应用发动机平均值模型转矩公式的建模与仿真

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应用发动机平均值模型转矩公式的建模与仿真

石宝玉，张永相

）（安徽工业大学，安徽马鞍山243000

摘对由丹麦大学教授Elbert Hendricks 等用在控制方面的汽油机平均值模型进行了介绍和分析, 文中按照模块要：

化思想，利用MATLAB/SIMULINK在模型的基础上建立了转矩模块，给出了该模型在阶跃信号作用下仿真结果，结果表明转矩模型合理。

关键词：发动机；平均值模型；建模与仿真；扭矩

中图分类号：U467文献标识码：A

SHI Bao-yu,

文章编号：1002－2333（2010）02－0051－02

ZHANG Yong-xiang

The Modeling and Simulation of Torque Based on MVEM

（Anhui University of Technology, Ma ’anshan 243000, China ）

Abstract ：A kind of Mean Value Engine Model for control application which is developed by the professor Elbert Hendricks in Denmark university, is introduced and analyzed in this paper. The torque model is made in MATLAB/SIMULINK based on the MVEM, the simulation results given under step signal show that the model is reasonable. Key words ：engine; mean value engine model; modeling and simulation ；torque

1概述

发动机建模与仿真是发动机控制系统设计的基础，

其中Throttle 是节气门角度发生器，d/dtpi 是节气Ti 是歧管温度子模块，Crankshaft 门-进气歧管子模块，

是曲轴子模块，下面对各子模块进行简单阐述。2.1

节气门-进气歧管模块

进气歧管模块即d/dtpi 模块，反映了节气门开度a 和发动机转速n 和歧管温度T i 与节气门空气流量d m at d t 以及进入气缸空气流量d m ap d t 、歧管压力p i 之间的变化关系。

觶at 通过节气门的空气流量m （kg/s）可表示为依赖于α或p 的两个并行的等嫡物理过程：

觶at =0.3515β（m ）β（）-0.011α2p

非线性函数β（）和β（）分别为1α2p

β（）=1-cos（πα-0.034，1α

β（）＝2p

（1）

α为节气门开度，（°）；p 为进气歧管真空气压，bar ；式中，

而发动机模型又在其中起着重要的作用，对仿真结果有丹麦大学教授Elbert Hendricks 等用在控制方直接影响。

面的汽油机平均值模型有很高的精度，因此笔者在选择该模型并在此模型基础上建立基于MBT 的发动机转矩模型，最后在阶越信号作用下进行Matlab/Simulink仿真，结果表明模型是合理的。2

平均值模型（MVEM ）

发动机模型可以分为两类，分别为基于解析和基于经验，第一类倾向于发动机某些值得关注细节的变化，模第二类则有更广的视野，倾向其状态变量型运行时较慢。

的周期平均值在确定时间范围内的变化趋势，通常容许MVEM 属于第二类。更短一些的运行时间，

MVEM 通常包括进气歧管动力学、油膜动力学、曲轴动力学等三个子模型，有些还包括废气再循环子模型。本文涉（图1）合乎上述要求。及的丹麦大学教授提出的MVEM

a （ang ）

Ti

a Throttle

d/dtpi

Pi

Pi dmatdt dmapdt

Mat （kg/s）Mat （kg/s）

≤姨

2

1－（r c p r >p c

c 1p r ≤p c

（2）

Ti

式中p r =p /p amb ，环境大气压p amb =1.013bar=101.3kPa。临界

Ti

Throttle dmatdt n

dmapdt

气压比p c =0.4125。

觶ap 进入气缸的空气流量m （kg/s）为

觶ap =nV ηp =nV d ηv （m /0.961p -0.07）（/120RT ）i

120RT i

（3）

n （Krpm ）

Crankshaft map Pm

n

式中n 为发动机转速，kr/min（10－3r/min）；发动机排量V d =1.275m 3；气体常数R =0.00287；歧管空气温度T i =293K 。ηv

为容积效率系数，是歧管压力的函数：

ηv =0.952-0.075/p

歧管压力的变化为

（4）

图1MVEM （丹麦大学）

基金项目：四川省重点学科建设资助项目（Z00221）

机械工程师2010年第2期

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觶（觶ap ］p =1.4RT ［m ）－m /V at α式中歧管容积V =0.000564m3。2.2

进气歧管温度子模块

（5）

2map

1mf 3theta 4n

-K-10001000

-181.3+379.36*（u ［1］+u［2］）+21.91*u［1］/u［2］－（0.85*u［1］*u［1］）（/u ［2］*u［2］）＋0.26*u［3］－0.0028*u［3］*u［3］

