一种基于Modelica语言的发动机冷却系统仿真建模方法

摘要

本发明提供了一种基于Modelica语言的发动机冷却系统仿真建模方法，包括：系统拆解：将发动机冷却系统分解为零部件模型库，所述零部件模型库包括发动机模型、散热器模型、节温器模型和水泵模型，所述节温器模型具有延迟和迟滞特性；系统建模：采用机械系统转动接口模型、冷却液回路系统接口模型和空气端接口模型将所述发动机模型、所述散热器模型、所述节温器模型和所述水泵模型连接形成机械系统、冷却液回路系统和空气端系统；仿真控制。本发明对于发动机冷却系统模型的仿真与实际的发动机冷却系统具有较好的一致性。

说明书

技术领域

本发明涉及发动机试验领域，具体涉及一种基于Modelica语言的发动机冷却系统仿真建模方法。

背景技术

发动机冷却系统是车用发动机的重要组成部分，它可以保证发动机和传动装置在各种不同的环境温度和运转情况下具有最佳的热状态，使发动机具有良好的动力性和经济性。它是典型的机械、液压、控制等多领域耦合系统。因此，对发动机冷却系统合理、科学的多领域仿真建模具有重要的意义。

现有技术中，基于MATLAB/SIMULINK的环境中建立了某重型汽车柴油发动机冷却系统模型，着重考虑了风扇的风速控制逻辑，而未详细的对节温器延迟和迟滞现象建模。这种仿真模型，虽然具有较好的温度预测能力，但是节温器的预测能力较为简单，节温器在冷却系统控制着各循环的冷却液流量。节温器采用简化形式建模，未考虑到延迟和迟滞现象，造成仿真结果不准确，从而对发动机冷却系统的设计、改进造成不利影响。

Modelica是一种开放、面向对象的以方程为基础的建模语言，以其便捷和高效的代码能够快速建模。

发明内容

本发明的目的是将节温器的延迟和迟滞纳入仿真范围，从而提高发动机冷却系统的仿真建模与实际情况的一致性，提高试验的准确性，从而对发动机冷却系统的设计和改进提供更加准确的参考。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了如下技术方案：

一种基于Modelica语言的发动机冷却系统仿真建模方法，包括：

系统拆解：将发动机冷却系统分解为零部件模型库，所述零部件模型库包括发动机模型、散热器模型、节温器模型和水泵模型，所述节温器模型具有延迟和迟滞特性；

系统建模：采用机械系统转动接口模型、冷却液回路系统接口模型和空气端接口模型将所述发动机模型、所述散热器模型、所述节温器模型和所述水泵模型连接形成机械系统、冷却液回路系统和空气端系统；

仿真控制。

优选地，所述机械系统转动接口模型用于传递力矩、转速，所述冷却液回路系统接口模型用于传递冷却液介质、质量流量、热流量、比焓、压力，所述空气端系统接口模型用于传递冷却空气介质、质量流量、热流量、比焓、压力。

优选地，所述空气端系统接口模型包括空调系统空气端接口模型和发动机冷却系统空气端接口模型，其中所述空调系统空气端接口模型包括含湿量和蒸汽流量，而所述发动机冷却系统空气端接口模型中将空气作为单一性质气体。

优选地，所述发动机模型具有冷却液入口、冷却液出口和转动输出口三个接口。

优选地，所述节温器模型等效于阀门与开度控制器，所述阀门包括信号延迟元件和流量控制元件，所述开度控制器根据阀口升程-温度曲线建模。

优选地，所述节温器模型根据冷却液温度变化确定阀口升程。

本发明的实施例充分考虑了节温器的延迟和迟滞特性，在具体操作上，将节温器模型等效为阀门与开度控制器两者的合成，并且开度控制器是根据阀口升程-温度曲线建模，从而根据冷却液的温度变化控制阀门的开度，因此在整个发动机冷却系统中，节温器的延迟和迟滞现象被纳入仿真，从而使仿真建模与实际情况更加一致。

