基于Simulink的柴油机冷却水温度实时仿真模型
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图 1 发动机冷却系统循环框图
图 2 发动机能量分布图
111 燃烧放热
发动机燃烧是一个十分复杂的过程 。其放热量
的大小与循环喷油量 、空燃比 ( α) 以及燃烧效率等
密切相关 ;其中的燃烧效率定义为完全燃烧燃料与
喷入气缸燃料之比 ,它是过量空气系数( <a ) 的函数 : 3 <a/ 5 ( <a < 1125)
本次模型仿真采用 ode45 仿真算法 。系统主要 包括 5 个模块 :初始化模块 、时间换算模块 、机体散 热模块 、散热器模块及计算输出模块 ,模型框图如图 4 所示 。开始仿真时 ,通过设置初始化模块设置初 始参数 ;时间转换模块用于把仿真时间转换为实际 的发动机运转时间 ;当发动机水温不足 82 ℃时 ,仅 通过机体散热模块计算水温 ,这时散热器模块的输 出为 0 ;当水温超过 82 ℃时 ,通过一个触发模块使 散热器模块开始工作 ;最后通过一个总的计算模块 计算出本次循环的水温 ,并记录本循环相应的一些 参数以供下次循环计算使用 。
由于发动机的机体温度不是很高 ,辐射散热量
和导热散热量很小 ,可以忽略 。机体的散热主要是
以对流方式散失到环境大气中 。由传热学可知 ,通
过机体的对流散热量为 :
Qair = heng ·F ·( Teng - Tair) ,
(3)
式中 , Teng 为发动机机体的冷却水温度 ; Tair 为空
工况下的机体散热可以通过计算得到 ,而废气带走 的热量是很难计算得到的 。因此 ,这里根据经验引 入一个拒热量 ,其含义为机体散热与散热器散热量 之和 。发动机增压强化后 ,传热损失的绝对值增加 , 但从相对加入的热量看是减少的[2 ] 。相对传热损 失 ( ω) 的值见表 1 。总的拒热量的计算式为 :
出口温度 ,即发动机冷却水温度 ;而换热器出口水温则
是进入机体的冷却水温度。通过换热器的散热量为 :
Q rad = qMCL cp ( Teng - Teng-in) 。
(5)
由热平衡方程可得 , Q rad = Qloss ,
Q rad = A h ( Teng - Tair) ,
Q loss = qMCL cp ( Teng - Teng-in) ,
是针对发动机试验台架的 ,采用的是壳管式换热器 , 用水作冷却液进行的 ;而实际的车用换热器及冷却 液都与此不同 。对于这些差异 ,只需厂家提供车用 换热器的一些参数 ,修改冷却液的物理参数即可 ,无 需对模型做太大的修改 。
赫 强 , 梁 锋 , 杨 林 , 卓 斌
(上海交通大学汽车电子技术研究所 , 上海 200030)
摘要 : 利用 Simulink 建立了一个柴油机冷却系统模型 ,利用这一模型对柴油机冷却水温作出预测 ,为节温器及 水温传感器的诊断提供了重要依据 。最后在 YC6112ZLQ 柴油机上进行了试验 ,证明模型值与实测值的最大误差 小于 5 % ,并能满足实时性的要求 。 关键词 : 柴油机 ; 节温器 ; 冷却水温 ; 模型 中图分类号 : T K421 文献标识码 : B 文章编号 : 1001 - 2222 (2004) 02 - 0032 - 04
Teng-in =
Teng -
Ah ( qMCL cp
T eng
-
Tair) ,
(6)
式中 , Qloss 为机体热水散发给散热器的热量 ; Qrad 为散
热器中冷水带走的热量 ; Teng 为机体热水温度 ; Teng-in
则为经过散热器散热后流入机体的入口水温 ; cp 为水
的比热容 ;而冷水温度为室温 ,故为 Tair 。
温器 。
11213 发动机冷却水流量
流经散热器的冷却水流量主要取决于水泵的转
