06-基于GT-Power和Simulink耦合仿真的汽油HCCI发动机全可变气门机构控制策略

基于GT-Power和Simulink耦合仿真的

汽油HCCI发动机全可变气门机构控制策略研究

谢辉张岩李楠秦静赵华

（天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，300072，天津）

摘要：本文利用GT-Power和Simulink搭建了进排气门升程相位全可变（4V）HCCI发动机仿真平台，其中包括单缸机模型、HCCI燃烧模型、4V机构运动模型、4V机构控制器模型及发动机控制器模型。在此平台上初步研究了过渡工况下可变气门机构的升程控制和相位对HCCI燃烧的影响，初步讨论了HCCI工况过渡过程中可变气门机构的控制策略。

关键词：汽油HCCI 全可变气门机构过渡过程仿真控制策略

1 前言

可控自燃（Controlled Auto-Ignition，CAI / Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI）被证明是提高汽油机的燃烧效率、实现汽油机的超低排放的有效途径，也是国际内燃机界目前研究的热点之一。目前汽油HCCI应用于实际产品发动机遇到的关键问题是着火控制、燃烧速度控制、运行范围拓展以及SI/HCCI模式切换控制等。汽油机实现均质压燃有多种方式，如进气加热、提高压缩比和内部残余废气等。进气加热方式在实际产品发动机应用中存在动态响应慢、工况过渡和切换困难等问题，提高压缩比则在大负荷很难避免爆震。通过可变气门机构（Variable Valve Actuation，VV A）改变发动机气缸内残余废气量（Trapped Residual Gases，TRG）来控制HCCI燃烧过程及进行SI/HCCI燃烧模式切换，被认为是实现车用HCCI汽油机最切实有效的方法 [1][2][3]。这种方式的关键是如何充分发挥可变气门机构的潜力，采用有效的控制策略，实现HCCI燃烧控制。尤其在HCCI动态过渡工况以及SI/HCCI 模式切换控制中，对全可变气门机构多个控制变量的动态耦合策略提出更苛刻的要求。模拟仿真手段是开展这一研究行之有效的途径。

本文基于作者提出的采用全可变气门机构，即可变进气门升程和相位、可变排气门升程和相位（以下简称4V机构），实现汽油HCCI燃烧及控制的思想，以某一产品化可变气门机构为原型。通过仿真，初步研究了该汽油HCCI原型机在HCCI工况过渡过程中，可变气门机构的控制策略。

本文利用仿真计算软件搭建了进排气门升程相位全可变（4V）HCCI发动机仿真试验平台，其中包括：单缸机模型，HCCI燃烧模型，4V机构运动模型，4V机构控制器模型及发动机控制模型，并在此平台上初步研究了过渡工况下可变气门机构（可变气门定时和可变气门升程）对HCCI燃烧的影响，并在此基础上对瞬态过程进行了初步的仿真研究。

2 4V-HCCI发动机仿真平台

近年来，对HCCI燃烧过程的模拟研究及发动机的仿真建模工作一直是一个新的领域，并且已经有一些理论研究的结果发表。由于HCCI的燃烧是由混合充量的化学反应动力学决定的，一些专业的化学动力学软件（如：CHEMKIN）已经被广泛应用于HCCI燃烧的模拟研究，并且与其它CFD软件耦合研究各流动参数对HCCI燃烧过程的影响。为了缩短计算

时间，通常也可采用简化的反应机理与多维模型进行耦合，但这些都需要详细地挑选基础的化学反应方程式。当燃油的成分发生变化时，一些复杂的标定及优化修正工作就不可避免了。

