汽油机燃油控制系统联合仿真

邓元望^{1, 2}，贾国海²，左青松²，成伟²，朱浩²，张邦基^1,2

(1. 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙，410082；

2. 湖南大学 机械与运载工程学院，湖南 长沙，410082)

摘要：基于AMESim仿真软件的发动机仿真平台IFP-Engine，建立四缸直喷增压汽油机仿真模型，在Matlab/Simulink仿真软件中建立汽油机燃油量智能控制器，联合AMESim和Simulink仿真软件仿真，实现对汽油机燃油量的精确控制。仿真结果表明：使用燃油量智能控制器，空燃比可维持在14.7左右，汽油机的最大功率提高5.6%，耗油率降低6.6%。

关键词：AMESim仿真软件；Matlab/Simulink仿真软件；联合仿真；空燃比；汽油机

中图分类号：TK41          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)02-0384-07

Co-simulation of injection control system of gasoline engine

DENG Yuan-wang^{1, 2}, JIA Guo-hai², ZUO Qing-song², CHENG Wei², ZHU Hao², ZHANG Bang-ji^{1, 2}

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body,

Hunan University, Changsha 410082, China;

2. College of Mechanical & Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: An engine model with four cylinders turbocharged gasoline direct injection was built in the IFP-Engine library of the AMESim simulation software. The gasoline engine controller was built in the Matlab/Simulink software. The co-simulation was made to run the models in two different softwares respectively at the same time and the engine’s injection flow rate was effectively controlled. The results show that with the intelligent controller of the gasoline engine fuel control system, the air-fuel ratio fluctuates around 14.7, the maximum power of the gasoline engine is increased by 5.6% and the fuel consumption is reduced by 6.6%.

Key words: AMESim simulation software; Matlab/Simulink software; co-simulation; air fuel ratio; gasoline engine

为满足节能和日益严格环保法规的要求，必须对现有的汽油机燃油控制系统进行改进^[1]。然而，大多数汽油机燃油控制系统的设计只是采用经验设计或者只是从单纯的控制器设计上进行研究，没有对汽油机燃油控制系统的热工机理进行探讨，其研究结果有一定的局限性^[2-3]。采用专门用于液压/机械系统建模、仿真及动力学分析的AMESim仿真软件可建立汽油机燃油控制系统的物理模型，然后设置相应的参数，可为汽油机燃油控制系统仿真设计提供很好的平台，并可为很多仿真软件(如Matlab和ADAMS等)提供无缝连接^[4-5]；因此，在AMESim仿真平台中，基于Matlab平台的动态系统仿真软件包的Simulink可借助Matlab的计算功能建立汽油机燃油控制器模型，通过改变仿真参数，能有效地解决汽油机燃油控制系统常规设计中所存在的问题^[6-7]。在此，本文作者利用AMESim仿真软件的发动机仿真平台IFP-Engine，建立四缸直喷增压汽油机仿真模型，在Matlab/Simulink仿真软件中建立汽油机燃油量智能控制器；利用AMESim与Simulink仿真软件联合仿真，实现对汽油机燃油量的控制，并利用实验进行相应验证。

1  汽油机燃油控制系统联合仿真  模型

1.1  基于AMESim仿真软件的汽油机模型

AMESim仿真软件中的发动机仿真平台IFP- Engine包括压缩和膨胀数学模型、燃油喷雾混合模型、油滴蒸发模型、传热模型等，汽油机燃烧过程的计算可直接调用这些子模型。根据发动机的结构和工作原理，建模时将系统实际元件按功能分成若干部分，在草图模式下调用IFP-Engine的模块建立四缸直喷增压汽油机的模型^[8-9]，见图1。汽油机的参数如下：气缸缸径为90.82 mm，行程为76.96 mm，压缩比为8.6:1.0。

从图1可以看出：基于AMESim建立的汽油机物理样机模型包括进气管、排气管、喷油器、气缸以及联合仿真模块等。进气部件包括进气流量传感器和节气门等单元；排气部件包括氧传感器等单元；喷油器包括燃油量控制、喷油提前角控制等单元；气缸包括气缸体、点火提前角等单元^[10-11]。联合仿真模块是AMESim软件和Simulink软件的接口部分，它将氧传感器的过量空气系数信号和节气门开度信号传递到Simulink的燃油量控制器，控制器通过仿真计算得到理想空燃比的燃油量，再将燃油量信号通过联合仿真模块传到AMESim中的喷油器，使喷油器实现理想的燃油喷射^[12]。另外，在Simulink中，节气门开度和转速控制信号由联合仿真模块传递到AMESim，用来控制汽油机的节气门开度和转速。

取缸套壁面、缸盖底面和活塞上顶面所围成的容积为控制容积，应用热力学第一定律、质量守恒定律以及气体状态方程，可以得到计算汽油机工作过程的方程组^[13]如下：

    (1)

          (2)

                (3)

