小型汽油喷射发电机组的建模与仿真毛静婷.docx
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小型汽油喷射发电机组的建模与仿真毛静婷
小型汽油喷射发电机组的建模与仿真
第一章绪论
⏹研究的背景和研究意义
●1.1我国小型汽油机行业发展现状
随着全球金融危机对实体经济影响加深，全球经济在经历连续4年5%左右的高速增长之后2008年急速掉头下滑。
针对目前世界范围内经济严峻形式和我国经济运行面临新的不确定性因素，如何根据急剧变化的外部经济环境调整企业发展规划和经营方针，成为摆在我国汽油发电机企业面前亟待解决的问题。
近几年，随着国外通用小型汽油机生产企业、国内大型摩托车生产企业、新兴民营企业的介入，通用小型汽油机的行业呈现出飞速发展的势头，并且产品主要以各种形式销往国外。
但同时，中国小型汽油机企业也正面临许多困难，欧美发达地区针对通用小型汽油机制定的日益严格的排放法规便是其中之一。
90年代中期，美国和欧盟研究结果表明：
随着道路车辆排放控制的成效日益显著，原本居于次要位置且较少受到关注的非道路污染源已经变为主要污染源，特别是遍布各个角落但数量巨大（美国年消耗两千万台以上）的通用小型汽油机。
美国EPA的统计数据表明，2000年道路车辆与非道路动力机械总排放量中：
约23%的CO排放、20%的HC排放来自通用小型汽油机。
据资料显示，结合目前国内通用小型汽油机的结构现状和美国EPA排放法规的相应要求，二冲程发动机解决排放问题的需求最迫切，用于非手持设备的排放裂化情况，探寻降低发动机排放劣化的途径和方法
●1.2仿真技术的应用意义
随着信息技术的迅速发展，仿真技术正在发生根本性的变化。
它不仅是认识辅助、设计检验、产品性能研究的工具，而且还将更多的参与实际系统的控制和在线分析。
成为决策的“参谋”，技能学习的“工具”，系统运行的“保护神”，正在融入产品，成为产品。
在开发产品及产品正式投放市场之前，先使用仿真技术进行模拟仿真试验，不仅能排除实物试验中的外界干扰而产生的数据偏差，使试验数据更为精确。
另外，在试验中发现的产品设计上的不合理之处，还能及时进行修改，避免了产品上市后再由市场反馈产品缺陷的尴尬，确保成品质量达到完美。
第二章基于amesim软件的汽油喷射式发动机的建模
⏹2.1AMESim软件简介
●2.1.1AMESim软件概述
LMSImagine.LabAMESim为多学科领域复杂系统建模仿真解决方案（英文缩写：
AdvancedModelingEnvironmentforSimulationofengineeringsystems），引领着世界协同仿真之路。
AMESim提供了一个系统工程设计的完整平台，使得用户可以在一个平台上建立复杂的多学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。
用户可以在AMESim平台上研究任何元件或系统的稳态和动态性能。
例如在燃油喷射、制动系统、动力传动、机电系统和冷却系统中的应用。
面向工程应用的定位使得AMESim成为在汽车、液压和航天航空工业研发部门的理想选择。
工程设计师完全可以应用集成的一整套AMESim应用库来设计一个系统，所有的这些来自不同物理领域的模型都是经过严格的测试和实验验证的。
AMESim使得工程师迅速达到建模仿真的最终目标：
分析和优化工程师的设计，从而帮助用户降低开发的成本和缩短开发的周期。
LMSImagine.LabAMESim使得用户从繁琐的数学建模中解放出来从而专注于物理系统本身的设计。
基本元素的概念，即从所有模型中提取出的构成工程系统的最小单元使得用户可以在模型中描述所有系统和零部件的功能，而不需要书写任何程序代码。
LMSImagine.LabAMESim处于不断的快速发展中，现有的应用库有：
