使用触发子系统建模发动机定时

开放模式

这个例子展示了如何建模一个四缸火花点火内燃机从节气门到曲轴输出。我们使用定义明确的物理原则，在适当的地方补充经验关系，描述系统的动态行为，而不引入不必要的复杂性。

分析和物理

本示例描述了引擎模型创建的概念和细节，重点介绍了重要的Simulink®建模技术。金宝app基本模型使用Simulink的增强功能以高保真度捕获基于时间的事件。金宝app在这个仿真中，一个触发子系统通过离散的气门事件模拟空气燃料混合物从进气歧管到气缸的转移。这与进气流动、扭矩产生和加速的连续时间过程同时发生。第二种型号增加了一个额外的触发子系统，通过节气门执行器提供闭环发动机速度控制。这些模型可以作为独立的发动机仿真。或者，它们也可以在更大的系统模型中使用，例如在开发牵引控制系统时集成车辆和动力系统仿真。

这个模型是基于克罗斯利和库克(1991)发表的结果。介绍了一种四缸火花点火内燃机的仿真。克罗斯利和库克的工作还显示了基于该模型的模拟是如何通过测功机测试数据进行验证的。接下来的部分将分析Crossley和Cook所确定的引擎模型的关键元素:

节气门
进气歧管
质量流率
压缩冲程
扭矩产生与加速度

注意:可以向模型中添加额外的组件，以提供更高的模拟精度，并更密切地复制系统的行为。

节气门

模型的第一个元素是节气门体。控制输入是节流板的角度。模型向进气歧管引入空气的速率可以表示为两个函数的乘积:

一个经验函数的节流板角度仅
大气压和多种压力的函数

在较低的歧管压力(更大的真空)的情况下，通过节气门体的流量是音速的，只是一个节气门角度的函数。这个模型解释了在可压缩性方程(如式1所示)中具有切换条件的低压行为。

方程1

$g(P_m) = \mbox{进入流形的质量流量(g/s)}$

$f($f) = 0.821 - 0.05231\cdot\theta + 0.10299\cdot\theta^2 - 0.00063\cdot\theta^3$

$$ g (P_m) = 1;P_m \le P_{amb}/2 $$

$$ g (P_m) = \压裂{2}{P_ {amb}} \√6 {P_mP_ {amb} - P ^ 2 _m};P_{amb}/2 \le P_m \le P_{amb} $$

$$ g (P_m) = - \压裂{2}{P_m} \√6 {P_m P_ {amb} - P ^ 2 _ {amb}};mbox{if} P_{amb} \le P_{amb} $$

$$ g (P_m) = 1;p_mbox {if} P_m \ge 2P_{amb}$

$$ dot{m}_{ai} \right tarrow \mbox{进入流形的质量流量(g/s);} $$

$${油门角度(deg);}

$$ P_m \right tarrow \mbox{歧管压力(bar);} $$

$$P_{amb} \right tarrow \mbox{ambient (atmospheric) pressure (bar);}$ P_{amb} \right tarrow \mbox{ambient (atmospheric) pressure (bar)$

进气歧管

该仿真模型的进气歧管作为微分方程的歧管压力。进来的和出去的质量流量的差代表了空气质量相对于时间的净变化率。根据理想气体定律，这个量与歧管压力的时间导数成正比(见公式2)。请注意，与Crossley和Cook的模型不同(也参见参考文献3到5)，这个模型没有包含废气再循环(EGR)，尽管这很容易添加。