速 ,而水泵的转速又与发动机的转速直接相关 。冷
却水流量可以简化为发动机转速的线性函数[4 ] 。
当发动机转速为 n 时 ,若机体冷却水流量为 q ,则对
换热器散热量与换热器入口水温和出口水温有
关 ,这里认为换热器的入口水温就是机体冷却水的
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2004 年 4 月 赫 强 , 等 : 基于 Simulink 的柴油机冷却水温度实时仿真模型 · 3 3 ·
Q rej = Q ·ω 。
表 1 发动机的相对传热损失
发动机类型
小型发动机 n > 1 000 r/ min
中型发动机 n = 200 r/ min～1 000 r/ min
大型低速发动机 n < 200 r/ min
ω/ % 非增压 增压 30～18 20～15 20～15 18～12 18～15 16～11
气温度 ;机体换热系数 heng 可以由传热学的有关方
法计算得到 ;而机体的等效换热面积 F 则由发动机
的有关几何尺寸以及设计经验获得 。
11212 节温器模型
发动机冷却系统中的节温器相当于一个温控
阀 ,当发动机冷却水温度达到一定数值后 ,节温器开
始打开 ,冷却水通过节温器流经散热器走大循环进
行散热 ;而冷却水流量则与节温器打开的横截面积
管外的换热系数的计算 ,按照科恩提出的公式 ,对缺 口高度为 25 % ,雷诺数在 2 000～1 000 000 时 ,则 N uf = 0. 36 Ref0. 55 Pr f 0. 33 (μf/ μw) 0. 14 , (8) 式中 , N uf 定义为 N uf = ho l/ λ ; Ref 为雷诺数 ,其定 义为 Ref = ul/ v ; l 为定性尺寸 ,由传热学规律决 定 ;λ为导热系数 ; v 为运动黏度 ; μ为动力黏度 (脚 标 f 代表定性温度为流体温度 ; w 代表定性温度为
第 2 期 (总第 150 期) 2004 年 4 月
车 用 发 动 机 V EHICL E EN GIN E
No .
2 (Serial No. Apr. 2004
150)
·模拟技术·
基于 Simulink 的柴油机冷却水温度实时仿真模型
式(6) 中关键是换热器的换热面积 A 和换热系数
h 的计算。钢制壳管式换热器换热面积的计算式
为[3] :
A = π d ( L - 2ε - 01006) m ,
(7)
式中 , d 为换热管外径 ; L 为换热管长度 ;ε为管板
厚度 ; m 为管数 。换热系数 h 的计算要分为换热管
内的换热系数和管外 (壳侧) 的换热系数来计算 。对
器打开以后的大循环散热 。 发动机的能量分布主要由燃烧放热 、通过机体 缸盖等发动机表面的对流散热 、通过排气管的散热、 做功损失和通过散热器的散热等几部分组成(见图 2) 。
1 模型建立
典型车用发动机的冷却系统模块包括机体 、节 温器 、冷却水泵 、散热器 、冷却风扇 、管路以及水温传 感器等 。当发动机的冷却水温较低时 ,节温器处于 关闭状态 ,冷却水走的是机体的小循环散热 ;当发动 机水温到达一定数值时 ,节温器开始打开 ,冷却水经 节温器进入散热器大循环散热 ,从而保证了发动机 的充分冷却 (见图 1) 。因此 ,模型必须分成两部分 来处理 ,即节温器未打开的机体小循环散热和节温
112 发动机散热模型
燃油燃烧产生的热量大部分转换为曲轴轴功 ,
通过做功损失掉 ;其他部分则通过机体和缸盖散热 、
散热器散热 、废气带走热量等方式散失 。对于不同
收稿日期 : 2003 - 12 - 04 ; 修回日期 : 2004 - 04 - 05 作者简介 : 赫 强 (1979 - ) ,男 ,陕西省韩城市人 ,在读工学硕士 ,主要研究柴油机故障诊断及仿真.