＋

＋

进气歧管温度模块为T i 模块，主要描述歧管压力p i 和节气门空气流量d m at d t 以及进入气缸空气流量d m ap d t 与歧管温度T i 之间的变化关系。2.3

1/10001Te

0.027*u［4］-0.000107*u［4］*u［4］+0.00048*u［4］*u［3］+2.55*u［3］*（u ［1］＋u ［2］）－0.05*u［3］*u［3］*（u ［1］+u［2］）

Fcn

图2Matlab/Simulink下的Te 模块

曲轴子模块

该模块主要描述发动机中的热能向机械能的转换及气缸内燃烧产生热能所转换成结果的机械能为

觶（H u η（p ，θ）m ）（/nI ）i n ，f t-τd

搭建好的转矩模块封装在曲轴子模块里，封装后整个MVEM 彷真模型见图3。

30

作功的过程，依据为能量守恒定律。

怠速阀

0节气门2

a1

n （Krpm ）pi （bar ）

10001000Kb1Kb

4.9theta112.5

燃油燃烧值H u =43000kJ/kg；标定后发动机总转动惯量I =5.264kg ·m 2。时滞τd 表示喷油到产生扭矩之间的时间差，主要由燃油混合气在进气歧管中通过的时间和混合气压缩等时间组成，若由发动机的喷油机构等决定，通常可表示为：

τd =60/n （1+1/n cyl ）

η（p ，θ）＝η（）η（）η（）η（）i n ，n n p p θθλλ

其中

η（）=-0.015+0.558（1-0.392/n 0.36）n n

η（）=0.827+0.528p -0.392p 2p p

（27.5）

η（p ，θ）=e -θ/2·θn ，

2

2

Clock 歧管

Ds Pl a

n map

1/14.67

D isplay1

n

油膜

Pl

mf

10001000

曲轴map mf n Pi theta

KO Me1lambda ÷×

1/14.67mf

mf map

n （Krpm ）1

（6）（7）（8）（9）（10）（11）

3.2

发动机的气缸数n cyl =4。热效率η（p ，θ）由四部分组成：i n ，

点火控制

pi

n MBT theta1

Me （Nm ）

MBT

图3Simulink 下带转矩子模块的MVEM 仿真系统

η（）=-0.0171+1.74λ-0.745λ2λλ

值14.67）。

θ表示点火提前角；λ表示过量空气系数（AFR/化学当量

机械能需要克服负载扭矩P b ，泵气功率损耗P p 和磨擦损失P f 。负载扭矩P b 表示为转速的函数：

P b =K b n 3

（12）

发动机无负载时K b =0；泵气功率损耗负载系数K b =0.47，

P p 和摩擦损失P f 可以用回归多项式经验方程作为模型，这些方程是发动机速度和歧管压力的函数：

P p =（-0.969+0.206n ）pn P f =（1.673+0.272n +0.0135n 2）n

觶表达式为：发动机的加速度n

觶＝H u η觶（n （p ，θ）m ）（/nI ）-i n ，f t-τd ［P （）+P（p ）＋P （）］（/nI ）f n p n ，b n 33.1

基于模型发动机转矩的建模

基于转矩公式的建模

发动机转矩公式由Matlab 下demo 模型给出Te=-181.3+379.36*Ma+21.91*-0.85*^2+

0.26*theta-0.0028*theta*theta+0.027*n-0.000107*n*n+0.00048*n*theta+2.55*theta*Ma-0.05*theta*theta*Ma

λ：空燃比；Ma ：进入气缸的空气和燃油的混合质量；Ma=map+mf；map ：进入气缸的空气质量；mf ：燃油质量；theta ：点火提前角；n ：发动机转速。基于上式作者以map ，mf ，theta ，n 做为输入，在Matlab/