附图说明

接下来将结合附图对本发明的实施例做进一步详细说明，其中：

图1是一种典型的发动机冷却系统的原理图；

图2是本发明的实施例的发动机冷却系统仿真建模方法的原理图；

图3是本发明的实施例的阀口升程-温度曲线图；

图4是本发明的实施例的发动机模型的进、出水温度仿真曲线图；

图5是本发明的实施例的散热器模型的冷却液进、出口温度仿真曲线图；

图6是本发明的实施例的发动机冷却系统大小循环水量仿真曲线图。

具体实施方式

参考图1，图中黑色箭头标明的是冷却液流动方向，空心箭头标明的是冷却风流动方向。水泵是发动机冷却系统冷却液循环的动力源，水泵一般直接通过发动机驱动，其转速由发动机曲轴决定。节温器是冷却液循环流量的控制装置，常见的节温器通过蜡球控制阀口开度，从而对流量进行控制，当节温器处于闭合状态时，水全部通过旁路通道经水泵流回发动机水套，即小循环；当节温器打开，冷却液便经过散热器冷却后通过水泵流回发动机水套，即大循环。冷却风从格栅进入后，依次流过中冷器、油冷器、散热器、风扇和发动机，再流出发动机舱。

参考图2，本实施例基于Modelica语言对发动机冷却系统进行仿真建模。

首先进行系统拆解，将整个发动机冷却系统按照实际的物理模型分解为各零部件的模型库，该零部件模型库至少包括发动机模型、散热器模型、节温器模型和水泵模型，同时节温器模型要求具有延迟和迟滞特性，这在下文中更详细描述。各零部件模型是根据子系统或零部件的特征及热力学定律建立的数学模型，再使用Modelica语言在已有的标准库上编写新的程序和接口。

然后进行系统建模。当所有的零部件模型都已封装好之后，用拖放式的方法将各零部件模型拖到建模窗口里，利用接口模型将其连接起来，编译并检查语法错误，设置参数和初始值，进行仿真控制。同时可根据发动机冷却系统的类型不同，可在原有的模型库上进一步修改，例如将水冷散热器改为空冷散热器，这样最终就搭建了一个根据用户需要而建立的发动机冷却系统模型。最后将仿真结果文件输出。

在本实施例所要建立的发动机冷却系统模型中，主要涉及三个子系统：机械系统、冷却液回路系统和空气端系统。由于三个子系统的组件传递数据和耦合原理的差异，需要建立三种接口模型：机械系统转动接口模型，用于传递力矩、转速；冷却液回路系统接口模型，用于传递冷却液介质、质量流量、热流量、比焓、压力；空气端系统接口模型，用于传递冷却空气介质、质量流量、热流量、比焓、压力。冷却液回路系统接口模型主要定义了介质、质量流量、热流量、比焓、压力作为传递变量。空气端系统接口模型包括空调系统空气端接口模型和发动机冷却系统空气端接口模型，与空调系统空气端接口模型相比，发动机冷却系统空气端接口模型没有定义含湿量和蒸气流量两个变量，因此，发动机冷却系统空气端接口与空调系统空气端接口不能直接相连，而需要定义一个两接口基本模型进行连接。在发动机冷却系统中，一般只关心空气的热力学性质，并不关心空气的湿度，故在此为了简化计算，在发动机冷却系统空气端接口模型中将空气看成单一性质气体，并且根据质量守恒和能量守恒原理定义两接口基本模型的关系式。此两接口基本模型可以作为系统组件模型的基础模块，方便其他部件模型组件的建模。采用机械系统转动接口模型、冷却液回路系统接口模型和空气端接口模型将上发动机模型、散热器模型、节温器模型和水泵模型连接形成机械系统、冷却液回路系统和空气端系统。

发动机的热负荷是一个比较难以模拟的变量，它与发动机的实时功率，燃烧室工况，冷却液温度等因素都存在一定关系。在此采用经验公式模型模拟发动机的热负荷。具体计算公式如下：

