。在HIL系统中的测试结果表明：发动机

并且模型和ECU耦合物理模型能满足实时性要求，

后能在NI系统上顺利运行。

当喷射压力为70MPa，在定转速模式下测功机发动机的瞬时转的目标转速设置为1000r/min时，

如果灭掉其中的1个气缸，发动机速如图10所示，

变化后的瞬时转速如图的瞬时转速迅速发生变化，

11所示。从图中可看出，灭缸前各缸燃烧对应的发转速最大值为1010r/min，动机瞬时转速变化很小，

最小转速为987r/min，最大转速波动为13r/min；

灭缸后发动机的最大转速变为1015r/min，而最小转速波动为25r/min，转速波转速变为980r/min，

动比灭缸前的增大一倍。该测试结果表明：发动机模型能在1个工作循环内（720°曲轴转角）反映各缸喷油量的变化对发动机性能的影响。

为了将所建立的发动机实时模型下载到NI硬件

需要将模型转换成HIL系统能接受的的HIL系统中，

［3］

为此需要安装2个平台软件。第1个是文件格式，

NIHIL系统的平台软件，第2个是实时模型的编译软

*．dll，*trb，*．cmp4个件。实时模型生成*．dat，

把这4个文件下载到HIL系统中。文件，

图8是带有外部接口具有多次喷射功能的发动

发动机模型有24个输入接口。机实时仿真物理模型，

图8带有外部接口的发动机实时模型

为测试该发动机模型，设定了一个测试程序，主

图9发动机模型启动及过渡工况的测试结果

（下转第44页）

44

科学性和可操作性。

现代车用动力2019年第3期

J］．声学技术，2002（4）：195-199．特作用［

［3］孙洪日，J］．电子林国辉．超声波清洗原理与工艺分析［

2001（3）：77-78．工艺技术，

［4］李丙才，傅建青，蒋铭潮．超声波清洗生产线及其自动化

J］．设计与研究，2006（12）：49-51．控制［

［5］国际标准化组织－道路车辆技术委员会．道路车辆－液

S］．2018：5．压管路部件清洁度：ISO16232［

参考文献：

［1］林伟成．如何对电路板进行正确的超声波清洗［J］．电子

2005（3）：88-91．工艺技术，

［2］张明铎．超声波清洗在替代ODS清洗工艺技术中的独

櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄（上接第34页）

图10

灭缸前发动机转速的变化

图11

灭缸后发动机转速的变化

4结束语

高精度发动机控制策略开发需要高精度的被控

对象模型，

本文利用GT-Power软件建立了发动机性能实时仿真物理模型，

主要流程如下：a．利用GT-Power软件可以建立详细的发动机模型，

在稳态工况下进行发动机性能标定，外特性工况点的功率、扭矩的计算值和试验值吻合很好，计算

误差在3%范围以内。

b．利用ETC循环的试验结果来标定瞬态发动

机模型，

主要是标定涡轮增压器的响应特性，得到合适的涡轮增压器转动惯量，

使计算的增压压力和试验值一致。

c．通过一定的简化流程把详细的发动机模型

简化为具有实时功能的发动机物理模型，

简化模型大大提高了计算速度，

而模型的精度基本没变。d．将实时模型下载到HIL系统上进行实时性测试，

模型能显示燃油系统变化对发动机瞬态性能的影响。测试结果很好地反映了某一缸的喷油特性变化时，

该缸对应的发动机性能（转速）也发生变化，

即模型可以反映在1个工作循环内（720°曲轴转角）各缸喷油量的变化对发动机性能的影响。

参考文献：

［1］WUＲZENBEＲGEＲJC．，TＲIEBLC，KUTSCHIS，etal．

Particulatematterclassificationinfiltrationandregenera-tion-plantmodelingforSiLandHiLenvironment［C］//SAE2017-01-0970，

2017．［2］GT-SUITE软件发动机性能培训教程．

［3］WUＲZENBEＲGEＲJC．，BAＲDUBITZKIS，KUTSCHIS，

etal．Modelingofcatalyzedparticulatefilters-conceptphasesimulationandreal-timeplantmodelingonHiL［C］//SAE2016-01-0969，2016．