管壁温度) ; Prf ,λ,ν,μ 等参数都可以通过查阅换 热器设计手册等获得 。雷诺数中 u 的计算 ,以流经 管外的当量流速 u 为准 :
u
=
qVCL BD (1 - d/ s)
,
(Leabharlann Baidu)
式中 : B 为挡板间距 ; D 为换热器壳体内径 ; s 为相
邻两管中心距 ; d 为换热器管子外径 ; qVCL 为冷流
体的体积流量 。最后将 u 代入雷诺数中 ,结合公式
(8) 即可得到管外的换热系数 ho 。
圆管内侧换热系数的计算比较简单 。计算出各
部分的换热系数后 ,即可确定总的换热系数 h [。3 ]
2 模型仿真
Simulink 是一个功能强大的仿真软件 ,它用模 块组合的方法使用户能够快速准确地建模与仿真 , 不仅省时省力而且安全可靠 。
ηu = ( <a + 1) / 3 (1125 ≤ <a ≤2) , (1)
1 ( <a > 2) 对于 6 缸柴油机曲轴转 360°的燃烧放热量为 :
Q = 3 ·mf ·Hu ·ηu ,
(2)
式中 , Q 为燃烧放热量 ; mf 为每循环每缸供油量 ;
Hu 为燃油的低热值 。
但必须指出的是 ,文中的试验以及模型仿真都
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2004 年 4 月 赫 强 , 等 : 基于 Simulink 的柴油机冷却水温度实时仿真模型 · 3 5 ·
直接相关 。本文中将节温器的打开面积处理为发动
机冷却水温度的简单线性函数[1 ] :对于 Teng < T1 , δ = 0 ;对于 Teng > T2 ,δ = 1 ;而对于 T1 ≤ Teng ≤ T2 , δ = ( Teng - T1) / ( T2 - T1) ,这里 , δ为节温
器相对打开面积系数 ; T1 为节温器打开的最小温 度 ; T2 为节温器全开的最小温度。本次试验中使 用的是 82 ℃开始打开 ,到 90 ℃全部打开的蜡式节
3 试验结果
试验在 YC6112ZL Q 发动机上进行 。图 5 和图 6 是计算值与实测值的比较 。试验结果表明 ,模型 值与 ECT 采集值的最大误差小于 5 %。造成误差 的因素是多方面的 ,主要是模型中的公式大多为经 验公式 ;但 5 %的最大误差已经能够较好地满足诊 断的要求 。
图 5 怠速暖机时工况 (950 r/ min) 的模 型输出值与 ECT 采集值
应于其他不同曲轴转速( RPM ) 下的冷却水流量为 :
qMCL = R PM ·q/ n 。
(4)
11214 换热器散热
由于本文模拟的是发动机试验台架上的冷却系
统 ,采用钢制壳管式换热器代替实际汽车上的板翅
式换热器 ,其结构见图 3 。
图 3 壳管式换热器结构
11211 机体散热
图 4 模型框图
图 6 从 950 r/ min 暖机加速到 1 500 r/ min 的模型值与 ECT 采集值
4 结束语
本文提出的基于 Simulink 仿真的柴油机冷却 系统模型可以较好地预测出实际的柴油机冷却水温 度 ;一个周期的计算耗时不过几个毫秒 ,完全满足实 时性的要求 ;从 Simulink 可以很方便地将模型转换 为 C 语言 ,为 ECU 诊断 ECT 及节温器提供了依据 。
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· 34 · 车 用 发 动 机 2004 年第 2 期
车用发动机冷却系统对发动机性能有着重大的 影响 。冷却水温维持在一个合适范围内 ,是取得最 佳的动力性 、经济性以及良好的排放的必要条件 。 国内目前仅有汽油机冷却系统方面的报道 ,对于柴 油机的研究还比较少 。为了对发动机冷却水温进行 预测 ,进而对节温器和水温传感器作出诊断 ,本文利 用 ECU 和一些传感器提供的进气质量流量 、发动机 起始温度 、转速 、环境温度及运转时间等参数信息 , 提出并建立了一个发动机冷却系统模型 。
