基于LabVIEW的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)仿真研究

宋于莎，蘇鐵熊，呼維俊

（1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.內(nèi)蒙古北方重型汽車(chē)股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引言

在發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)研發(fā)和測(cè)試過(guò)程中，運(yùn)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)快速建模和仿真尤為重要，而快速、準(zhǔn)確地建立進(jìn)氣系統(tǒng)模型是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)模型實(shí)時(shí)運(yùn)算的基礎(chǔ)［1，2］。本文以四缸四沖程點(diǎn)火式汽油機(jī)為原型，采用平均值建模方法建立進(jìn)氣系統(tǒng)的理論模型，運(yùn)用虛擬儀器軟件LabVIEW搭建進(jìn)氣系統(tǒng)模型，建立可視化的人工交互界面、多個(gè)數(shù)據(jù)顯示終端和實(shí)時(shí)監(jiān)控面板，快速、便捷地生成仿真數(shù)據(jù)，并對(duì)模型加以修正和改進(jìn)。

1 進(jìn)氣系統(tǒng)建模

發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型是一種基于時(shí)間的控制模型，其平均化處理各氣缸，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、較短的計(jì)算周期和較高的精度［3］。本文基于平均值模型，采用目前普遍運(yùn)用的速度－密度法［4］建立等壓恒溫條件下的進(jìn)氣系統(tǒng)模型，此模型無(wú)需做大量試驗(yàn)以獲得回歸分析的試驗(yàn)數(shù)據(jù)［5］，且加以改進(jìn)后可應(yīng)用于其他發(fā)動(dòng)機(jī)。節(jié)氣門(mén)氣體流量模型、進(jìn)氣門(mén)氣體流量模型和進(jìn)氣歧管壓力模型分別為［6－8］：

根據(jù)式（1）～式（3），利用LabVIEW軟件編程模塊建立模型。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的平均值模型程序框圖如圖1所示。

2 模型參數(shù)辨識(shí)

對(duì)試驗(yàn)室一臺(tái)直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，其排氣量Vd為1.432L、進(jìn)氣管容積Vi為2L。在試驗(yàn)臺(tái)架上，控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度由小到大，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)柴油機(jī)節(jié)氣門(mén)氣體流量計(jì)算模型進(jìn)行標(biāo)定，完成參數(shù)化配置。數(shù)據(jù)擬合運(yùn)用LabVIEW自帶的線性擬合程序生成擬合圖表，節(jié)氣門(mén)處氣體流量參數(shù)擬合如圖2所示，進(jìn)氣歧管壓力模型參數(shù)擬合如圖3所示。根據(jù)最小二乘法擬合結(jié)果，得到式（1）、式（2）的簡(jiǎn)化結(jié)果為：

將擬合所得的參數(shù)輸入模型程序框圖進(jìn)行仿真運(yùn)行，得到仿真結(jié)果，如圖2、圖3所示。

3 進(jìn)氣系統(tǒng)模型驗(yàn)證

本文所搭建的進(jìn)氣系統(tǒng)模型以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為輸入量，進(jìn)氣歧管壓力為過(guò)程變量，進(jìn)氣門(mén)氣體質(zhì)量流量為輸出量。在試驗(yàn)臺(tái)架上控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，盡量使試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布于整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間，分別記錄發(fā)動(dòng)機(jī)在1 000r/min、1 500r/min、2 000r/min和3 000r/min穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。整理數(shù)據(jù)，記錄進(jìn)氣歧管壓力與節(jié)氣門(mén)開(kāi)度之間的關(guān)系，記錄進(jìn)氣門(mén)氣體流量與節(jié)氣門(mén)開(kāi)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與模型仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，如圖4、圖5所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)平均值模型程序框圖

圖2 節(jié)氣門(mén)處氣體流量參數(shù)擬合

圖3 進(jìn)氣歧管壓力模型參數(shù)擬合

圖4 不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣歧管壓力仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖4可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000r/min和1 500r/min時(shí)，仿真模型所得進(jìn)氣歧管壓力具有較高的仿真精度；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000r/min和3 000 r/min時(shí)，某些工況下仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大，究其原因，發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速下的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度趨近飽和，節(jié)氣門(mén)處氣體流量主要是受到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，繼而影響進(jìn)氣歧管壓力的仿真值。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣門(mén)氣體質(zhì)量流量仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖5可知，進(jìn)氣門(mén)氣體流量模型的仿真計(jì)算值與試驗(yàn)值偏差較大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000r/min時(shí)較為明顯，較之進(jìn)氣歧管壓力模型精度較低。究其原因，在對(duì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合時(shí)未對(duì)轉(zhuǎn)速一項(xiàng)進(jìn)行修正；進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，流量計(jì)安裝在了進(jìn)氣歧管處，穩(wěn)態(tài)工況理論與實(shí)際存在偏差。

4 結(jié)論

（1）基于發(fā)動(dòng)機(jī)平均值模型，運(yùn)用虛擬儀器軟件LabVIEW搭建了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模型，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合和比對(duì)，結(jié)果證明此模型模擬數(shù)據(jù)誤差在±8%以內(nèi)，能夠模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)工況下的運(yùn)行。

（2）在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)某些工況下的仿真計(jì)算值與試驗(yàn)值偏差較大，在搭建平均值模型時(shí)，應(yīng)當(dāng)加入轉(zhuǎn)速修正項(xiàng)對(duì)模型進(jìn)行修正和改進(jìn)；同時(shí)，在對(duì)進(jìn)氣門(mén)氣體流量模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合時(shí)應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速的情況進(jìn)行多次擬合和改進(jìn)，以提高擬合精度。

本文搭建的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模型只是發(fā)動(dòng)機(jī)模型的第一環(huán)，可運(yùn)用LabVIEW搭建模型的后續(xù)模塊，并可對(duì)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，從而快速、系統(tǒng)地構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)ECU測(cè)試系統(tǒng)。

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