分析和物理

本示例介绍了围绕发动机模型创建的概念和细节，重点介绍了重要的Simulink®建模技术。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。在该模拟中，触发子系统通过离散阀事件模拟空气-燃油混合气从进气歧管到气缸的传输万博1manbetx。这与进气流量、扭矩产生和加速的连续时间过程同时发生。第二个模型添加了一个额外的触发子系统，该子系统通过油门执行器提供闭环发动机转速控制。这些模型可用作独立的发动机模拟。或者，在牵引力控制系统的开发中，它们可以用于更大的系统模型，如集成车辆和动力传动系统仿真。

该模型基于Crossley和Cook（1991）发表的结果。它描述了四缸火花点火内燃机的模拟。Crossley和Cook的工作还展示了如何根据测功机测试数据验证基于该模型的模拟。接下来的章节（如下所列）分析了Crossley和Cook确定的发动机模型的关键要素：

掐死

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:

在歧管压力较低（真空度较大）的情况下，通过节气门体的流量为音速，且仅为节气门角度的函数。该模型通过方程1中所示的压缩性方程中的切换条件来解释这种低压行为。

方程1

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

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

为了确定泵入气缸的总充气量，模拟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对其进行采样。这将确定进气冲程后和压缩前每个气缸中存在的总空气质量。

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

用式5计算发动机角加速度

方程5

开环模型

我们使用Simulink将上述模型元素合并到发动机模型中。以下各节描述了我们为此实现所做的决定以及使用的关键Simulink元素。本节介绍如何在Simuli万博1manbetxnk环境中轻松快速地实现复杂的非线性引擎模型。我们与福特汽车公司®的Ken Butts共同开发了该模型（2）。

图1显示了模型的顶层。请注意，通常情况下，主要模块对应于前面摘要中模型描述中给出的高级功能列表。利用Simulink的分层建模功能，图1中的大多数块由较小的块组成。以下段落描述了这些较小的块。万博1manbetx

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

节流/箱

在模型中，双击“油门和进气歧管”子系统将其打开。它包含两个其他子系统——“节气门”和“进气歧管”子系统。打开“节气门”和“进气歧管”，查看它们的部件。

图2：节气门和进气歧管子系统

万博1manbetx节气门和进气歧管子系统的Simulink模型如图2所示。节流阀以非线性方式工作，并被建模为具有三个输入的子系统。Simulink将等式1中给出的各个等式作为功能块来实现。这为描述多变量非线性方程提供了一种方便的方法。“开关”块通过将压力比与其开关阈值（设置为一半）进行比较来确定流量是否为声波（方程式1）。在声波状态下，流速仅是节气门位置的函数。流动方向由标志块确定，压力从高到低。考虑到这一点，“最小”块可确保压力比始终为1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万博1manbetxmulink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的四冲程循环。在进气冲程期间，“进气”块集成来自歧管的质量流量。曲轴旋转180度后，进气阀关闭，“压缩”子系统中的“单元延迟”模块对积分器状态进行采样。该值即累积质量电荷，可在180度后的“压缩”子系统输出中用于燃烧。在燃烧冲程期间，曲柄因产生的扭矩而加速。最后180度，即排气冲程，以进气积分器复位结束，为该特定气缸的下一个完整720度循环做好准备。

对于四个气缸，我们可以使用四个“进气”气缸组、四个“压缩”子系统等，但每个气缸在75%的时间内都处于空闲状态。通过使用一组块执行所有四个圆柱体的任务，我们提高了实现的效率。这是可能的，因为在我们建模的详细级别上，每个函数一次只应用于一个圆柱体。

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:

尝试调整油门以补偿负载扭矩。图3显示了模拟的发动机转速、驱动模拟的油门指令以及干扰模拟的负载扭矩。

图3:开环仿真输入

图3 b:开环仿真结果

闭合模型

关闭模型。清除生成的数据。

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。万博1manbetx仿真的威力在上面模型的展示中是显而易见的。万博1manbetxSimulink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。万博1manbetx

参考文献

[ 1 ] P.R.克罗斯利和J.A. Cook，IEEE®国际会议“控制91”，会议出版物332，第2卷，第921-925页，25-28 1991年3月，爱丁堡，英国

[2] Simu万博1manbetxlink模型。由福特汽车公司Ken Butts开发。由Paul Barnard、Ted Liefeld和Stan Quinn修改，MathWorks®，1994-7。

[3] J.J.Moskwa和J.K.Hedrick，“实时控制应用的汽车发动机建模”，程序1987 ACC，第341-346页。

[4] B.K.鲍威尔和J.A.库克，“非线性低频现象学发动机建模和分析”，Proc。1987年ACC，第332-340页。

R. W. Weeks和J. J. Moskwa，“基于Matlab/Simulink的汽车发动机实时控制建模”，1995 SAE Intl。万博1manbetx950417年Cong.纸。