机械库、信号控制库、液压库（包括管道模型）、液压元件设计库（HCD）、动力传动库、液阻库、注油库（如润滑系统）、气动库（包括管道模型）、电磁库、电机及驱动库、冷却系统库、热库、热液压库（包括管道模型）、热气动库、热液压元件设计库（THCD）、二相库、空气调节系统库；作为在设计过程中的一个主要工具，AMESim还具有与其它软件包丰富的接口，例如Simulink,Adams,Simpack,Flux2D，RTLab,dSPACE,iSIGHT等。
本文中主要应用到的库有：
机械库、信号控制库、液压库、热库等
●2.1.2AMESim的主要应用库介绍
机械库：
LMSImagine.LabAMESim机械库包含用于构建一维平动和转动机械系统的元件模块。
该库包含在标准的AMESim软件包。
可以独立地用于完整的一维机械系统建模。
图2.1所示为部分机械库图例
图2.1
信号控制库：
LMSImagine.LabAMESim信号控制库含有用于控制，检测和观察一个多学科领域系统模型的所有模块。
基于方块图的方法，该库可以用于建立线性，非线性，时间连续，时间离散，条件运行，复合信号以及混合系统的模型。
AMESim信号控制库是建立控制系统和基于数学方程的模型的理想工具。
模型的建立是通过预先定义好的方块来进行，例如加法器，过滤器，死区，查表或者数学表达式。
该库支持标量信号，矢量信号以及数值运算，逻辑运算。
任何AMESim的应用库都提供了具备将信号端转换成为结构化的多通口（例如热，电子，液压等）功能的模块，可以方便我们利用方块图的灵活性迅速地建立物理系统的模型。
因为液压，气动，电磁以及电动系统通常和某种形式的机械系统（例如驱动器，泵，马达，曲柄连杆，滑阀…）相互作用，因此这些机械元件模块作为其他AMESim应用库的补充。
图2.2所示为部分信号控制库图例
图2.2
热库：
LMSImagine.LabAMESim热气动库包含一整套用于对气动管网的建模以及分析该管网中温度，压力，质量流量变化的元件。
基于瞬态热传递计算理论上，该库用于对气体中的热现象建模并且研究在各种不同热源作用下这些气体中热的变化。
典型的应用例如排放系统，HVAC（供暖，通风，空调系统），汽油燃油喷射，环境控制系统，气体运输，悬架以及热交换。
该库即可以独立使用，又可以作为AMESim其它库的补充。
图2.3所示为部分热库图例
图2.3
●2.1.3AMESim建模与仿真特点
AMESim软件采用的建模方法类似于功率键合图法，但要比功率键合图法更先进一些。
相似之处在于二者都采用图形方式来描述系统中各元件的相互关系，能够反映元件间的负载效应及系统中功率流动情况，元件间均可双向传递数据，规定的变量一般都售具有物理意义的变量，都遵从因果关系。
不同之处在于AMESim更能直观的反映系统的工作原理，用AMESim建立的系统模型与系统工作原理图几乎一样，而且对元件之间传递的数据个数没有限制，可以对更多参数进行研究。
AMESim仿真软件与其他仿真软件的最大区别在于可以在仿真过程中监视方程特性的改变并自动变换积分算法以获得最佳结果。
系统的数学模型实质上就是一些代数方程、普通微分方程以及偏微分方程，有时还包括微分-代数方程。
仿真软件的一个重要任务就是为这些方程提供一个有效的求解环境。
传统的仿真软件往往给出一个典型方法列表，开始仿真前必须从中选定积分方法，即使是专业的数学人员要做出一个正确的选择也是很困难的，而且错误的方法会导致仿真的失败或是较长的仿真时间。
AMESim将积分算法的选择变为自动，而且可以在仿真过程中根据方程特性的改变而采用与之相适应的积分算法，极大地提高了微分方程的求解效率。
此外，AMESim可以与其它软件联合进行更复杂的混合领域仿真。
其思想是：
各个子系统在各自领域专用软件下搭建，进行联合仿真，然后用各软件自身的处理工具对属于各自领域的结果进行分析。
虽然AMESim软件在我国使用的时间还不算长，但凭借其自身的特点，如全图形化用户界面、丰富的仿真库资源、较强的可扩展性以及与其它软件的接口等功能，已经在相当广泛的机械与液压行业里得到了广泛的应用。
⏹2.2小型汽油发电机组
●2.2.1小型汽油发电机组的组成
图2.4表示的是汽油发电机系统框图。
汽油发电机即是由汽油发动机拖动发电机向外部负载供电。
系统包括汽油机-发电机组，经整流逆变环节后输出电压，给外部负载供电。
