ADVISOR仿真软件中的发动机模块控制与优化

发动机是一个非常复杂且高度非线性的系统。其特性主要是由燃烧过程决定的，另外还受进气、排气以及传热过程的影响。传统的发动机性能建模集中体现在发动机燃烧模型的研究上，燃烧过程极其复杂，涉及燃油燃烧化学过程、金属材料受热传导的工程热力学以及复杂的机械动力学运动，具有显著的非线性。因此建立复杂的非线性发动机模型的难度很大。发动机有两种常用的建模方法：理论建模法和实验建模法^[8]。

理论建模方法是基于理论分析。在发动机各特征参数已知的条件下，需要利用热力学知识对燃料燃烧过程进行模拟，涉及复杂的燃烧理论、各部件之间的热传递，还需要利用流体力学和动力学原理建立发动机的空气和燃油流量方程以及各运动部件之间的运动方程。理论建模可以比较好地反映发动机的动态特性，而且简单地改变发动机的几何参数值就可以仿真不同大小的发动机。发动机各参数之间的关系用微分方程和代数方程来精确描述，模型复杂、计算时间长，主要用于研究发动机内部结构、工作机理对发动机性能参数的影响。然而，复杂的数学模型会导致仿真计算时间过长，对于实时仿真不切合实际。同时，发动机很多特征参数测试难度较大，往往是根据经验或对其进行估计，这难免会降低模型的精度，结果是复杂的理论模型可能并不比实验模型优越。发动机理论模型具有应用广泛的特点，无须对发动机进行预先的测试，但模型建立比较困难，需要考虑的实际因素比较多。

实验建模法则是通过台架试验测得发动机试验数据并建立数据表，利用查表或试验数据拟合模拟发动机工作，简单有效，可精确表示发动机的稳态特性。实验建模通用性较强，只需考虑单元结构的输入和输出量，对于环境对单元结构工作特性的影响，可引入环境变量对单元结构的特性进行修正，可使模型精度达到要求。它是一种查表性质的模型，其输入输出关系可以精确地表示发动机的稳态特性。实验建模法简单有效，模型需要的数据可以通过发动机性能试验得到，缺点是不能够反映发动机的瞬态响应特性，而且建立的模型只针对一台发动机。

发动机台架试验工作过程严格说来是一种准静态的工作过程，而这与汽车实际行驶过程中发动机所处的动态工作过程有较大的差异，往往需要对其静态的数据进行修正。理论建模与实验建模各有优劣。因此，应该根据具体的目的选用合适的建模方式，这就需要在模型的简单性、精确性、实验费用等所需考虑的因素之间进行权衡，选择一种合适的建模方法。

ADVISOR仿真软件中发动机模块采用实验建模法为主、理论建模法为辅的混合建模方法。由整车仿真模型中其他部件模型给定所需求的转速和转矩，考虑了惯性损失和附件损失的发动机模型可计算出满足这些需求所对应发动机的工作点。发动机控制器模块不允许发动机工作在正常转矩和转速范围之外的区域，控制器也限定了当离合器分离时发动机的转速。一旦实际的转速和转矩决定以后，这些值会反馈到其他的部件模型，可被用于决定每一时间步长内的燃油消耗量和排放值。燃油消耗量和排放数据存储在表格中，与发动机转速和转矩相对应，可通过积分运算求出总的燃油消耗量以及排放总量。

发动机使用外特性可视为发动机转速的一元函数，通常采用最小二乘拟合法进行确定^[9]。发动机输出转矩T_e和转速n_e的关系可表示为

式中，k为阶数；A_i为使用外特性模型中的拟合系数。

将发动机试验测得的转矩T_e及转速n_e代入上述公式中，并考虑测试过程中的随机误差e_i，可得

求得系数矩阵A，则发动机外特性方程为

ADVISOR仿真软件采用MATLAB中的INTERPER1函数来进行一维线性插值计算，即上述公式中取k=1。

发动机的万有特性可视为发动机输出转矩T_e和转速n_e的二元函数，通常采用曲面拟合法来确定^[10]，其数学模型为

式中，g_e为发动机的燃油消耗率[g/（kW·h）]；A_k为万有特性数学模型中的拟合系数矩阵，其中k=（i+1）（i+2）-i-1+i，s为模型阶数。

由曲面拟合方法，考虑误差e_i，建立如下回归模型：

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求得系数矩阵A，则发动机的外特性方程为

ADVISOR仿真软件采用MATLAB提供的INTERPER2函数进行二维插值并计算。

基于MATLAB/Simulink环境建立的ADVISOR发动机仿真模块如图4-8所示。发动机模块模拟汽车功率源，该模块将燃料转化为驱动链需要的能量，主要包括转速计算子模块、转矩计算子模块、燃油和排放计算子模块等。发动机模块首先将传动系请求数值传递给发动机控制模块，经过发动机控制模块传回的指令作为控制后的请求数据，通过转速计算子模块和转矩计算子模块计算得到发动机能够提供的动力性能。

ADVISOR发动机模块还考虑了冷起动情况下的燃油消耗量和排放值，特引入温度修整系数对其进行修正。因为发动机冷起动时油耗和排放都要高于发动机热态时相应的油耗和排放值^[11]，如图4-9所示。

图4-8 ADVISOR发动机仿真模块图

图4-9 发动机燃油消耗与污染物排放计算子模块

式中，Cold_use为冷态时发动机的燃油消耗和排放值；Hot_use为热态时发动机的燃油消耗和排放值；Tcoolant为发动机温度；fc_tstat为发动机设定温度（如95℃）。当Tcoolant=20℃时，λ=1；当Tcoolant=95℃时，λ=0。

ADVISOR发动机模块对应的M文件位于“\ADVISOR2002\data\fuel_con-verter”文件夹中，建模过程中需新建对应发动机的M文件或在已有基础上修改发动机万有特性图像对应的转矩、转速、油耗数据等进行二次开发。发动机模块中需要定义的部分参数如下：

发动机转速范围（rad/s）：fc_map_spd=[104.5，149.2，220.9，292.5，364.1，435.7，507.4，552.2，596.9]。

发动机转矩范围（N·m）：fc_map_trq=[6.8，13.6，20.4，27.2，33.8，40.6，47.4，54.2，61，67.8，74.6，81.4]。

发动机最大转矩曲线（N·m）：fc_maX_trq=[61，67.6，73.7，78.5，80.9，77.3，76.2，73.3，68.7]。

发动机燃油消耗率[g/（kW·h）]：fc_fuel_map_gpkWh=[635.7，635.7，541.4，447.2，352.9，332.2，311.4，322.4，333.5，333.5，333.5，333.5；678.4，500.1，443.8，387.4，331.1，301.8，297，283.4，269.8，358，358，358；463.4，463.4，407.6，350.1，294.3，280.8，267.3，253.9，269.8，303.2，336.7，336.7；699.1，567.9，500.3，432.7，301.4，283.9，266.3，248.7，258.8，268.8，271.9，317.9；592.9，592.9，494.6，393.4，295.1，279.4，263.6，247.9，255.2，262.5，295，322.6；667.9，524.8，381.6，351.9，322.2，304.9，287.5，270.8，290.8，310.9，330.9，330.9；630.6，630.6，522.5，411.1，303，304.4，305.8，304.2，314.5，324.8，327.7，327.7；698.4，500.5，428.6，392.7，356.8，337.9，328.4，319，328.8，338.6，333.7，333.7；751.1，637.8，521.1，407.8，393.1，378.4，363.3，348.2，318.8，340.2，340.2，340.2]。