式中：φ为曲轴转角；p，V和T分别为缸内气体的压力、容积和温度；m为气体质量；u为比内能；h为比焓；R为气体常数；λ为瞬时过量空气系数；m_s为通过进气门流入气缸的气体质量；m_e为通过排气门流出气缸的气体质量；Q_B为燃料燃烧放出的热量；Q_w为壁面与系统间交换的热量。为了使计算统一，假设加入系统的能量或质量为正，离开系统的能量和质量为负。

图1  基于AMESim的四缸直喷增压汽油机模型

Fig.1  Model of four cylinders turbocharged gasoline direct injection engine based on AMESim

求解上述方程组，可以得到温度、压力和质量随曲轴转角的变化关系，但由于方程组中还有多个待求解的微分变量，如dV，dQ_B，dQ_w，dm_s和dm_e等，必须建立相应的计算方程，才能使方程组封闭。

1.1.1  气缸工作容积

根据活塞连杆机构运动学的几何关系式，可导出气缸工作容积随曲轴转角的变化关系，其方程^[13]为：

 (4)

式中：V_s为气缸工作容积；ε_c为几何压缩比；λ_s=S/(2l)，为曲轴连杆比，可根据汽油机的结构参数确定。将式(4)对φ求导，即可得到dV/dφ。

1.1.2  气体流动

工质流进、流出气缸的质量流量，可根据流体力学中气体流经节流元件的计算关系导出，其一般形  式^[13]为：

         (5)

  ^ψs,e=  

式中：下标I和II分别表示气门上、下游；μ_s,_e与A_s,_e分别为气门处的流量系数与流通截面积；ψ_s,_e为流函数，与上、下游的压力差即流动状态有关，当压差较大，即p_II/p_I≤[2/(k+1)]^k/(k-1)时，出现超临界流动状态，此时流量与气门前后压差无关。

1.1.3  热量传递

工质与活塞顶面、气缸壁面及缸盖底面的传热量计算式^[13]如下：

           (6)

式中：各传热表面积F_i可根据活塞位移以及汽油机的几何参数确定；壁面温度T_wi根据统计值确定。

1.1.4  放热规律

燃料的燃烧放热较复杂，在模型中一般用一个简化的燃烧放热规律来代替实际燃烧放热过程，即认为燃料是按照一定的函数形式进行燃烧放热，性能指标与实际指标一致。常用的函数有余弦函数和韦伯(Weibe)函数等，本研究中采用韦伯函数形式，其表达式^[13]为：

 (7)

式中：η_u为燃烧效率，取决于燃烧方式；m取决于燃烧放热速率，其取值范围为0.2~3.0。韦伯函数的3个主要参数(燃烧始点φ₀、燃烧持续期φ_z和燃烧品质指数m)与汽油机的类型有关。

1.2  基于Simulink仿真软件的控制器模型

仿真软件AMESim与Simulink的联合仿真是通过AMESim中界面菜单下的输出图标功能与Simulink中的S函数实现连接的。具体实现过程是：在AMESim仿真软件中经过系统编译、参数设置等生成供Simulink使用的S函数；在Simulink环境中, 将建好的AMESim模型当作1个普通的S函数(如图2中的联合仿真模块)对待, 添加到系统的Simulink模型中，从而实现AMESim与Simulink的联合建模与仿真^[14]。

在图2所示的联合仿真模块中，将AMESim中汽油机模型包括的进气流量传感器的进气流量信号和氧传感器的过量空气信号分别传递到燃油量控制器和空燃比计算模块中^[15]。燃油量控制器接收节气门开度信号、转速信号、过量空气系数信号和进气压力信号，通过控制器计算理想的喷油量。喷油量信号再传到空燃比计算模块和联合仿真模块。注意喷油量信号传到联合仿真模块时要乘以系数K₂(K₂=0.001)。因为在Simulink中是以g/s为单位计算，而在AMESim中喷油量是以kg/s来进行计算。另外，转速信号传到联合仿真模块时也要乘以K₁(K₁=π/30)，因为转速在Simulink中用的单位是rad/s，而在AMESim中用的单位是r/min，所以，要进行单位制的转换。空燃比计算模块接收进气流量信号、转速信号和燃油量信号通过计算得到进气压力和空燃比的瞬时值，再将计算得到的进气压力瞬时值反馈给燃油量控制器。控制器通过不断地接收进气压力信号和过量空气系数信号，计算所需要的理想燃油量，再将理想燃油量通过联合仿真模块传到AMESim中的汽油机模型中，从而实现理想燃油喷射。

图2  基于Matlab/Simulink的系统控制模型

Fig.2  Model of control system based on Matlab/Simulink

如图3所示的燃油量控制模型使用传感器反馈信号调整燃油量，从而使图4所示的空燃比达到理想值。该控制策略由4个子模块即控制逻辑模块、传感器系数修正模块、进气流量系数修正模块和燃油量系数修正模块完成。