图 2 发动机能量分布图
111 燃烧放热
发动机燃烧是一个十分复杂的过程 。其放热量
的大小与循环喷油量 、空燃比 ( α) 以及燃烧效率等
密切相关 ;其中的燃烧效率定义为完全燃烧燃料与
喷入气缸燃料之比 ,它是过量空气系数( <a ) 的函数 : 3 <a/ 5 ( <a < 1125)
本次模型仿真采用 ode45 仿真算法 。系统主要 包括 5 个模块 :初始化模块 、时间换算模块 、机体散 热模块 、散热器模块及计算输出模块 ,模型框图如图 4 所示 。开始仿真时 ,通过设置初始化模块设置初 始参数 ;时间转换模块用于把仿真时间转换为实际 的发动机运转时间 ;当发动机水温不足 82 ℃时 ,仅 通过机体散热模块计算水温 ,这时散热器模块的输 出为 0 ;当水温超过 82 ℃时 ,通过一个触发模块使 散热器模块开始工作 ;最后通过一个总的计算模块 计算出本次循环的水温 ,并记录本循环相应的一些 参数以供下次循环计算使用 。
由于发动机的机体温度不是很高 ,辐射散热量
和导热散热量很小 ,可以忽略 。机体的散热主要是
以对流方式散失到环境大气中 。由传热学可知 ,通
过机体的对流散热量为 :
Qair = heng ·F ·( Teng - Tair) ,
(3)
式中 , Teng 为发动机机体的冷却水温度 ; Tair 为空
工况下的机体散热可以通过计算得到 ,而废气带走 的热量是很难计算得到的 。因此 ,这里根据经验引 入一个拒热量 ,其含义为机体散热与散热器散热量 之和 。发动机增压强化后 ,传热损失的绝对值增加 , 但从相对加入的热量看是减少的[2 ] 。相对传热损 失 ( ω) 的值见表 1 。总的拒热量的计算式为 :
出口温度 ,即发动机冷却水温度 ;而换热器出口水温则
是进入机体的冷却水温度。通过换热器的散热量为 :
Q rad = qMCL cp ( Teng - Teng-in) 。
(5)
由热平衡方程可得 , Q rad = Qloss ,
Q rad = A h ( Teng - Tair) ,
Q loss = qMCL cp ( Teng - Teng-in) ,
是针对发动机试验台架的 ,采用的是壳管式换热器 , 用水作冷却液进行的 ;而实际的车用换热器及冷却 液都与此不同 。对于这些差异 ,只需厂家提供车用 换热器的一些参数 ,修改冷却液的物理参数即可 ,无 需对模型做太大的修改 。
赫 强 , 梁 锋 , 杨 林 , 卓 斌
(上海交通大学汽车电子技术研究所 , 上海 200030)
摘要 : 利用 Simulink 建立了一个柴油机冷却系统模型 ,利用这一模型对柴油机冷却水温作出预测 ,为节温器及 水温传感器的诊断提供了重要依据 。最后在 YC6112ZLQ 柴油机上进行了试验 ,证明模型值与实测值的最大误差 小于 5 % ,并能满足实时性的要求 。 关键词 : 柴油机 ; 节温器 ; 冷却水温 ; 模型 中图分类号 : T K421 文献标识码 : B 文章编号 : 1001 - 2222 (2004) 02 - 0032 - 04
Teng-in =
Teng -
Ah ( qMCL cp
T eng
-
Tair) ,
(6)
式中 , Qloss 为机体热水散发给散热器的热量 ; Qrad 为散
热器中冷水带走的热量 ; Teng 为机体热水温度 ; Teng-in
则为经过散热器散热后流入机体的入口水温 ; cp 为水
的比热容 ;而冷水温度为室温 ,故为 Tair 。
温器 。
11213 发动机冷却水流量
流经散热器的冷却水流量主要取决于水泵的转