因此，开发一种基于简单的现象学模型描述HCCI 的燃烧过程，并耦合一维发动机仿真模型模拟HCCI 发动机的工作过程就成为比较切合实际并且简单高效的方法。

4V-HCCI 发动机仿真平台的搭建采用了模块化分层的思想，将整体系统分为5个相对独立的模块，即单缸机模型、SI/HCCI 燃烧模型、4V 机构模型、发动机控制器模型和4V 控制器模型。充分发挥了GT-Power 与MATLAB ○R /Simulink 的自身优势，利用GT-Power 建立发动机模型，利用Simulink 建立控制器模型。最后通过多种耦合链接技术，使5个部分有机组合在一起就得到了4V-HCCI 发动机仿真试验平台，整体结构如图1所示。

下面分别介绍每个模块各自的作用。 （1） 单缸机模型

目前，比较流行的一维发动机模拟软件有Ricardo 公司的WA VE 、Gamma Tech 公司的GT-Power 、A VL 公司的Boost 等等，其中以GT-Power 使用得最为广泛。本研究采用了该软件，以Ricardo Hydra 四气门单缸汽油试验机为原型（具体参数见表1），在GT-Power 中完全按照实际的参数搭建了发动机台架及其管路的一维仿真模型，见图2。

表1 Ricardo Hydra 140型汽油机的基本参数

缸径

86.00mm 行程 86.00mm 缸数 1 排量

0.5L

压缩比 10.44（计算） 吸气方式 自然吸气 标定转速 6000r/min 最大转速 6500r/min 配气方式 顶置凸轮轴，4气门

进/排气门升程

1.5mm/1.7mm 可变气门定时

手动调节 燃油喷射方式

进气管喷射 喷油压力

2.5bar

图1 4V-HCCI 发动机仿真模型构成

GT-Power 软件中包含了多个模块，每个模块分别执行各自的计算任务，包括：气体交换模型、传热模型、燃烧模型及凸轮升程曲线模型等。根据本研究的4V-HCCI 发动机实际情况，只使用了其中的气体交换模型和传热模型。由于基于内部EGR 实现HCCI 燃烧，依赖于特殊的气门升程曲线，为此，利用GT-Power 软件良好的对用户开放性，另外编写了HCCI 燃烧模型及符合4V 机构运动规律的4V 机构气门升程曲线模型，打包封装后供Simulink 调用，如图3所示。

（2）SI/HCCI 燃烧模型

从燃烧机理上来说，传统的柴油机是压燃的扩散燃烧，传统的汽油机是均质混合的火花点火，靠火焰传播来进行燃烧。均质压燃模式是结合柴油机和汽油机两种传统燃烧模式优点的一种新燃烧模式。HCCI 燃烧放热规律与传统SI 燃烧规律不同，由于均质压燃是多点着火，没有明显的火焰传播面，与传统SI 燃烧放热规律相比，HCCI

燃烧放热速率更快，燃烧持续

图2 使用GT-Power 开发的4V-HCCI 发动机模型

图3 Simulink 环境中4V-HCCI 仿真试验平台

期更短。到目前为止，HCCI 燃烧模型的建立仍然被认为是一项很具挑战性的问题[4]。

GT-Power 中的燃烧模型中只含有传统的汽油机SI 和柴油机燃烧模型，而HCCI 燃烧模型目前还没有被加入到GT-Power 中去，为了使模拟工作能够更好的反映实际情况，充分利用GT-Power 软件对用户的开放性，总结并编写一个可以描述HCCI 燃烧过程的燃烧模型，并将该模型以动态链接库外挂于发动机模型上，可以进行HCCI 燃烧过程的模拟。

燃烧建模采用非线性回归的方法，首先在HCCI 单缸试验机上通过试验的方法获得HCCI 可运行工况范围，并且采集每个工况点的压力示功图，根据热力学第一定律计算出放热率，分析并总结在可运行工况范围内及边界上的燃烧特征参数对

HCCI 燃烧的影响。在此基础上，将HCCI 燃烧的放热率总结为两段放热，即：低温放热阶段和高温放热阶段，见图3，并对累计质量燃烧率采用分段的非线性回归的方法进行建模，关于燃烧模型的详细情况可以参考[5]。

