面向HIL应用的大功率柴油机半物理建模方法

孟长江,贾利,范燕朝,申晓彦,董新宇,吕慧,王海燕，仇会彬，刘国浩，任路

(1.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400；2.北京经纬恒润科技有限公司，北京 100191； 3.西安军事代表局驻天水地区军事代表室，甘肃 天水 741000)

面向HIL应用的大功率柴油机半物理建模方法

孟长江1,贾利1,范燕朝1,申晓彦1,董新宇1,吕慧1,王海燕2，仇会彬2，刘国浩3，任路1

(1.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400；2.北京经纬恒润科技有限公司，北京 100191； 3.西安军事代表局驻天水地区军事代表室，甘肃 天水 741000)

为实现控制器硬件在环(Hardware-in-the-loop,HIL)测试，根据半物理建模方法，基于Matlab/Simulink建立了大功率高压共轨柴油机实时仿真模型。介绍了柴油机关键部件的建模原理，并进行了起动、怠速工况和测功机工况下的仿真试验，通过对比分析发现，仿真结果与试验数据误差小于6%，表明所建柴油机模型能够完成控制器控制功能的验证，可以应用于发动机控制策略的前期开发和控制器的HIL测试，模型具有较高的可靠性和通用性。

柴油机；高压共轨；硬件在环；半物理模型；仿真

HIL仿真是车辆电控单元(ECU)开发流程中的重要环节。HIL仿真测试系统以实时硬件平台运行仿真模型来模拟被控对象的运行状态，通过I/O接口与真实ECU形成闭环测试环境，通过模拟被控对象的各种复杂工况，如故障工况、极限工况，可以实现对被测ECU的全面、系统测试，从而及早发现系统设计中的缺陷，可以有效缩短ECU的开发周期、降低产品的开发成本[1-3]。

柴油机的数学模型是HIL仿真的核心，需要兼顾精确性和实时性的要求。目前，应用于HIL仿真测试的模型主要采用均值模型的建模方法，重在描述柴油机的状态变量平均值随时间的变化过程，柴油机的物理过程完全通过代数方程或者微分方程来表示，但对于复杂的过程，难以通过简单的方程准确描述其特性。本研究采用了一种半物理建模方法，即机理建模和试验建模相结合的方法，根据柴油机的工作原理，对各工作系统进行了物理意义明确的简化处理，物理过程清晰的环节用方程表示，物理过程复杂的环节用试验数据表示，突出实时性，同时又能准确描述柴油机的物理特性[4-8]。

1 高压共轨柴油机建模研究

1.1模型的总体结构

以HIL应用为目的，根据大功率高压共轨柴油机的系统结构和功能原理，将柴油机模型简化为燃油系统、进气系统、气缸模块、冷却系统、排气系统、曲轴动力学子模型，并建立了简单的传动系统、起动机、测功机等模型。根据柴油机的不同运行工况，由燃油系统和进气系统分别计算当前需要的喷油量和进气量，在气缸模块进行混合气体燃烧扭矩计算，该扭矩克服柴油机工作过程中的摩擦扭矩，通过曲轴动力学模型转化为柴油机的转速输出，并传递给传动系统。柴油机的结构和原理见图1。

图1 柴油机结构和工作原理

在满足柴油机基本性能的前提下，从研究柴油机电控系统实时性需求的角度出发对建模过程作如下简化[9-12]：

1) 忽略柴油机工作过程中气体、液体压力和温度的周期性波动；

2) 忽略气缸内复杂的工作过程和曲柄连杆机构的动力学计算，假设气缸内气体的状态满足理想气体状态方程和能量守恒定律；

3) 气缸内气体燃烧满足均匀混合气燃烧的假设。

1.2燃油系统模型

高压共轨燃油系统由低压油路和高压油路组成，高压油路主要包括高压油泵、喷油器、油轨。

1.2.1高压油泵模型

高压油泵的泵油量由进油计量阀的最大流量和油泵物理参数决定，其体积流量计算公式为

(1)

1.2.2喷油器模型

喷油器模型采用基于试验数据的建模方法，不考虑瞬态喷油过程，通过查喷油器特性MAP图获得每缸的循环喷油质量(见图2)。喷油器特性为

(2)

对于多次喷射，通过查询多个MAP图获得单次喷油质量，各质量相加获得总循环喷油质量。

图2 喷油器特性MAP示意

1.2.3油轨模型

油轨压力的变化主要由共轨管内油量的变化引起，包括流入油轨的泵油量、流出油轨的喷油量和燃油泄漏量。轨压计算公式为

(3)

1.3进气系统模型

进气系统模型用于计算进入气缸的空气流量和气体状态，主要包括增压器、节流阀和进气歧管、进气门模型。

1.3.1增压器模型

根据现象学模型原理，采用基于试验数据的建模方法，通过查增压器特性MAP表获得压气机后的增压压力，同时假设中冷器效率足够高，压缩前后的气体温度不变。

增压器的特性为

pBoostPres=pInPres+pRel(VInj,n)。

(4)

式中：pBoostPres为增压后的压力；pInPres为压气机入口压力，此处为环境压力；pRel(VInj,n)为增压器出口的相对压力MAP(见图3)；VInj为单缸循环喷油量，用于表示负荷；n为发动机的转速。

对于VGT(Variable Geometry Turbocharger)或带有Waste Gate的涡轮增压器，用两个特性MAP分别表示控制阀处于两个极限位置时的压力，实际增压压力根据当前控制信号由两个特性MAP线性内插值计算。

图3 涡轮增压器相对增压压力特性MAP示意

1.3.2节流阀和进气歧管模型

假设进气管前后气体浓度不变，温度相同，符合理想气体方程，且为等熵流动。

根据容积法模型原理，通过节流阀的空气质量流量根据以下公式计算：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