该控制器能够根据节气门开度和汽油机转速的变化对喷油量进行调整，使混合气的空燃比维持在理想值14.7左右。理想的空燃比能够使汽油机的动力性、燃油经济性和排放性能综合最优。为了让系统保持理想的空燃比，利用氧传感器来测定尾气中的含氧量，它能够很好地反映空燃比。当传感器检测到较高的氧含量即空气过多而燃油不足时，控制器就会相应地增加燃油量；当传感器检测到较低的氧含量即燃油过多而空气过少时，控制器就会相应地减少燃油量。

图3  燃油量控制模型

Fig.3  Model of fuel rate controller

图4  空燃比控制模型

Fig.4  Model of air fuel ratio controller

2  汽油机燃油控制系统联合仿真的应用

2.1  汽油机燃油控制系统仿真分析

仿真运行从节气门开度20°开始，然后，按匀速开到30°，再按匀速回到20°，耗时各为1 s。该过程反复进行，仿真时间为4 s，如图5所示。同时，将汽油机转速设为正常转速300 rad/s，通过仿真计算出上述条件下空燃比、喷油量、缸内燃烧压力和温度变化情况，如图6所示。

图6(a)所示为进气流量变化曲线。从图6(a)可看出：若节气门开度变大，则进气量增多；若节气门开度变小，则进气量减小。图6(a)所示的进气流量的变化与图5所示节气门开度变化近似于正比变化。从图6(b)可以看出：当系统达到稳定状态时，空燃比在14.32到14.87之间波动，即空燃比稳定在14.7左右，系统达到了理想的控制效果。

图6(c)所示为喷油器的喷油量变化曲线。可见：

喷油量和节气门开度之间也近似于正比关系。当节气门开度增大时，喷油量跟着增大，进气流量也随之增大(见图6(a))。因而空燃比被维持在理想空燃比14.7左右。从图6(d)可以看出：汽油机在稳定状态下运行时，燃油燃烧利用效率为99.92%~99.95%。这是由于在理想空燃比下，空燃比接近燃油燃烧的化学当量比，在理论上燃油能够完全燃烧，因此，燃油利用率高。

图5  节气门开度曲线

Fig.5  Curve of angle of throttle

图6  联合仿真结果

Fig.6  Co-simulation results

2.2  汽油机燃油控制系统的联合仿真应用效果

为验证汽油机燃油控制系统的联合仿真中燃油量智能控制器的控制效果，建立包括EQ491汽油机、变速箱、三相异步电动机、测功机及控制柜、三效催化转化器、氧传感器、尾气分析仪及数据采集系统等在内的实验台架。

图7所示为节气门从30°突然增加到45°时电控燃油喷射汽油机转速变化和氧传感器电压变化情况。从图7可见：通过采用最优智能控制策略对电控燃油喷射汽油机空燃比进行精确控制，可以防止电控燃油喷射汽油机在瞬态工况下排放性能变差。

图7  节气门角度突增时转速与氧传感器电压时间曲线

Fig.7  Curves of rotational speed and oxygen sensor voltage when angle of throttle suddenly reduces

图8所示为转矩突变时汽油机转速变化和空燃比变化情况，此时空燃比的目标值是14.7。从图8可见：空燃比在工况突变时能够既快又准确地恢复到初始设定值，这说明在工况突变的过程中，通过闭环控制，采用如图3所示的燃油量智能控制器，可以使汽油机的空燃比随着工况变化的波动尽可能地小，从而防止瞬态工况的排放性能变差。

图8  转矩突减时转速和空燃比的变化曲线

Fig.8  Curves of rotational speed and air/fuel when torque suddenly reduces

采用燃油量智能控制器，汽油机各种工况的性能均得到改善，其主要表现在以下几方面：

(1) 浓混合气供油时，起动性能显著提高，一次性起动成功率为100%。

(2) 空燃比控制较理想，提高了低速稳定性，拓宽了功率应用范围。

(3) 空燃比浓、稀间隔时间的控制更容易。

(4) 优化了空燃比，保证了油气混合质量，使汽油机的最大功率提高5.6%，耗油率降低6.6%。

3  结论

(1) 将AMESim系统仿真软件的发动机模块库IFP-Engine用于汽油机的燃油控制系统的仿真模拟，能够精确地模拟汽油机的实体模型，具有很友好的人机交互界面，结果丰富、全面，仿真精度高，可以降低开发成本和缩短开发周期。

(2) 通过AMESim和Simulink软件的联合仿真，在Simulink里设计了燃油量智能控制器，它可以使汽油机在理想的空燃比范围内工作，很好地改善了汽油机的燃烧状况，提高了汽油机的动力性、排放性，提高了燃油燃烧效率。仿真与实验结果表明：汽油机采用燃油量智能控制器的燃油控制系统后，最大功率提高5.6%，耗油率降低6.6%。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2010-01-10；修回日期：2010-03-25

基金项目：江苏省动力机械清洁能源与应用重点实验室开放基金资助项目(QK09003)

通信作者：邓元望(1968-)，男，湖南安化人，博士，副教授，从事混合动力电动汽车、发动机电子控制技术和排放污染物测试等技术的教学与科研工作；电话：13908456247；E-mail：dengyuanwang610@126.com