47-基于Matlab_Simulink的天然气发动机电控系统仿真

进气歧管动态压力的微分方程式为:
ddtpm
=
RTm Vm
(m
in
-
m
ou t )
( 6)
式中: T m 为进气歧管温度, K; Vm 为进气管加进
气门这段的容积, m3; 其中流入进气歧 管的空气质量
变化率 m in即为节气门流入歧管的空气流量率 m at, 故 m in = m at。H endricks提出了流出进气歧管的空气质量 变化率 为 [ 3] :
( 2)
1 ( ) = 1- cos( - 0 )
( 3)
2 (pr) =
2
k+ 1
prk - pr k , pr
[
k
2 +
k
1]k-
1
=
[
k
2 +
2
1]k- 1 -
[
k
2 +
1
]
k k
+ -
1 1
( 4)
wk.baidu.com
pr = pm /p0
( 5)
式中: m at0, m at1为系数; 0 为怠速时的节气门开度
* 基金项目: 成都农业科技职业学院自然科研项目 ( 200704) 。 作者简介: 杨健 ( 1976- ) , 男, 硕士, 工程师, 研究方向为天然气发动机电子控制技术。
第 6期
杨健: 基于 M atlab / Sim ulink的天然气发动机电控系统仿真
63
如图 1所示, 建立的发动机动态模型包括节气门 体子模型、进气歧管子模型、燃气通道子模型、扭矩输 出子模型以及转速形成子模型这五部分。
关键词: 天然气发动机 电控系统 动态模型 仿真
中图分类号: TK412. 4
文献标识码: A
文章编号: 1671- 0630( 2008) 06- 0062- 03
Sim ulation of E lectronically Controlled System for CNG Engine Based on M atlab / Sim ulink
引言
发展燃气汽车是我国根据能源结构和环保要求提 出的清洁汽车行动的重要内容。天然气发动机采用电 子控制系统来进一步改善排放性能和提高经济性己经 成为共识, 但传统开发方法需要花费大量的人力物力。 其中, 电控燃气系统与发动机的匹配就需要大量台架 试验, 而利用计算机仿真技术, 建立发动机模型为天然 气发动机电控系统提供仿真环境, 可大大节约台架试 验费用, 加快燃气电控系统的开发进度。
4 黄海波, 蹇明, 杨 健. 天然气 与空 气在发 动机 进气道 中混 合特性分析 [ J] . 四川工业学院学报, 2004( 02) : 1~ 3
5 杨健, 余愈. CA 6113B天然气发动机 电控喷射系 统的设计 开发 [ J]. 机械, 2005( 05): 20~ 21 ( 收稿日期: 2007- 10 - 30 )
摘 要: 本文建立的天然气发动机模型是一个连续时间域的平均值发动机模型 ( MVEM ), 该模型主要
包括节气门体子模型、进气歧管子模型、燃气通道子模型、扭矩输出子模型以及转速形成子模型这五部
分。最后以实际发动机为仿真对象进行了仿真计算, 对得出的结果进行了分析。本文提出的方法可避
免大量的实物台架试验, 缩短控制器的研制周期。
3 仿真结果
在成 功建立 了天然 气发 动机动 态模型 后, 使用
M atlab / sium u link软件对发动机动态模型进行了仿真,
为了确保模拟的实时性, 仿真方法采用固定步长的龙
格一库塔 ( Runge- Ku tta) 法, 步长取 0. 01s。图 3为仿
真结果, 曲线 a为天然气发动机模型过量空气系数 &at 的仿真结果, 曲线 b为转速 n 的仿真结果, 曲线 c为进
则进入气缸中的燃气流率方程式:
m f = m ft |t- !t - !t ab
( 8)
式中 m ft为气体喷射器喷射流率, kg / s。
1. 4 动力输出子模型
发动机输出扭矩由空燃比 A /F、气缸内充量的总
质量 M、点火提前角 %和发动机转速 N 拟合而成, 可以 表示为:
T tq = T tq ( A /F, M, %, N )
m out =
Vd 120RTm
(
sipm
+
yi)
n
( 7)
式中: Vd 发动机工作容积, L; si、y i 为系数 ( 对应于
不同工况 )。
1. 3 燃气通道子模型
在顺序燃料喷射算法中, 燃气动态模型的过程是 从计算出需要喷射的燃气量开始, 到进气阀门关闭为 止, 在此过程中, 时间延迟是对系统动态响应非常重要
第 37卷 第 6期 2008年 12月
测控技术
小型内燃机与摩托车 SMALL INTERNAL COM BUST ION ENG INE AND MOTORCYCLE
Vo.l 37 No. 6 Dec. 2008
基于 M atlab / Sim uli nk的天然气发动机电控系统仿真*
杨健 ( 成都农业科技职业学院 四川 成都 611130)
喷射器的响应速度和喷射精度等多种因素影响, 所以
采用 P ID闭环控制, 根据反馈实时调整喷气量, 使之达
到精确控制。在仿真过程中, 天然气的控制策略采用
以下公式:
m fi = m at / ( &at Lth )
( 11)
式中 : &at为过量空气系数; Lth为化学当量系数, 天
然气取 17. 2[ 4] 。
气歧管压力 p 仿真结果。
从仿真结果来看, 过量空气系数稳态值为 1. 0035,
到达稳定的时间为 0. 2s左右, 比汽油机短, 这是因为
燃气机没有汽油机的 # 湿壁 ∃现象, 故能更快到达稳定
状态。转速稳 态值为 1580 r/m in, 到达 稳定的时 间为
4. 6s左右, 进气歧管压力稳态值为 0. 0786M Pa, 达到稳
图 1 天然 气发动机动态模型图
1. 1 节气门体子模型