方程2

$$ {P} \点_m = \压裂{RT} {V_m} \离开(\点{m} _ {ai} - \点{m} _ {ao} \右)$$

$R \右转\mbox{气体比常数;} & # xA; $ $$

$$ T \右转\mbox{温度(K);} & # xA; $$

$$ V_m \right tarrow \mbox{manifold volume} (m^3) \mbox{;} & # xA; $$

$$ \dot{m}_{ao} \right tarrow \mbox{空气流出歧管的质量流量(g/s);} & # xA; $$

$$$ xA;\dot{P}_m \right tarrow \mbox{歧管压力变化率(bar/s);}$

进气质量流量

模型从流形泵入气缸的空气质量流量由经验推导的方程描述在公式3中。质量速率是歧管压力和发动机转速的函数。

方程3

$$ & # xA; \点{m} _ {ao} = -0.366 + 0.08979 \ cdot N \ cdot P_m - 0.0337 \ cdot N \ cdot P ^ 2 _m& # xA; + 0.0001 \ cdot N ^ 2 \ cdot P_m& # xA; $$

$$ N \right tarrow \mbox{发动机角速度(rad/s);} $$

$$ P_m \right tarrow \mbox{歧管压力(bar);} $$

为了确定泵入气缸的总空气流量，仿真集成了来自进气歧管的质量流量，并在每个进气冲程事件结束时进行采样。这决定了在进气冲程后和压缩前，存在于每个气缸中的总空气质量。

压缩冲程

在直列四缸四冲程发动机中，180度的曲轴旋转将每个连续气缸的点火分开。这导致每一个汽缸在每一个其他曲柄革命。在这个模型中，进气、压缩、燃烧和排气冲程同时发生(在任何给定的时间，一个气缸处于每一阶段)。为了考虑压缩，每次进气的燃烧被推迟180度的曲柄旋转从进气冲程的结束。

扭矩产生与加速度

仿真的最后一部分描述了发动机产生的转矩。扭矩计算采用了依赖于充气质量、空气/燃料混合比、火花提前量和发动机转速的经验关系(见公式4)。

方程4

$$ & # xA; Torque_ {eng} = -181.3 + 379.36 \ cdot m_a + 21.91 \ cdot \离开(\压裂{一}{F} \右)& # xA; 0.85 \ cdot \(\压裂{一}{F} \右)^ 2 + 0.26 \ cdot \σ- 0.0028 \ cdot \σ^ 2 + & # xA; $$

$$$ + 0.027 \cdot N - 0.000107 \cdot N^2 + 0.00048 \cdot N \cdot \sigma +$

$$ m_a \right tarrow \mbox{气缸内空气质量(g);} $$

$$ left(\frac{A}{F} \right) \right tarrow \mbox{空气燃料比;} $$

$$ \sigma \right tarrow \mbox{火花前进(上死中心之前的度数);} & # xA; $$

$$ Torque_{eng} \right tarrow \mbox{引擎产生的扭矩(Nm);} $$

用式5计算发动机角加速度

方程5

$$ J \dot{N} = Torque_{eng} - Torque_{load}$

$$ J \right tarrow \mbox{发动机转动惯量}(kg\cdot m^2) \mbox{;} $$

$$ dot{N} \right tarrow \mbox{engine angle acceleration} (rad/s^2) \mbox{;} $$

开环模式

我们使用Simulink将上面描述的模型元素合并到一个引擎模型中。金宝app下面的部分将描述我们为这个实现所做的决策以及所使用的关键Simulink元素。金宝app本节展示了如何在Simulink环境中轻松快速地实现一个复杂的非线性引擎模型。金宝app我们与Ford Motor Company®(2)的Ken Butts合作开发了这个模型。

图1显示了模型的顶层。请注意，一般来说，主要块对应于前面总结中模型描述中给出的高级函数列表。利用Simulink的分层建模功能，图1金宝app中的大多数块由更小的块组成。下面的段落描述了这些较小的块。

运行仿真

按下模型工具栏上的“播放”按钮来运行模拟。

图1:顶级的发动机模型和仿真结果

注意:模型将相关数据记录到一个名为MATLAB工作空间的结构中sldemo_engine_output．记录信号有蓝色指示灯。在Simulink文档中阅读更多关于信号记录的信息。金宝app

