第5期（总第232期） 2017年10月
车用发动机 VEHICLE ENGINE
No 5 (Serial No 232 )
Oct2017
面向HL应用的大功率柴油机半物理建模方法
孟长江’，贾利，范燕朝”，申晓彦，董新宇’，吕慧，王海蒸“，仇会彬”，刘国浩，任路(1中国北方发动机研究所（天津），天津300400;2北京经纬恒润科技有限公司，北京100191；
3西安军事代表局驻天水地区军事代表室，甘肃天水741000）
摘要：为实现控制器硬件在环（Hardware-in-the-loop，HIL)测试，根据半物理建模方法，基于Matlab/Simulink
建立了大功率高压共航柴油机实时仿其模型。介绍了柴油机关键部件的建模原理，并进行了起动、急速工况和测功机工况下的仿真试验，通过对比分析发现，仿真结果与试验数据误差小于6%，表明所建柴油机模型能够完成控制器控制功能的验证，可以应用于发动机控制策略的前期开发和控制器的HL测试，模型具有较高的可靠性和通用性。
关键词：柴油机；高压共轨；硬件在环；半物理模型仿真 DOI:10 3969/j issn 1001-2222 2017 05 007
中图分类号：TK422
文献标志码：B
文章编号：1001-2222(2017)05-0034-05
HIL仿真是车辆电控单元（ECU）开发流程中的重要环节。HIL仿真测试系统以实时硬件平台运行仿真模型来模拟被控对象的运行状态，通过 I/O接口与真实ECU形成团环测试环境，通过模拟被控对象的各种复杂工况，如故障工况、极限工况可以实现对被测ECU的全面、系统测试，从而及早发现系统设计中的缺陷，可以有效缩短ECU的开发周期、降低产品的开发成本[1-3]。
柴油机的数学模型是HIL仿真的核心，需要兼顾精确性和实时性的要求。目前，应用于HIL仿真测试的模型主要采用均值模型的建模方法，重在描述柴油机的状态变量平均值随时间的变化过程，柴油机的物理过程完全通过代数方程或者微分方程来表示，但对于复杂的过程，难以通过简单的方程准确描述其特性。本研究采用了一种半物理建模方法，即机理建模和试验建模相结合的方法，根据柴油机的工作原理，对各工作系统进行广物理意义明确的简化处理，物理过程清晰的环节用方程表示，物理过程复杂的环节用试验数据表示，突出实时性，同时又
能准确描述柴油机的物理特性[4-S]。 1高压共轨柴油机建模研究 1.1模型的总体结构
以HIL应用为目的，根据大功率高压共轨柴油收稿日期：2017-05-20；修回日期：2017-10-21
机的系统结构和功能原理，将柴油机模型简化为燃油系统、进气系统、气缸模块、冷却系统、排气系统、曲轴动力学子模型，并建立了简单的传动系统、起动机、测功机等模型。根据柴油机的不同运行工况，由燃油系统和进气系统分别计算当前需要的喷油量和进气量，在气缸模块进行混合气体燃烧扭矩计算，该扭矩克服柴油机工作过程中的摩擦扭矩，通过曲轴动力学模型转化为柴油机的转速输出，并传递给传动系统。柴油机的结构和原理见图1。
节流阀和进气歧管
发动机冷却
柴油机本体
转
高压象
图1柴油机结构和工作原理
低压油系统
在满足柴油机基本性能的前提下，从研究柴油机电控系统实时性需求的角度出发对建模过程作如下简化[9-12]：
1）忽略柴油机工作过程中气体、液体压力和温
作者简介：孟长江(1970一），男，研究员，主要研究方向为发动机控制系统及内燃机测试仪器；mcj9259@163eom，