(3) 4V 机构运动规律模型

4V 机构的气门最大升程调节是由伺服电机驱动偏心轴转角来控制的，可变相位调节是通过控制电磁阀的通断调节凸轮轴与曲轴的相对位置来实现。因而，在仿真时采用一个模块专门负责模拟4V 机构在发动机运行时的运动规律，并在模型中用偏心轴转角来表示气门升程的变化，用IVO 和EVC 来表示进气门及排气门相位的变化。4V 机构运动模型从4V 控制器模型得到关于气门升程和相位的控制信息，包括升程控制信号偏心轴转角和相位控制信号IVO 与EVC ，调用不同的气门型线，在将该型线给到HCCI 发动机模型，完成其4V 运动过程仿真。4V 机构运动模型用Fortran 程序编写，通过动态链接库与GT-Power 链接，得到一个较为完善的4V-HCCI 发动机模型。该模型主要由气门升程曲线、滞后环节和惯性环节构成，关键系数通过由气门机构试验测量数据回归拟和得到。 （4） 4V 控制器模型

4V 机构中的气门最大升程控制和气门相位控制，均采用分段PID 控制策略，在Simulink 中采用PID 模块构建该控制器，其PID 参数通过详细的系数整定试验得到。 （5）发动机控制器模型

发动机控制器的建模是基于模拟发动机电控ECU 单元的思想，充分发挥了Simulink 模块化开发与设计的优势。发动机控制器模型负责采集各种发动机传感器送出的信号，通过计算，控制点火时刻、节气门开度、喷油脉宽、以及4V 机构参数转等，将发动机控制于所需的工况点。

图4 HCCI/CAI 燃烧放热率

3 仿真过程与结果 3.1 模型验证

在进行仿真时，首先将火花点火开关打开，使发动机模型以SI 燃烧模式启动并运行相对稳定后，每循环缸内残余废气和温度历程都已达到，将火花开关关闭，燃烧模型也就会自动切换至HCCI 模式，然后就可以进行各种转速和负荷的HCCI 仿真试验。仿真过程类似于在发动机试验台架上的试验流程。图5给出了气门相位为IVO ＝100°CA ATDC 、EVC ＝90°CA BTDC ，转速为1500转/分钟时，模拟与试验的示功图对比。可以看出燃烧模型及发动机模型可以比较准确反映试验情况。

图6为4V 运动规律模型和控制器模型的计算曲线与试验测量曲线的对比。在4V 标定试验台上用气门升程传感器测不同偏心轴转角对应的气门最大升程值，将其与4V 机构模型输出的结果进行对比。可以看出，结果吻合较好。

3.2 HCCI 过渡过程仿真研究

在对发动机4V 系统的实际控制过程中存在着机械延迟，从而会对敏感的HCCI 燃烧造成一定影响，考虑机械延迟对于研究过渡工况变化有着重要意义。HCCI 过渡过程燃烧控制是研究SI/HCCI 模式切换的基础。本研究利用4V-HCCI 发动机仿真试验平台分别研究了变升程控制和变相位控制对HCCI 过渡过程的影响。

变升程控制对HCCI 过渡过程影响的研究结果如图7所示。首先将发动机转速设置在2000转/分钟，调整喷油脉宽使过量空气系数等于1，这时气门相位为IVO=75°CA ATDC 、EVC=85°CA BTDC ，进排气门升程分别为1.7/2.2mm 。当发动机以HCCI 燃烧模式稳定运行一段时间后，在t=0s 时刻,给出排气门偏心轴转角突变信号，目标值是从60度转到40度，对应的最大升程是从2.2mm 降到0.85mm 。从图7中看到，排气门升程减小后缸内残余废气来不及排除，迅速增加，导致最大爆发压力下降，着火推迟。在保持发动机不失火的情况下，排气门升程可在2个循环内达到目标值，但排气门最大升程的过快调节会使内部EGR 率发生振荡，同时表征动力输出的IMEP 也会产生波动。