图2.5表示的是汽油发电机的系统控制框图
●2.2.2基于AMESim软件的单缸汽油发动机的建模
◆模型的建立
在AMESim建模模式下，本文使用AMESim内的发动机库IFPEngine中一些发动机模型及信号控制库Signal、ControlandObservers中的一些控制模型，建立了电控燃油喷射式单缸汽油机的模型。
它是由进气模型、节气门、空气腔、喷油器、进排气门、气缸盖、燃烧室、活塞、启动电机、空然比传感器等模型组成，图2-6为所建的汽油机模型。
◆参数的设置
车用汽油机机转速工作范围变化很大（700-6000r/min），其单缸工作容积也比较大（通常在350-700mL）。
将原来的化油器式的燃油系统改为电控燃油喷射式的一个关键问题就是选取合适的喷油器。
小型发电机组用发动机的喷油器最大喷油量小于车用汽油机的最大喷油量，且喷油量对喷射脉宽的斜率也要小于车用汽油机的，这样才能保证发电机用汽油机调速灵敏，燃油控制精确。
◆表2-1发电机组所用汽油机主要结构及性能参数
发电机组额定功率（kW）
6
5
4
3
2
1
发电机组所用汽油机主要结构及性能
型号
188F
182F
177F
173F
168F
152F
结构特点
单缸,风冷,自然吸气进气方式,气门顶置,进排气门各一个，化油器式燃油供给混合系统，电子点火
调速系统
机械调速,发动机转速为3000r/min,或3600r/min,转速波动范围不超过±5%
缸径*冲程（mm）
88*64
82*64
77*58
73*64
68*45
52*38
排量（mL）
396
337
270
242
163
80
标定功率（kW/r/min）
8.5/3600
7/3600
6.2/3600
5.5/3600
3.6/3600
1.5/3600
最大扭矩（N.m/r/min）
23.5/2800
21/2800
18.5/2800
15.5/2800
9.5/2800
4/2800
最大燃油消耗量（L/h）
4.6
3.8
3.4
3.0
1.96
0.82
3600r/min时对应于喷油器的最大喷射量（mL/循环）
0.043
0.036
0.031
0.028
0.018
0.008
模型参数在参数模式下进行设置。
本文按照试验样机168F的基本参数对发动机模型进行设置。
1）设置进气气体成份（见图2-7）；2）设置发动机结构参数（包括气缸数、行程、活塞直径、压缩比等）见图2-8；3）设置进排气门参数（见图2-8）。
2-7进气成分的设置
2-8发动机结构参数的设置
2-9进排气门参数的设置
◆喷油器模型的建立
本文建立的喷油器模型如图4-5，其喷射量由喷射速率和喷油脉宽两参数来控制，根据试验样机168F性能参数，本文设置喷油器喷射速率为0.01kg/s。
图2-10喷油器模型的建立
◆节气门开度计算
小型汽油机电子点火控制系统组成框图如图2-11所示.它由汽油箱、电动汽油泵、汽油滤清器、油轨（带压力调节阀）、喷油器、ECU电控单元等组成。
其中电动汽油泵和喷油器由ECU来控制。
通过ECU来控制电动汽油泵的工作、喷油器的喷油时刻及喷油量。
发动机的进气管上安装节气门,节气门上带有一个线性电阻传感器,节气门的传感器的输出为0.35~4.8V左右的电压信号，节气门开度越大，输出电压也越大，其特性曲线见图2-12
图2-11小型汽油发动机电子燃油喷射系统框图
AMESim软件能够自行判断计算公式,因此,无需另外设置,只要把模块搭建完毕,既能自动生成
◆发动机转速设置
计算公式的确定同节气门开度计算
第三章基于AMESim软件的汽油喷射式发动机的仿真
⏹空燃比和过量空气系数研究意义
空气与燃料在一定比例范围内的混合气成为可燃混合气。
可燃混合气的成分常用空气燃料比（简称空燃比）和过量空气系数d表示。
理论上1kg汽油完全燃烧时所需要的空气质量为15kg，但实际上所供给的空气质量是随发动机的工作变化而变化的。
过量空气系数а是燃烧1kg燃料实际供给的空气质量与理论上完全燃烧时所需空气质量的比值。
即：
а=燃烧过程中实际供给的空气质量：