速 ,而水泵的转速又与发动机的转速直接相关 。冷
却水流量可以简化为发动机转速的线性函数[4 ] 。
当发动机转速为 n 时 ,若机体冷却水流量为 q ,则对
换热器散热量与换热器入口水温和出口水温有
关 ,这里认为换热器的入口水温就是机体冷却水的
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2004 年 4 月 赫 强 , 等 : 基于 Simulink 的柴油机冷却水温度实时仿真模型 · 3 3 ·
Q rej = Q ·ω 。
表 1 发动机的相对传热损失
发动机类型
小型发动机 n > 1 000 r/ min
中型发动机 n = 200 r/ min～1 000 r/ min
大型低速发动机 n < 200 r/ min
ω/ % 非增压 增压 30～18 20～15 20～15 18～12 18～15 16～11
气温度 ;机体换热系数 heng 可以由传热学的有关方
法计算得到 ;而机体的等效换热面积 F 则由发动机
的有关几何尺寸以及设计经验获得 。
11212 节温器模型
发动机冷却系统中的节温器相当于一个温控
阀 ,当发动机冷却水温度达到一定数值后 ,节温器开
始打开 ,冷却水通过节温器流经散热器走大循环进
行散热 ;而冷却水流量则与节温器打开的横截面积
管外的换热系数的计算 ,按照科恩提出的公式 ,对缺 口高度为 25 % ,雷诺数在 2 000～1 000 000 时 ,则 N uf = 0. 36 Ref0. 55 Pr f 0. 33 (μf/ μw) 0. 14 , (8) 式中 , N uf 定义为 N uf = ho l/ λ ; Ref 为雷诺数 ,其定 义为 Ref = ul/ v ; l 为定性尺寸 ,由传热学规律决 定 ;λ为导热系数 ; v 为运动黏度 ; μ为动力黏度 (脚 标 f 代表定性温度为流体温度 ; w 代表定性温度为
第 2 期 (总第 150 期) 2004 年 4 月
车 用 发 动 机 V EHICL E EN GIN E
No .
2 (Serial No. Apr. 2004
150)
·模拟技术·
基于 Simulink 的柴油机冷却水温度实时仿真模型
式(6) 中关键是换热器的换热面积 A 和换热系数
h 的计算。钢制壳管式换热器换热面积的计算式
为[3] :
A = π d ( L - 2ε - 01006) m ,
(7)
式中 , d 为换热管外径 ; L 为换热管长度 ;ε为管板
厚度 ; m 为管数 。换热系数 h 的计算要分为换热管
内的换热系数和管外 (壳侧) 的换热系数来计算 。对
器打开以后的大循环散热 。 发动机的能量分布主要由燃烧放热 、通过机体 缸盖等发动机表面的对流散热 、通过排气管的散热、 做功损失和通过散热器的散热等几部分组成(见图 2) 。
1 模型建立
典型车用发动机的冷却系统模块包括机体 、节 温器 、冷却水泵 、散热器 、冷却风扇 、管路以及水温传 感器等 。当发动机的冷却水温较低时 ,节温器处于 关闭状态 ,冷却水走的是机体的小循环散热 ;当发动 机水温到达一定数值时 ,节温器开始打开 ,冷却水经 节温器进入散热器大循环散热 ,从而保证了发动机 的充分冷却 (见图 1) 。因此 ,模型必须分成两部分 来处理 ,即节温器未打开的机体小循环散热和节温
112 发动机散热模型
燃油燃烧产生的热量大部分转换为曲轴轴功 ,
通过做功损失掉 ;其他部分则通过机体和缸盖散热 、
散热器散热 、废气带走热量等方式散失 。对于不同
收稿日期 : 2003 - 12 - 04 ; 修回日期 : 2004 - 04 - 05 作者简介 : 赫 强 (1979 - ) ,男 ,陕西省韩城市人 ,在读工学硕士 ,主要研究柴油机故障诊断及仿真.