进气歧管内的压力利用充排法模型计算，根据质量守恒定律，进气歧管内空气质量流量计算公式为

(11)

根据理想气体状态方程，进气歧管压力计算公式为

(12)

1.3.3进气门模型

假设气门关闭后，进气歧管和气缸内气体热力学状态相同。根据理想气体状态方程和发动机转速，通过进气门进入气缸的空气质量流量为

(13)

式中：Vs为气缸工作容积；η(pout,n)为容积效率。

1.4扭矩计算模型

扭矩计算主要由气缸模块完成，包括平均指示扭矩、随曲轴转角变化的扭矩和摩擦扭矩的计算。其中，最优平均指示扭矩和摩擦扭矩计算根据试验数据建模方法，通过查询MAP图获得(见图4和图5)。

平均指示扭矩的计算公式为

TIndi=TOptIndi(VInj,n)·η(λ)·η(αInj)·η(pRail)。

(14)

式中：TOptIndi(VInj,n)为最优燃烧扭矩；VInj为单缸循环喷油量；η(λ)为空燃比修正系数；η(αInj)为喷油提前角修正系数；η(pRail)为轨压修正系数。

为了能更准确描述一个工作循环内燃烧扭矩的动态过程，通过一个随曲轴转角变化的形函与平均指示扭矩相乘，实现气缸仅在做功行程输出扭矩。根据此扭矩计算的转速可以作为发动机失火检测的依据。

图4 最优平均指示扭矩MAP示意

图5 摩擦扭矩MAP示意

图6 随曲轴转角变化的形函示意

摩擦扭矩的计算公式为

TqFric=fn,TEng。

(15)

式中：TEng为发动机温度。

1.5曲轴动力学模型

曲轴动力学模型用于计算发动机转速。将系统简化为柴油机、负载、起动机3个回转质量以及无惯性联轴节构成的当量系统。根据牛顿第二定律，发动机转速计算公式为

(16)

式中：TqEng为发动机指示扭矩；TqExt为外部扭矩，包括起动机扭矩和负载扭矩，在测功机模式下负载扭矩为测功机扭矩；JEng为发动机当量转动惯量；JExt为外部惯量，包括起动机惯量和负载惯量，在测功机模式下负载惯量为测功机的转动惯量。

由于篇幅原因，本研究不再对系统的其他模型如冷却系统、排气系统、起动机、测功机、传动系统等的建模原理进行详细介绍。

2 模型实现

使用Matlab/Simulink建立柴油机各子系统的数学模型，模型结构见图7。

建模发动机的基本参数见表1。利用发动机台架试验获得一组万有特性数据，对开发的实时仿真模型进行参数化。

图7 柴油机Simulink模型

发动机型式四冲程、直列气缸数6发火顺序1—5—3—6—2—4压缩比18∶1缸径/mm108行程/mm130排量/L7．14断油转速/r·min-12500标定扭矩/N·m810标定转速/r·min-11300发动机怠速转速/r·min-1600单缸循环喷油次数2

3 仿真试验

为了验证开发的实时仿真模型的精度，对柴油机模型进行起动过程和测功机工况下的稳态仿真测试，并将仿真结果与试验数据进行了对比。

3.1起动-怠速工况

设置模型怠速为600 r/min，发动机在空载下起动。图8示出模型起动时发动机转速的变化过程，由图可以看出，起动后5 s左右发动机转速趋于稳定，并维持在怠速600 r/min，与真实数据完全一致。

图8 柴油机起动过程

3.2测功机工况

将模型设置为测功机模式，调节发动机转速和负荷，获得柴油机的万有特性仿真数据，并与试验数据进行比较，对比结果见图9。由扭矩相对误差(见图10)可以看出，模型计算值与试验数据误差基本都在6%以内。

图10 柴油机万有特性扭矩相对误差

4 结束语

通过对柴油机各系统进行简化处理，采用半物理建模方法建立了大功率高压共轨柴油机的实时仿真模型。仿真结果表明，所建立的柴油机模型满足仿真精度的要求，可以应用于控制器的HIL测试，能够完成其控制功能的验证，此模型还可以用于发动机控制策略的前期开发，模型具有较高的可靠性和通用性。

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Semi-PhysicalModelingofHighPowerDieselEngineforHILTest

MENG Changjiang1,JIA Li1,FAN Yanzhao1,SHEN Xiaoyan1,DONG Xinyu1,LV Hui1,WANG Haiyan2,QIU Huibin2，LIU Guohao3，REN Lu1

(1.China North Engine Research Institute(Tianjin),Tianjin 300400,China；2.Beijing JingweiHiRain Technologies Co.,Ltd.,Beijing 100191,China；3.Military Representative Resident Station in Tianshui Area，Xi’an Military Representative Bureau，Tianshui 741000，China)

Based on semi-physical modeling theory，a real time model of high pressure common rail diesel engine was built by using Matlab/Simulink software to realize the hardware-in-the-loop testing of controller. The modeling principle of key components of diesel engine was introduced and the simulation tests under the starting, idle and dynamometer conditions were conducted. The results show that the error between simulation and test is less than 6%. Therefore, the diesel engine model can complete the verification of controller control function and can be applied to the early development of engine control strategy and the HIL test of controller. Accordingly, the model has high reliability and versatility.

diesel engine；high pressure common rail；hardware-in-the-loop (HIL)；semi-physical model；simulation

2017-05-20；

2017-10-21

孟长江(1970—)，男，研究员，主要研究方向为发动机控制系统及内燃机测试仪器；mcj9259@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.007

TK422

B

1001-2222(2017)05-0034-05

[编辑： 姜晓博]