基于enDYDA的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)仿真研究

李學(xué)軍，王 盈，王曼瑋

(長(zhǎng)春大學(xué) a.電子信息工程學(xué)院；b. 研究生部，長(zhǎng)春 130022)

基于enDYDA的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)仿真研究

李學(xué)軍a，王 盈b，王曼瑋b

(長(zhǎng)春大學(xué) a.電子信息工程學(xué)院；b. 研究生部，長(zhǎng)春 130022)

快速起動(dòng)是怠速停止-起動(dòng)技術(shù)中的關(guān)鍵。本文以GDI發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，基于enDYDA模型研究快速起動(dòng)策略。通過對(duì)節(jié)氣門的開度和點(diǎn)火提前角的調(diào)節(jié)，觀察噴油點(diǎn)火的MAP圖、發(fā)動(dòng)機(jī)的速度以及起動(dòng)時(shí)間，確定在什么情況能快速起動(dòng)。

GDI發(fā)動(dòng)機(jī)；快速起動(dòng)；enDYNA;仿真

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車已經(jīng)成為生活中的必需品。 截至2016年6月底，中國(guó)汽車保有量已經(jīng)達(dá)到1.84億輛，僅次于美國(guó)，居于世界第二。汽車保有量不斷增加給道路交通和環(huán)境帶來(lái)巨大的影響，隨著每年超千萬(wàn)數(shù)量的新車涌向路面，城市道路將變得更擁堵。擁堵問題使汽車經(jīng)常出現(xiàn)怠速等待的工況，該工況消耗了大量的燃料。在環(huán)境方面，怠速過程中排放出來(lái)的碳?xì)浠衔铩⒌趸衔铩⒁谎趸肌⒍趸虻任廴疚锝o環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。如果在怠速等待的時(shí)候讓發(fā)動(dòng)機(jī)停止，開始起步時(shí)讓發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)，就可以從源頭上解決燃料浪費(fèi)和環(huán)境污染的問題，此項(xiàng)技術(shù)為怠速停止技術(shù)。目前，怠速停止起動(dòng)技術(shù)是怠速時(shí)減少油耗和污染環(huán)境的有效手段之一，也是GDI發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)的關(guān)鍵。

選用GDI發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)快速起動(dòng)進(jìn)行研究是傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)，利用馬達(dá)最快也要2到3個(gè)沖程才能實(shí)現(xiàn)起動(dòng)噴油到氣缸著火噴油，導(dǎo)致在起動(dòng)的階段需要較長(zhǎng)的時(shí)間，而GDI發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)首循環(huán)燃燒做功，為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)快速起停提供很大的便利[1]。從國(guó)內(nèi)外研究來(lái)看，對(duì)于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的快速起動(dòng)確定停機(jī)后活塞的位置是十分重要的技術(shù)，從大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)采用反轉(zhuǎn)模式停機(jī)后活塞處在80°CA BTDC時(shí)較為理想,并且在該位置反轉(zhuǎn)時(shí)膨脹缸可以獲得較大的壓縮比，有利于其燃燒做功[2]。為了了解節(jié)氣門開度和點(diǎn)火提前角對(duì)快速起動(dòng)的影響，控制其他影響因素改變節(jié)氣門開度和點(diǎn)火提前角，從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出控制多大的節(jié)氣門開度和點(diǎn)火提前角才能達(dá)到理想的速度所需要的時(shí)間最短。

1 GDI快速起動(dòng)的原理

GDI發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)，一般采用的是直接起動(dòng)和電機(jī)拖動(dòng)起動(dòng)。直接起動(dòng)有兩種模式，一種是反轉(zhuǎn)起動(dòng)：GDI發(fā)動(dòng)機(jī)從靜止開始起動(dòng)的時(shí)候，首先是確定哪個(gè)氣缸處在壓縮行程的狀態(tài)，系統(tǒng)利用直噴技術(shù)向壓縮氣缸內(nèi)噴入少量的燃油后進(jìn)行點(diǎn)火，燃料燃燒釋放的能量將推動(dòng)活塞使曲軸發(fā)生反轉(zhuǎn)靠近下止點(diǎn)但不通過，曲軸在瞬時(shí)反轉(zhuǎn)的同時(shí)也擠壓處在膨脹行程的氣缸，然后噴油器將會(huì)向膨脹氣缸內(nèi)噴入燃油并點(diǎn)燃，發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)起動(dòng)然后正常工作。另一種是正轉(zhuǎn)起動(dòng)：第四缸(膨脹缸)的過量空氣系數(shù)控制在0.84左右時(shí)可以獲得最高燃燒壓力；由于正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的配氣相位不同，使得正轉(zhuǎn)起動(dòng)時(shí)首缸很難轉(zhuǎn)過其下止點(diǎn)。對(duì)于正轉(zhuǎn)起動(dòng)模式，第四缸(膨脹缸)活塞初始位置為105°CA ATDC時(shí)較為理想，能保證膨脹缸(第四缸)活塞和接下來(lái)的第一缸活塞均能轉(zhuǎn)過各自的下止點(diǎn)，從而發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功。正反轉(zhuǎn)起動(dòng)不需要輔助電機(jī)，所以相比較電機(jī)拖動(dòng)起動(dòng)系統(tǒng)而言起動(dòng)時(shí)間將會(huì)更短，更安靜，可靠性更高[2]。電機(jī)拖動(dòng)起動(dòng)模式，原理是電機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速在800～1400r/min范圍內(nèi)時(shí)，均能使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定地過渡切換到發(fā)動(dòng)機(jī)自行著火運(yùn)轉(zhuǎn)模式。拖動(dòng)轉(zhuǎn)速相對(duì)較高時(shí)(1200r/min和1400r/min)，模式切換與過渡時(shí)轉(zhuǎn)速相對(duì)較平穩(wěn)；但是拖動(dòng)轉(zhuǎn)速過高時(shí)(1400r/min)，HC排放略有增加[2]。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的模型如圖1所示。