管壁温度) ; Prf ,λ,ν,μ 等参数都可以通过查阅换 热器设计手册等获得 。雷诺数中 u 的计算 ,以流经 管外的当量流速 u 为准 :
u
=
qVCL BD (1 - d/ s)
,
(Leabharlann Baidu)
式中 : B 为挡板间距 ; D 为换热器壳体内径 ; s 为相
邻两管中心距 ; d 为换热器管子外径 ; qVCL 为冷流
体的体积流量 。最后将 u 代入雷诺数中 ,结合公式
(8) 即可得到管外的换热系数 ho 。
圆管内侧换热系数的计算比较简单 。计算出各
部分的换热系数后 ,即可确定总的换热系数 h [。3 ]
2 模型仿真
Simulink 是一个功能强大的仿真软件 ,它用模 块组合的方法使用户能够快速准确地建模与仿真 , 不仅省时省力而且安全可靠 。
ηu = ( <a + 1) / 3 (1125 ≤ <a ≤2) , (1)
1 ( <a > 2) 对于 6 缸柴油机曲轴转 360°的燃烧放热量为 :
Q = 3 ·mf ·Hu ·ηu ,
(2)
式中 , Q 为燃烧放热量 ; mf 为每循环每缸供油量 ;
Hu 为燃油的低热值 。
但必须指出的是 ,文中的试验以及模型仿真都
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2004 年 4 月 赫 强 , 等 : 基于 Simulink 的柴油机冷却水温度实时仿真模型 · 3 5 ·
直接相关 。本文中将节温器的打开面积处理为发动
机冷却水温度的简单线性函数[1 ] :对于 Teng < T1 , δ = 0 ;对于 Teng > T2 ,δ = 1 ;而对于 T1 ≤ Teng ≤ T2 , δ = ( Teng - T1) / ( T2 - T1) ,这里 , δ为节温
器相对打开面积系数 ; T1 为节温器打开的最小温 度 ; T2 为节温器全开的最小温度。本次试验中使 用的是 82 ℃开始打开 ,到 90 ℃全部打开的蜡式节
3 试验结果
试验在 YC6112ZL Q 发动机上进行 。图 5 和图 6 是计算值与实测值的比较 。试验结果表明 ,模型 值与 ECT 采集值的最大误差小于 5 %。造成误差 的因素是多方面的 ,主要是模型中的公式大多为经 验公式 ;但 5 %的最大误差已经能够较好地满足诊 断的要求 。
图 5 怠速暖机时工况 (950 r/ min) 的模 型输出值与 ECT 采集值
应于其他不同曲轴转速( RPM ) 下的冷却水流量为 :
qMCL = R PM ·q/ n 。
(4)
11214 换热器散热
由于本文模拟的是发动机试验台架上的冷却系
统 ,采用钢制壳管式换热器代替实际汽车上的板翅
式换热器 ,其结构见图 3 。
图 3 壳管式换热器结构
11211 机体散热
图 4 模型框图
图 6 从 950 r/ min 暖机加速到 1 500 r/ min 的模型值与 ECT 采集值
4 结束语
本文提出的基于 Simulink 仿真的柴油机冷却 系统模型可以较好地预测出实际的柴油机冷却水温 度 ;一个周期的计算耗时不过几个毫秒 ,完全满足实 时性的要求 ;从 Simulink 可以很方便地将模型转换 为 C 语言 ,为 ECU 诊断 ECT 及节温器提供了依据 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
· 34 · 车 用 发 动 机 2004 年第 2 期
车用发动机冷却系统对发动机性能有着重大的 影响 。冷却水温维持在一个合适范围内 ,是取得最 佳的动力性 、经济性以及良好的排放的必要条件 。 国内目前仅有汽油机冷却系统方面的报道 ,对于柴 油机的研究还比较少 。为了对发动机冷却水温进行 预测 ,进而对节温器和水温传感器作出诊断 ,本文利 用 ECU 和一些传感器提供的进气质量流量 、发动机 起始温度 、转速 、环境温度及运转时间等参数信息 , 提出并建立了一个发动机冷却系统模型 。