发动机散热量：

${\stackrel{·}{Q}}_{rej}=\eta \frac{N_f}{N_c}{\stackrel{·}{M}}_f·Q_{LHV}=\eta \frac{N_f}{N_c}{\stackrel{·}{M}}_{air}·\frac{1}{A/F}·Q_{LHV}---\left(1\right)$

热平衡方程：

${\stackrel{·}{Q}}_{coolant}+{\stackrel{·}{Q}}_{air}+{\stackrel{·}{H}}_{in}+{\stackrel{·}{H}}_{out}={\mathrm{mc}}_v\stackrel{·}{T}---\left(2\right)$

发动机散热方程(未考虑辐射形式散失热量)：

${\stackrel{·}{Q}}_{air}={\alpha }_e{A}_e(T_{coolant}-T_{air})---\left(3\right)$

式(1)至(3)中，各项符号意义如下：

——发动机单位时间散发热量，单位W；

η——发动机热量散发的比例系数；

N_f——喷油口数；

N_c——气缸数；

——燃油燃烧质量速率，单位kg/s；

Q_LHV——燃料燃烧值，单位K；

——进气质量流量，单位kg/s；

A/F——空气与燃料燃烧比；

——冷却水吸热量，单位W；

——发动机散热量，单位W；

——水套入水口热流量，单位W；

——水套出水口热流量，单位W；

m——水套中冷却液质量，单位kg/s；

c_v——冷却液比热容，单位J/(kg·K)；

——冷却液温度变化率，单位K/s；

α_e——发动机表面热对流传热系数，单位W/(m²·K)；

A_e——发动机表面热对流换热面积，单位m²；

T_coolant——冷却液温度，单位K；

T_air——发动机周围环境温度，单位K。

发动机模型有冷却水入口，冷却水出口和转动输出口三个接口。此发动机模型需要设置发动机质量，发动机水套容积、发动机水套流阻、发动机曲轴转动惯量等相关参数，模型会根据具体仿真工况计算发动机与冷却水的热交换率以及曲轴输出功率。

节温器有两个重要的非线性特性：时间延迟和迟滞。延迟是指水温达到触发温度之后，节温器不能马上产生相应的动作，而是要经历一段延时才会有所动作。迟滞是指节温器温度—开度特性曲线中，同一开度对应的温升时温度和温降时温度有所不同，而这一差值则为迟滞，图3中的试验曲线给出了温升与温降的迟滞曲线。在本实施例中，将节温器模型等效于阀门与开度控制器的合成，阀门包括信号延迟元件和流量控制元件，通过阀口升程控制流量大小；开度控制器主要围绕节温器的阀口升程—温度曲线进行建模。节温器模型首先通过图4所示的试验升程和降温曲线插值获取在某温度下的节温器分别对应温升和温降的两个升程值yi和yd，再根据冷却液温度一阶导数，判断节温器入口温度是升高还是降低：若时，则为温升，阀口升程y＝yi；若时，则为温降，阀口升程y＝yd；若时，y则保持与上一时刻值相等。这样便可以得到不同温度变化情况下阀口与温度变化的对应关系。在得到阀口升程后，便可以据此计算节温器的流量特性等变量，具体方程如下：

参考流量计算：

线性公式：

$\frac{Kv}{Kv1}=\frac{Kv0}{Kv1}+\left(1-\frac{Kv0}{Kv1}\right)*\frac{y}{Y1}---\left(4\right)$

指数公式：

$\frac{Kv}{Kv1}=\frac{Kv0}{Kv1}*\exp \left[ln\left(\frac{Kv1}{Kv0}\right)*\frac{y}{Y1}\right]---\left(5\right)$

实际流量计算：

$\frac{V\_{\mathrm{flow}}^2*rho}{dp}=\frac{Kv{\left(y\right)}^2*rho0}{dp0}---\left(6\right)$