结果如图2。Simulink 下搭建模块，

4

（15）（13）（14）

仿真结果

系统在以节气门角度变化为输入的阶越信号作用下

进行仿真，仿真结果表明，作者在采用的MVEM 基础上搭建的转矩模块结果正确，输出转矩结果符合发动机实际运行状态，系统实际输出结果见图4。

45

1.41.31.21.11.00.90.80

5

10

15

20

-1

4035302520

25

30

15

09876543

5

1015202530

20

5

10

15

20

25

30

5

10

15

20

25

30

速度输出/kr·min

1200

[***********][1**********]200

阶越信号（/°）

歧管压力输出/0.1MPa转矩输出/N·m

图4在Matlab/Simulink下仿真结果

结语

转矩能衡量发动机对外做功的多少，也是衡量发

动机好坏的重要特征之一，本文作者在做发动机ECU 开发过程中针对转矩进行研究；对于发动机转矩的研究，国内外的资料涉及较少，因此在转矩的研究方面，

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加工中心底座和鞍座组装的贴塑工艺技术

张晓东，欧洲

）（广东白云学院机电工程系，广州510450

摘贴塑技术是数控机床的组装关键技术，它采用耐磨胶带粘贴在工作台的导轨面上，形成金属与塑料的摩擦形要：

式。耐磨胶带是以聚四氟乙烯为基材，添加合金粉和氧化物的高分子复合材料，具有高耐磨性、良好的自润滑性和减振性能。文中介绍加工中心底座和鞍座组装的贴塑工艺技术。

加工中心；组装；贴塑技术关键词：

中图分类号：T G502.3文献标识码：A 文章编号：1002－2333（2010）02－0053－02

OU Zhou

The Stick-plastics Process for Assembling Machine Center Base and Saddle

ZHAMG Xiao-dong,

（Guangdong Baiyun Institute, Guangzhou 510450, China ）

Abstract ：Stick-plastics is the key technique of that the NC machine tools construction. Anti-bears glue is stuck to track noodles at the lead of work pedestal, and the friction form between metals and plastics is changed. The base material of anti -bears glue is TPFE adding alloy powder and compound material oxide, which has good function of abrasive-proof, lubricity and reduce vibration. The process of stick-plastics for assembling machine center base and saddle is introduced.

Key words ：machine center; assembling; stick-plastics

贴塑技术是数控机床的组装关键技术，它采用耐磨胶带粘贴在工作台的导轨面上，形成金属与塑料的摩擦形式。耐磨胶带是以聚四氟乙烯为基材，添加合金粉和氧化物的高分子复合材料，具有高耐磨性、良好的自润滑性和减振性能。在加工中心底座和鞍座组装过程中采用贴塑工艺技术，可保证其装配精度，其工艺过程如下：1

底座校水平

如果底座平面度相差太大，直接会影响鞍座和工作首先将底座校正水平，方法是把两个水平仪放台的精度。

在工作台上，成垂直状，水平仪玻璃管里的液体流向表示了高低位置，根据显示状态调整底下的六颗螺丝，所要调节到的数值范围须在0.01mm 以内。22.1

鞍座的组装

用粘合剂把工作台上的耐磨胶贴好

注意，贴胶时要排出粘合剂里的空气，否则粘固后会出现空隙现象，使耐磨片的寿命降低，从而会对整台机床造成影响。粘贴的工艺过程如下：

!!!!!!!!!!!!!!!!

面具有不可粘性，严重影响其应用，故必须对其表面进行处理及配套专用粘接剂方可使用。国内对软带一般采用单面纳-萘表面处理。

（2）粘接剂

粘接剂是一种以双组酚A 型环氧树脂

为主剂、异氰酸脂为固化剂，并有液体橡胶为增韧剂的双组酚室温固化的粘接剂。

（3）粘接工艺

耐磨胶粘接于工作台导轨上，使它与

粘接时，先用清洗剂彻底清洗支承导轨的表面配合运动。

被粘贴导轨面，切不可使用汽油或酒精，因为它们会在被清洗表面残留一层薄膜，影响粘接效果。清洗后用白色的擦布反复擦拭，直至擦不出任何污迹为止。耐磨胶带的粘贴面也该用清洗剂擦拭干净。然后用配套的粘接剂分别均匀涂敷在软带和导轨粘贴面上，为了保证粘接可靠，被贴导轨迹面应纵向涂沫，而耐磨胶带的粘接面则沿横向涂沫。粘贴时，从一端向另一端缓慢挤压，以利赶跑气泡，粘贴后在导轨面上施加一定压力加以固化。为保证粘接剂充分扩散和硬化，一般室温下固化时间在24h 以上。2.2

制作油槽

如图1所示，在耐磨胶上开出有足够深度的油槽，V

（1）表面处理由于分子结构上的特点，一般软带表

基金项目：广东白云学院科技基金资助项目（0806）

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 如模型的比较、简化以及基于转矩的点火控制尚待进［4］Dotoli M. Fuzzy Idle Speed control:A preliminary Investigation

一步研究。

［参考文献］

［1］周龙保，等. 内燃机学［M ］. 北京：机械工业出版社，2003. ［2］董长虹.Matlab 神经网络与应用［M ］. 北京：国防工业出版社，2005. ［3］Hendricks E ，et al. Modelling of the intake Manifold Filling

Dynamics ［J ］.SAE Transactions ，1996，105（3）：122－146.

［R ］.Technical University of Denmark ，1997.

（编辑立

明）

!!!!!!!!!!

作者简介：石宝玉（1982-），男，助教，研究方向为非线性机械系统的

智能控制。

收稿日期：2009-12-17

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