陈路明 刘帝

摘要：为建立面向控制开发的柴油发动机仿真模型，本文结合了数据建模和原理建模方法的优点，提出了一种具有较高精度的动态建模方法。利用MATLAB/Simulink平台，分别进行两类典型工况实验，将模型仿真结果与实际台架实验进行对比。结果表明，本文所建立的柴油发动机仿真模型各项性能均高度接近实际柴油发动机，具有较高的仿真精度，可用于支撑后期控制开发和应用。

Abstract： To establish a diesel engine simulation model for control-oriented development， this paper combines the advantages of data modeling and principle modeling methods， and proposes a dynamic modeling method with higher accuracy. Using the MATLAB/Simulink platform， two representative experiments were performed respectively， and the simulation results of the model were compared with the actual bench experiments. The results show that the performance of the diesel engine simulation model established in this paper is highly close to the actual diesel engine. The model has high simulation accuracy and can be used to support the control development and application in the future.

关键词：柴油发动机;数据模型;原理模型

Key words： diesel engine;data model;principle model

中图分类号：U262.11                           ;       文献标识码：A                                       文章编号：1674-957X（2020）20-0014-02

1  背景意义

柴油发动机是一种将柴油热能转换为机械能的动力装置，具有低速扭矩大、中高速油耗低等优点，自十九世纪末发明以来，已在工程机械、农用机械以及军用车辆等重型车辆领域得到广泛应用，成为助推生产力快速发展的有利支撑。

无论是发动机自身工作还是面向整车应用，控制器始终是发动机控制的核心部分。近些年来，随着发动机电控技术的普及，控制器开发的自动化程度得到显著提升。越来越多的开发人员逐渐摒弃单纯依靠台架实验进行手动调整参数的开发方式，离线或实时仿真手段成为当前柴油发动机控制器开发的主流。针对不同控制需求，柴油发动机的模型可分为数据模型、特性模型和原理模型等多种类型。本文面向整车控制应用，主要关注柴油发动机的外部特性，不需要研究內部复杂燃烧过程，因此采用数据建模和原理建模相结合的方法，建立柴油发动机的动态模型。

2  柴油发动机建模

2.1 柴油发动机数据模型

柴油发动机的输出转矩与转速和油门开度有关，三者关系可表示为：

式中，Te_gd为发动机转速，n为发动机转矩，α 为发动机油门开度，f为函数关系。

2.2 柴油发动机原理模型

柴油发动机在动态调速过程中，存在两个重要环节：①从油门开度调整指令下达开始，经过步进电机动作以及气缸内部燃烧过程，到最终已转矩形式输出到曲轴，该过程持续时间较长，动态特性不可忽略;②对于大功率柴油发动机而言，其惯性通常较大，对动态调整过程的影响不可忽略。为此，采用原理建模的方法，分别对上述两个动态过程进行建模：

2.2.1 转矩动态建模

对于转矩动态响应过程，采用惯性和延时进行表示：

式中，Te_sj为实际生成转矩，τ 为转矩生成延时时间常数，T1为转矩生成惯性时间常数。

2.2.2 转速动态建模

根据动力学公式，可建立如下关系：

式中，Tload为负载转矩，Tfric为空载转矩，D为摩擦系数，J为发动机转动惯量，n为发动机转速。

2.3 面向控制的柴油发动机控制模型

在2.1和2.2的模型基础上，在MATLAB/Simulink环境下可以建立得到完整的柴油发动机控制模型，结构如图1所示。

给定转速和实际转速的差值输入到油门开度调节器中，受到实际物理执行机构的限制，得到给定的油门开度指令，与实际转速共同查表，得到期望的转矩输出值，经过执行机构的动作，得到输出到发动机曲轴的实际转矩，该转矩克服负载转矩，空载转矩等阻力矩后，得到发动机实际转速，完成整个闭环调速过程。

3  仿真实验

为验证所建立的柴油发动机仿真模型的可靠性，本文设计了两类具有代表性的实验工况，并与实际发动机的作用结果进行对比，给出仿真模型可信度结论。

3.1 转速跟踪实验

实验条件为：初始转速为1000rpm，在2s时刻给定转速阶跃到2000rpm，而后维持4s直到6s时刻，给定转速阶跃为1000rpm，直到10s时刻实验结束，记录得到的实验结果如图2所示。

由图2可知，在给定转速发生阶跃变化后，实际转速能很快跟踪目标转速的变化。在给定转速上升和下降时，柴油发动机仿真模型用时分别为0.65s和1.55s，接近柴油发动机台架实验的0.61s和1.49s，仿真误差分别为6.55%和4.03%，转速跟踪性能符合仿真模型精度要求。

3.2 抗负载扰动实验

实验条件为：初始转速为1500rpm，初始转矩为0Nm，在2s时刻负载转矩阶跃到1000Nm，而后维持4s直到6s时刻，负载转矩阶跃为0Nm，直到10s时刻实验结束，记录得到的实验结果如图3所示。

由图3可知，在负载转矩发生阶跃变化后，实际转速经过短时超调后迅速稳定到目标转速。在负载转矩增加和减小阶段，柴油发动机仿真模型调节时间分别为0.45s和0.65s，接近柴油发动机台架实验的0.42s和0.6s，仿真误差分别为7.14%和8.3%，抗负载扰动性能符合仿真模型精度要求。

4  结论

本文采用数据建模和原理建模相结合的方法，在MATLAB/Simulink中建立面向控制开发的车用柴油发动机仿真模型，并在两种典型代表性工况下进行仿真实验，经与柴油发动机台架实验进行对比，验证了本文所提柴油發动机仿真模型的较高精度，为后期控制开发提供了高置信度的模型基础。

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