节流/箱

在模型中，双击“油门和进气歧管”子系统打开它。它包含另外两个子系统——“油门”和“进气歧管”子系统。打开“油门”和“进气歧管”，查看它们的组件。

图2:节气门和进气歧管子系统

金宝app节气门和进气歧管子系统的Simulink模型如图2所示。节流阀具有非线性特性，并将其建模为具有三个输入的子系统。金宝appSimulink以函数块的形式实现方程1中给出的各个方程。这为描述多变量非线性方程提供了一种简便的方法。“开关”块通过比较压力比和开关阀值(设置为1 / 2)来确定流量是否为音速。在音速状态下，流量仅是节气门位置的函数。流动方向是从较高压力到较低压力，这是由标志块决定的。考虑到这一点，“最小”区块确保压力比始终保持统一或更小。

由式2推导出的微分方程可以模拟进气歧管的压力。Si金宝appmulink函数块计算进入气缸的质量流量，这是歧管压力和发动机转速的函数(见公式3)。

进气和压缩

积分器在“进气”块(位于“节流和歧管”子系统内部)中积累气缸质量空气流量。“气门正时”块根据特定的旋转位置发出脉冲，以管理进气和压缩正时。气门事件发生在每一次凸轮旋转，或每180度曲轴旋转。每个事件都会触发“压缩”子系统的一次执行。在“压缩”子系统内的触发器块的输出然后反馈到复位进气积分器。这样，尽管两个触发器在概念上是同时发生的，但积分器输出在重置之前立即被“压缩”块处理。在功能上，“压缩”子系统使用“单位延迟”块插入180度(一个事件周期)的延迟之间的摄入量和燃烧的每个空气充电。

考虑一个气缸的完整四冲程循环。在进气冲程期间，“进气”块集成了来自歧管的质量流量。在180度曲柄旋转后，进气门关闭，“压缩”子系统中的“单位延迟”块采样积分器状态。这个值，累积质量电荷，可在输出的'压缩'子系统180度以后使用燃烧。在燃烧冲程，曲柄加速由于产生的扭矩。最后的180度，排气冲程，结束与复位的进气积分器，准备下一个完整的720度循环的这个特定的气缸。

对于四个气缸，我们可以使用四个“进气”块，四个“压缩”子系统，等等，但每一个都有75%的时间是空闲的。通过使用一组块执行所有四个柱体的任务，我们提高了实现的效率。这是可能的，因为在我们建模的细节级别上，每个函数一次只适用于一个圆柱体。

燃烧

发动机扭矩是四个变量的函数。该模型使用一个“Mux”块将这些变量组合成一个矢量，为“Torque Gen”块提供输入。一个功能块计算发动机扭矩(如公式4所示)。加载发动机的扭矩，由拖动扭矩块中的阶跃函数计算，然后在发动机动力学子系统中减去。差值除以惯量就得到了加速度，将加速度积分后就得到了发动机曲轴的转速。

绘制仿真结果

我们在模拟中使用了以下默认输入:

$Throttle = 8.97\mbox{(deg) if} t < 5$

$Throttle = 11.93\mbox{(deg) if} t \ge 5$

$Load = 25 \mbox{(Nm) if} t\ le 2 \mbox{or} t\ge 8$

$$$Load = 20 \mbox{(Nm) if} 2 < t \le 8$

试着调整油门以补偿负载扭矩。图3显示了模拟的发动机速度，驱动模拟的节气门命令，以及干扰它的负载扭矩。

图3:开环仿真输入

图3 b:开环仿真结果

关闭模式

关闭模式。生成的数据。

结论

模拟非线性、复杂系统的能力，比如这里描述的引擎模型，是Simulink的关键特性之一。金宝app仿真的威力在上面模型的展示中是显而易见的。金宝appSimulink保持了模型的保真度，包括精确定时的气缸进气事件，这在创建这种类型的模型中是至关重要的。基本的发动机模型显示了Simulink的灵活性。金宝app