变相位控制对HCCI 过渡过程影响的研究结果如图8所示。与变升程调节相比，变相位控制明显要慢，这是由机构本身特性决定的。

气门最大升程 （m m ）

偏心轮转角 （°）

图6变升程特性的对比

图5压力曲线对比

-100

100

5101520253035

40 Expt. Model

IVO100EVC90

n=1500rpm

P r e s s u r e / b a r

Crank angle / o

CA ATDC

图7 可变升程控制对HCCI 过渡过程影响

偏心轴转角 （°）

t ( s )

10

20

30

40

气缸压力 （b a r ）

C A 50 (°C A A T

D C )

t ( s )-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

50

556065707580

85R e s i d u a l G a s f r a c t i o n ( % )

t ( s )

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

1.0

1.5

2.0

2.5

3.03.5

4.0

I M E P ( b a r )

t ( s )

图8 可变相位控制对HCCI 过渡过程影响E V C ( °C A A T D C )

t (s)

10

20

30

40

气缸压力 （b a r ）

C A 50 (°C A A T

D C )

t ( s )

-0.10.00.10.20.30.40.50.60.7

54

56586062646668R e s i d u a l G a s f r a c t i o n ( % )

t ( s )

-0.1

0.00.10.20.30.40.50.60.7

2.22.4

2.6

2.8

3.0

3.2

I M E P ( b a r )

t ( s )

发动机工作条件是转速＝2000转/分钟，过量空气系数＝1，进排气门最大升程为1.7/1.5mm,进排气门相位为IVO=78°CA ATDC、EVC=90°CA BTDC。待工作稳定后，在t=0s时刻,给出排气门相位突变到60°CA BTDC的信号，EVC平滑过渡到目标值。排气门的晚关使缸内残余废气下降，最大爆发压力和IMEP有所升高，同时并未对CA50造成太大影响，也未使动力输出产生波动。

4 结论

1) 搭建了基于4V-HCCI发动机模型的仿真平台，其中包括单缸机模型、燃烧模型、4V机

构模型、发动机控制器和4V控制器模型。模型仿真与台架试验相验证，吻合较好。2) 基于GT-Power+Simulink的4V-HCCI发动机仿真平台可用于HCCI动态过渡过程仿真以

及SI/HCCI模式切换仿真。

3) HCCI过渡过程初步的仿真研究表明，现有的4V-HCCI发动机可以通过4V机构的控制，

满足HCCI过渡工况的需要；但平稳的HCCI负荷过渡需要合理优化4V机构的调节速度以及4V的合理耦合。

参考文献

[1]. Nebojsa Milovanovic, Rui Chen, Jamie Turner. Influence of the Variable Valve Timing

Strategy on the Control of a Homogeneous Charge Compression(HCCI) Engine, SAE Paper 2004-01-1899.

[2]. Koopmans, L., Str?m, H., Lundgren,S., Backlund,O and Denbratt,I, Demonstrating a

SI-HCCI-SI Mode Change on a V olvo 5-Cylinder Electronic Valve Control Engine, SAE Technical Paper Series, SAE Paper 2003-01-0753, 2003

[3]. Fuerhapter, E. Unger, W. F. Piock and G. K. Fraidl. The new A VL CSI Engine—HCCI

Operation on a Multi Cylinder Gasoline Engine[C]. SAE Paper 2004-01-0551

[4]. 美国能源技术报告，Homogeneous Charge Compression Ignition(HCCI) Technology,

Summer,2001.

[5]. Hui Xie, Jing Qin, Yan Zhang, Hongguo Zhu, H. Zhao；A Combustion Correlation for CAI

Combustion and Its Application to CAI Engine Simulation；Journal of Combustion Science and Technology,2004,10(6):511-515.