式(4)至(6)中，各项符号意义如下：

Kv——参考流量，单位kg/s；

Kv0——最小流量(升程y＝0时的流量)，单位kg/s；

Kv1——最大流量(升程y＝Y1时的流量)，单位kg/s；

Y1——最大开度，单位mm；

y——节温器升程，单位mm；

V_flow——实际流量，单位m³/s；

rho——冷却液密度，单位kg/m³；

dp——阀口压降，单位Pa；

rho0——冷却液参考密度，单位kg/m³；

dp0——阀口参考压降，单位Pa。

这样，节温器模型就能够根据冷却液温度变化确定阀口升程，从而控制大、小循环流量。节温器模型有一个冷却液进口和两个出口，以及升程值信号输出接口。此节温器模型仿真时需要设置节温器冷却液初始温度，节温器初始开度、节温器延时、最大升程、标准压降、最大流量、泄漏系数以及温升——升程曲线参数等。

在进行发动机冷却系统模型搭建之前，先对单个零部件模型进行计算仿真验证，确认每个零部件都能正常计算后，便可以建立好发动机冷却系统的各个零部件，搭建最终的发动机冷却系统仿真模型。发动机冷却系统模型包括冷却水回路和空气通道两部分，而冷却水回路又由大循环和小循环两个支路。此发动机冷却系统模型是对汽车发动机冷却系统的情况简化后建立，发动机冷却系统模型主要由发动机、水泵、节温器、散热器、风扇、温度传感器、风扇控制元件、膨胀水箱、节流元件和水管等部件模型组成。发动机冷却系统模型各零部件之间的接口及主要参数如表1所示。与实际发动机冷却系统相比，略去了暖风装置和部分对流阻和散热影响较小的部件。

表1发动机冷却系统的零部件模型库

完成了发动机冷却系统模型搭建和参数设置后，便可以进行仿真计算。图4至图6示例性地表明了一组仿真结果。根据冷却系统的特性，在此仿真步长设置为1s，仿真时间为1000s。仿真的工况为汽车空载在坡度为0路面从静止加速到130km/h，并保持车速稳定(被仿真汽车加速档位设置有5档)。发动机转速曲线是作为工况条件输入。

如图4所示，图中纵坐标为温度(℃)，横坐标为仿真时间(s)，由图4可见发动机冷却水初始温度为20℃，在约102s时刻后，发动机进、出水口温度进入一个波动期，大约在200s时刻左右稳定下来，这一现象主要是由节温器的对水流量动态控制的延时迟滞性和发动机转速的变动引起的。由图4可得知，发动机进水温度为78.5℃，发动机出水温度为89.3℃，经过与试验数据对比仿真结果有较高的精度。

如图5所示，图中纵坐标为温度(℃)，横坐标为仿真时间(s)，散热器中初始冷却水的温度为20℃，当车速稳定下来后，散热器的进、出水温差一直保持在10℃左右，与试验实测情况比较符合。

如图6所示，图中纵坐标为流量(kg/s)，横坐标为仿真时间(s)，图中大、小循环冷却水的流量，主要是由于节温器开度的大小(即节温器模型中阀口升程)起决定性的作用。

本实施例基于Modelica语言建立了发动机冷却系统模型，突出考虑了冷却系统中关键部件节温器的建模，不仅考虑到节温器中冷却水与蜡块的热交换，同时还有机械模块的粘滞和摩擦影响。本实施例的节温器模型可以预测出节温器振荡对发动机出水温度的影响，从而更加精确地预测发动机出水温度；另外节温器的开关动作会影响节温器的工作寿命，本模型可以较好地预测节温器寿命。在具体操作上，将节温器模型等效为阀门与开度控制器两者的合成，并且开度控制器是根据阀口升程-温度曲线建模，从而根据冷却液的温度变化控制阀门的开度，因此在整个发动机冷却系统中，节温器的延迟和迟滞现象被纳入仿真，从而使仿真建模与实际情况更加一致。

Modelica语言具有强大的数学求解能力，对非线性方程组不需开发人员进行任何变换，为工程技术人员提供了高效便捷的辅助设计手段。因此，本发明集成了多学科、多层次仿真模型，能够从不同角度和细节上对复杂的发动机冷却系统各部件相互作用和相互影响以及整体性能进行研究，从而减少循环设计和试验次数，对系统和部件结构改进等提供支持。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。