基于LabVIEW的发动机进气系统仿真研究

宋于莎，苏铁熊，呼维俊

（1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2.内蒙古北方重型汽车股份有限公司，内蒙古 包头 014030）

0 引言

在发动机电控系统研发和测试过程中，运用计算机实现发动机快速建模和仿真尤为重要，而快速、准确地建立进气系统模型是整个发动机模型实时运算的基础［1，2］。本文以四缸四冲程点火式汽油机为原型，采用平均值建模方法建立进气系统的理论模型，运用虚拟仪器软件LabVIEW搭建进气系统模型，建立可视化的人工交互界面、多个数据显示终端和实时监控面板，快速、便捷地生成仿真数据，并对模型加以修正和改进。

1 进气系统建模

发动机平均值模型是一种基于时间的控制模型，其平均化处理各气缸，具有较快的动态响应、较短的计算周期和较高的精度［3］。本文基于平均值模型，采用目前普遍运用的速度－密度法［4］建立等压恒温条件下的进气系统模型，此模型无需做大量试验以获得回归分析的试验数据［5］，且加以改进后可应用于其他发动机。节气门气体流量模型、进气门气体流量模型和进气歧管压力模型分别为［6－8］：

根据式（1）～式（3），利用LabVIEW软件编程模块建立模型。发动机进气系统的平均值模型程序框图如图1所示。

2 模型参数辨识

对试验室一台直列四缸四冲程发动机进行试验研究，其排气量Vd为1.432L、进气管容积Vi为2L。在试验台架上，控制发动机转速，节气门开度由小到大，记录发动机稳态工况下的试验数据，对柴油机节气门气体流量计算模型进行标定，完成参数化配置。数据拟合运用LabVIEW自带的线性拟合程序生成拟合图表，节气门处气体流量参数拟合如图2所示，进气歧管压力模型参数拟合如图3所示。根据最小二乘法拟合结果，得到式（1）、式（2）的简化结果为：

将拟合所得的参数输入模型程序框图进行仿真运行，得到仿真结果，如图2、图3所示。

3 进气系统模型验证

本文所搭建的进气系统模型以发动机转速、节气门开度为输入量，进气歧管压力为过程变量，进气门气体质量流量为输出量。在试验台架上控制发动机转速，尽量使试验数据分布于整个转速区间，分别记录发动机在1 000r/min、1 500r/min、2 000r/min和3 000r/min稳态运行下的试验数据。整理数据，记录进气歧管压力与节气门开度之间的关系，记录进气门气体流量与节气门开度之间的对应关系。将试验所得数据与模型仿真结果进行比对，如图4、图5所示。

图1 发动机进气系统平均值模型程序框图

图2 节气门处气体流量参数拟合

图3 进气歧管压力模型参数拟合

图4 不同转速下进气歧管压力仿真与试验数据对比

由图4可知，当发动机转速为1 000r/min和1 500r/min时，仿真模型所得进气歧管压力具有较高的仿真精度；发动机转速为2 000r/min和3 000 r/min时，某些工况下仿真数据与试验数据偏差较大，究其原因，发动机在高转速下的节气门开度趋近饱和，节气门处气体流量主要是受到发动机转速的影响，继而影响进气歧管压力的仿真值。

图5 不同转速下进气门气体质量流量仿真与试验数据对比

由图5可知，进气门气体流量模型的仿真计算值与试验值偏差较大，当转速为3 000r/min时较为明显，较之进气歧管压力模型精度较低。究其原因，在对模型进行数据拟合时未对转速一项进行修正；进行台架试验时，流量计安装在了进气歧管处，稳态工况理论与实际存在偏差。

4 结论

（1）基于发动机平均值模型，运用虚拟仪器软件LabVIEW搭建了发动机进气系统模型，结合试验数据，对模型进行了数据拟合和比对，结果证明此模型模拟数据误差在±8%以内，能够模拟发动机在稳态工况下的运行。

（2）在发动机高速运转时某些工况下的仿真计算值与试验值偏差较大，在搭建平均值模型时，应当加入转速修正项对模型进行修正和改进；同时，在对进气门气体流量模型进行数据拟合时应对发动机不同转速的情况进行多次拟合和改进，以提高拟合精度。

本文搭建的发动机进气系统模型只是发动机模型的第一环，可运用LabVIEW搭建模型的后续模块，并可对传感器系统进行模拟仿真，从而快速、系统地构建发动机ECU测试系统。

［1］石宝玉，张永相.应用发动机平均值模型转矩公式的建模与仿真［J］.机械工程师，2010（2）：51-53.

［2］姚栋伟，吴锋，凌鑫晨.汽油机进气动态特性建模与仿真研究［J］.内燃机工程，2012（3）：60-61.

［3］吴森泽.汽油机管理系统［M］.北京：北京理工大学出版社，2009.

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［6］徐杰.发动机实时模型ECU硬件在环测试平台中的应用与研究［D］.杭州：浙江大学，2011：15-20.

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