节气门的作用是通过对空气的节流来控制扭矩输
出, H eywood提出的节气门体模 型是由孔隙系数 K th、
节气门体流通截面积 A th、空气流量参数 、大气压力 p 0 拟合成的空气流量率 m at [ 1] 。
m at = K thA th p0
Y ang Jian
Chengdu V ocational Co llege of A gricultural Science and T echno logy ( Chengdu, 611130)
Abstract: T he CNG eng ine m odel is a continuous tim e f ield and m ean value engine m ode.l It includes five parts, the sub m ode l of throttle body, sub m odel o f air m an ifo ld, sub m odel of fuel gas channels, sub mode l of ou tput torsion and sub m ode l o f ro tate speed. Furtherm ore it is realized in an actual eng ine, and the sim u la t ing results are analyzed. T he m e thod proposed need short deve lopm ent period and a lot o f ign ition experim en ts are avo ided. K eyw ord s: CNG eng ine, E lectron ica lly con tro lled system, Dynam ic m ode,l Sim ulat ion
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小型内燃机与摩托车
2 发动机空燃比控制策略的研究
P ID控制以经典控制理论为基础, 是连续系统中 技术成熟、应用最为广泛的一种控制方法, 将偏差的比 例、积分和微分通过线性组合构成控制量, 对被控对象 进行控制, 图 2为 P ID控制系统框图。
第 37卷
图 2 PID 控制系统框图
由于发动机空燃比受转速、负荷、温度、气体燃料
( 1)
RT 0
式中: R 为普适气体常数; T 0 为环境温度, K。
公式 ( 1) 在仿真模拟稳定工况时具有很高的精确
度, 但在仿真瞬态变化工况时, 尤其是在节气门开度突 变时, 精确度下降。本文建立的模型采用 H endricks提 出的更能仿真模拟瞬态工况的公式 [ 2 ] 。
m at = m at1 1 ( ) 2 ( pr ) + m at0
定值的时间为 2. 6s左右。
图 3 天然 气发动机模型仿真结果图
4 结论
本文建立了一个连续时间域的、平均值天然气发 动机模型, 并验证了模型的正确性。该模型为天然气 发动机电控系统提供的仿真环境, 可以替代大量实机 台架试验, 缩短燃气发动机开发周期, 具有重要的应用 价值。
参考文献
1 H endricks E, V esterho lm T. T he analysis o f m ean va lue SI eng ine m ode ls. SA E 920682
( 9)
1. 5 转速形成子模型
转速表示为:
N
=
30(T tq - T L ∀ Je
)
式中: T L 为发动机外部负载扭矩, N
动机惯量, kg m2。
( 10) m; Je 为发
本文建立的发动机平均值模型主要是从工质流动
和能量转换的角度对发动机运行进行分析和模拟, 不 包括燃烧过程和排放物生成过程的模拟。
( !); 为节 气 门开 度 ( !); k 为空 气 比热 容比 ( k =
1. 4); pm 为进气歧管绝对压力, kPa。
1. 2 进气歧管空气流量子模型
进气歧管对节气门角度变化的动态影响是非常重
要的, 在建立进气歧管模型时, 我们假设燃气对进气歧 管内空气和 EGR的动态特性影响忽略不计。
的影响因素。动态过程中有两个时间延迟, 第一个是 从燃气量计算出来后, 到相应的喷气阀开始动作这段 时间延迟 !ta, 通过如下公式计算: !ta = ∀/ ( 2 #e )。 对于顺序喷射系统, 每缸开始喷射时间定义为相对上 止点的曲轴转角, 因此又增加了一段时间延迟 !tb, 从 燃气开始喷射时刻 ∃ in j ( ∀ A ) 到进气阀关闭时刻 ∃ jvc ( ∀ A )为止, 计算公式为: !tb = ( ∃ in j - ∃ jv c ) /#e
1 天然气发动机动态模型的建立
本研究建立的动态模型为平均值模型 ( MVEM )。 该模型以代数方程和微分方程的形式对进入进气歧管 内的空气和天然气以及曲轴转速等建立动态模型, 并 对空气和天然气的动态特性深入描述, 同时对发动机 瞬态过程空燃比的响应进行分析。平均值模型着眼于 整机的动态特性, 忽略了一个工作循环内不同曲轴转 角时各缸的差别, 对各缸的工作状态进行平均值处理, 是基于时间的控制模型, 具有较高的整体精度。
2 K ao M, M oskw a J. N onlinear cy linder and intake m an ifold pressure observers for eng ine contro l and d iagnostics. SAE 94 037 5
3 H endricks E, Cheva lier A. m ode ling o f the intake m an ifold filling dynam ics. SAE 960037