理论上完全燃烧时所需空气质量；空燃比m是空气质量对燃料质量的比值。
即：
m=空气质量：
燃料质量。
图3-1为四冲程汽油机排气有害成分与过量空气系数а的关系：
图3-1
过量空气系数а或空燃比m左右着发动机的主要性能，因此燃油喷射的最佳调整必须把а控制在0.9~1.15之间，亦即把m控制在（13.5~17.25）：
1之间。
而且应把发动机常用工况的а控制在1.1（m=16.5）附近，此时动力性影响不大，经济性最高，且CO和HC最低，只是NOx在此时含量最高。
因此，本文的仿真计算，主要针对以上这点来进行，使汽油机的过量空气系数尽快收敛在1附近，能够达到最佳效果。
⏹仿真计算
本文采用定量控制的方法进行仿真试验。
●节气门开度保持不变调整发动机转速
首先保持节气门开度100%，调节发动机转速为3000r/min，得到λ的输出波形图（图3-2-1）及燃油喷射的喷油脉宽波形图（图3-2-2）
图3-2-1节气门全开转速3000r/min时，λ的波形图
图3-2-2节气门全开转速3000r/min喷油脉宽波形图
其次，仍然保持节气门开度100%,调节发动剂转速为2800r/min,得到的λ输出波形图（图3-3-1）和喷油脉宽波形图（3-3-2）
图3-4节气门全开转速2800r/min时λ的波形图
图3-3-2节气门全开转速2800r/min喷油脉宽波形图
最后，保持节气门开度100%，调节发动剂转为3200r/min,得到的λ波形图（3-4-1）和喷油脉宽波形图（3-4-2）
图3-4-1节气门全开转速3200r/min时λ的波形图
图3-4-2
节气门全开转速3200r/min喷油脉宽波形图
由此可以看出，当转速在3000和3200时，过量空气系数能够在较短时间内趋于1；而当转速越低，喷油脉宽越小。
●转速保持3000r/min不变，调整节气门开度
首先保持发动机转速3000r/min不变，调整节气门开度为80%，得到的λ的波形图（3-5-1）和喷油脉宽波形图（3-5-2）
图3-5-1转速3000r/min,节气门开度80%的λ波形图
图3-5-2转速3000r/min,节气门开度80%的喷油脉宽波形图
其次，保持转速3000r/min不变，节气门开度调整为60%，得到的λ波形图（3-6-1）和喷油脉宽波形图（3-6-2）
图3-6-1转速3000r/min节气门开度60%的λ波形图
图3-6-2转速3000r/min节气门开度60%的喷油脉宽波形图
然后，继续保持转速3000r/min不变，调整节气门开度为40%的λ波形图（3-7-1）和喷油脉宽波形图（3-7-2）
图3-7-1转速3000r/min节气门开度40%的λ波形图
图3-7-2转速3000r/min节气门开度40%的喷油脉宽波形图
最后，转速3000r/min,调整节气门开度为20%，得到的λ波形图（3-8-1）和喷油脉宽波形图（3-8-2）
图3-8-1转速3000r/min节气门20%的λ波形图
图3-8-2转速3000r/min节气门20%的喷油脉宽波形图
由此可知，当发动机转速保持在3000r/min时，节气门开度在80%和40%时比较稳定，并最终趋向于1；而当节气门开度越小，则喷油脉宽也越小。
⏹结论
发动机电子控制系统的公用是根据发动机运转状况确定最佳喷油量，以与进气量相匹配，使当时工况的空燃比最佳，所以电控单元ECU对空燃比的控制是通过对燃油喷射量的控制来完成的。
在整个过程中，ECU输出的控制指令只是一个出发喷油器的控制信号，在这个喷油信号中，ECU控制了信号的脉宽以及时刻，而喷油信号的脉宽决定了喷油量的多少。
这一脉宽是下列参数的函数：
ECU通过计算测定得到的空燃比，空气流量，发动机的其他工况参数（如节气门位置，进气温度，冷却水温度，曲轴位置，负荷和氧气传感器的信息等），喷油器的流量特性。
本章就是根据节气门位置和转速对小型汽油发动机进行了仿真试验以研究对不同节气门开度时空燃比的收敛情况及喷油脉宽的变化。
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