圖1 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)模型

2 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)建模

一個(gè)四缸GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。電子控制單元通過控制著空氣質(zhì)量流量、節(jié)氣門開度、燃油噴射、點(diǎn)火提前角等協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的快速起動(dòng)。

2.1 進(jìn)氣岐管模型

(1)

節(jié)氣門開度為φ,So為節(jié)流面積，pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，則進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量流量為：

(2)

(3)

2.2 吸入氣缸的空氣模型

ρa(bǔ)為外部空氣密度，Vc為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸容積，η為發(fā)動(dòng)機(jī)的容積效率系數(shù)，ω為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，典型的空氣流量計(jì)算公式如下：

(4)

η(pm,ω)為pm和ω的函數(shù)

η=ηω(ω)·ηpm(pm)

(5)

將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣歧管壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)容積效應(yīng)的影響?yīng)毩⑵饋?lái)分別建立模型：

(6)

(7)

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油動(dòng)態(tài)過程示意圖

J為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，τe為發(fā)動(dòng)機(jī)指示扭矩，τf為發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦力扭矩，建立關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的動(dòng)力學(xué)模型。基于牛頓第二定律建立如下方程：

Jω=τe-τf

(8)

(9)

τf=ff(ω,m0)=d0+d1·ω+d2·ω2+e0+e1(pa-pm)

(10)

基于扭矩對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的快速起動(dòng)的控制方法如圖3所示。

圖3 基于扭矩控制快速性策略

3 仿真分析

基于enDYDA搭建四缸GDI發(fā)動(dòng)機(jī)模型并進(jìn)行參數(shù)化處理，ECU通過硬件在環(huán)(HIL)系統(tǒng)在“虛擬車輛”上進(jìn)行仿真測(cè)試不需要真實(shí)的車輛，HIL測(cè)試系統(tǒng)可以模擬不同的工況比傳統(tǒng)的方法更加徹底和全面。將此模型作為被控對(duì)象通過調(diào)節(jié)改變節(jié)氣門開度和點(diǎn)火提前角進(jìn)行半實(shí)物仿真。圖4仿真模型結(jié)構(gòu)中選擇GDI發(fā)動(dòng)機(jī)作為工作的起始點(diǎn)；利用模塊庫(kù)或者Simulink模塊構(gòu)建GDI發(fā)動(dòng)機(jī)；根據(jù)離線仿真還是在線仿真，配置IO模塊，選擇輸入輸出信號(hào)。經(jīng)過多次試驗(yàn)，在節(jié)氣門開度為3.014點(diǎn)火提前角為16.2deg時(shí)四缸GDI發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在熱機(jī)的時(shí)候快速起動(dòng)，在NIVeristand測(cè)試軟件圖5上觀察GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，在不同條件下發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)達(dá)到怠速狀態(tài)過程所用的時(shí)間最短。

圖4 仿真模型結(jié)構(gòu)

圖5 Verisand測(cè)試界面

圖6 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)時(shí)間和速度的關(guān)系

4 結(jié) 論

基于enDYDA的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)對(duì)不同節(jié)氣門開度和點(diǎn)火提前角進(jìn)行了仿真，enDYNA作為控制器的控制對(duì)象，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)的要求構(gòu)建了發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)控制策略,以四缸GDI發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,在HIL中進(jìn)行ECU的測(cè)試，并且根據(jù)其實(shí)際的工作過程,將整個(gè)的發(fā)動(dòng)機(jī)分成節(jié)氣門,進(jìn)氣歧管、空氣質(zhì)量流量、燃油油路等幾部分分別建立模型,接著利用enDYDA軟件獲得相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)模型參數(shù),圖6是根據(jù)給出一個(gè)節(jié)氣門開度得出發(fā)動(dòng)機(jī)在快速起動(dòng)的速度和啟動(dòng)時(shí)間。

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責(zé)任編輯：程艷艷

Research on Simulation of GDI Engine Fast Starting Based on enDYDA

LI Xuejuna, WANG Yingb, WANG Manweib

(a.Collegeof Electronic Information Engineering; b. Graduate Department, Changchun University, Changchun 130022, China)

Fast starting is the key to idling stop—starting technology. This paper, taking GDI engine as the research object, discusses fast starting strategies based on enDYDA model. By adjusting the throttle opening and ignition advance angle, we determine the conditions for the rapid starting based on the observation of MAP graph of the fuel injection and ignition, the speed of the engine and the starting time.

GDI engine; fast starting; enDYNA; simulation

2016-10-18

李學(xué)軍(1968-)，女，山東臨沂人，教授，博士，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)控制、魯棒控制方面研究;王 盈(1989-)，男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事先進(jìn)控制理論研究與應(yīng)用方面研究。

TK421+.42

A

1009-3907(2017)02-0001-04