一種基于Modelica語(yǔ)言的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種基于Modelica語(yǔ)言的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系 統(tǒng)仿真建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，它可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置在 各種不同的環(huán)境溫度和運(yùn)轉(zhuǎn)情況下具有最佳的熱狀態(tài)，使發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì) 性。它是典型的機(jī)械、液壓、控制等多領(lǐng)域耦合系統(tǒng)。因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)合理、科學(xué)的 多領(lǐng)域仿真建模具有重要的意義。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，基于MATLAB/SMJLINK的環(huán)境中建立了某重型汽車(chē)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻 系統(tǒng)模型，著重考慮了風(fēng)扇的風(fēng)速控制邏輯，而未詳細(xì)的對(duì)節(jié)溫器延遲和遲滯現(xiàn)象建模。這 種仿真模型，雖然具有較好的溫度預(yù)測(cè)能力，但是節(jié)溫器的預(yù)測(cè)能力較為簡(jiǎn)單，節(jié)溫器在冷 卻系統(tǒng)控制著各循環(huán)的冷卻液流量。節(jié)溫器采用簡(jiǎn)化形式建模，未考慮到延遲和遲滯現(xiàn)象， 造成仿真結(jié)果不準(zhǔn)確，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)造成不利影響。
[0004] Modelica是一種開(kāi)放、面向?qū)ο蟮囊苑匠虨榛A(chǔ)的建模語(yǔ)言，以其便捷和高效的 代碼能夠快速建模。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是將節(jié)溫器的延遲和遲滯納入仿真范圍，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng) 的仿真建模與實(shí)際情況的一致性，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改 進(jìn)提供更加準(zhǔn)確的參考。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例提供了如下技術(shù)方案：
[0007] -種基于Modelica語(yǔ)言的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真建模方法，包括：
[0008] 系統(tǒng)拆解：將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)分解為零部件模型庫(kù)，所述零部件模型庫(kù)包括發(fā)動(dòng) 機(jī)模型、散熱器模型、節(jié)溫器模型和水栗模型，所述節(jié)溫器模型具有延遲和遲滯特性；
[0009] 系統(tǒng)建模：采用機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)接口模型、冷卻液回路系統(tǒng)接口模型和空氣端接口 模型將所述發(fā)動(dòng)機(jī)模型、所述散熱器模型、所述節(jié)溫器模型和所述水栗模型連接形成機(jī)械 系統(tǒng)、冷卻液回路系統(tǒng)和空氣端系統(tǒng)；
[0010] 仿真控制。
[0011] 優(yōu)選地，所述機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)接口模型用于傳遞力矩、轉(zhuǎn)速，所述冷卻液回路系統(tǒng)接 口模型用于傳遞冷卻液介質(zhì)、質(zhì)量流量、熱流量、比焓、壓力，所述空氣端系統(tǒng)接口模型用于 傳遞冷卻空氣介質(zhì)、質(zhì)量流量、熱流量、比洽、壓力。
[0012] 優(yōu)選地，所述空氣端系統(tǒng)接口模型包括空調(diào)系統(tǒng)空氣端接口模型和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系 統(tǒng)空氣端接口模型，其中所述空調(diào)系統(tǒng)空氣端接口模型包括含濕量和蒸汽流量，而所述發(fā) 動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)空氣端接口模型中將空氣作為單一性質(zhì)氣體。
[0013] 優(yōu)選地，所述發(fā)動(dòng)機(jī)模型具有冷卻液入口、冷卻液出口和轉(zhuǎn)動(dòng)輸出口三個(gè)接口。
[0014] 優(yōu)選地，所述節(jié)溫器模型等效于閥門(mén)與開(kāi)度控制器，所述閥門(mén)包括信號(hào)延遲元件 和流量控制元件，所述開(kāi)度控制器根據(jù)閥口升程-溫度曲線建模。
[0015] 優(yōu)選地，所述節(jié)溫器模型根據(jù)冷卻液溫度變化確定閥口升程。
[0016] 本發(fā)明的實(shí)施例充分考慮了節(jié)溫器的延遲和遲滯特性，在具體操作上，將節(jié)溫器 模型等效為閥門(mén)與開(kāi)度控制器兩者的合成，并且開(kāi)度控制器是根據(jù)閥口升程-溫度曲線建 模，從而根據(jù)冷卻液的溫度變化控制閥門(mén)的開(kāi)度，因此在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中，節(jié)溫器的 延遲和遲滯現(xiàn)象被納入仿真，從而使仿真建模與實(shí)際情況更加一致。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 接下來(lái)將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，其中：
[0018] 圖1是一種典型的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的原理圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明的實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真建模方法的原理圖；
[0020] 圖3是本發(fā)明的實(shí)施例的閥口升程-溫度曲線圖；
[0021] 圖4是本發(fā)明的實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)模型的進(jìn)、出水溫度仿真曲線圖；
[0022] 圖5是本發(fā)明的實(shí)施例的散熱器模型的冷卻液進(jìn)、出口溫度仿真曲線圖；
[0023] 圖6是本發(fā)明的實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)大小循環(huán)水量仿真曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 參考圖1，圖中黑色箭頭標(biāo)明的是冷卻液流動(dòng)方向，空心箭頭標(biāo)明的是冷卻風(fēng)流動(dòng) 方向。水栗是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻液循環(huán)的動(dòng)力源，水栗一般直接通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速 由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸決定。節(jié)溫器是冷卻液循環(huán)流量的控制裝置，常見(jiàn)的節(jié)溫器通過(guò)蠟球控制閥 口開(kāi)度，從而對(duì)流量進(jìn)行控制，當(dāng)節(jié)溫器處于閉合狀態(tài)時(shí)，水全部通過(guò)旁路通道經(jīng)水栗流回 發(fā)動(dòng)機(jī)水套，即小循環(huán)；當(dāng)節(jié)溫器打開(kāi)，冷卻液便經(jīng)過(guò)散熱器冷卻后通過(guò)水栗流回發(fā)動(dòng)機(jī)水 套，即大循環(huán)。冷卻風(fēng)從格柵進(jìn)入后，依次流過(guò)中冷器、油冷器、散熱器、風(fēng)扇和發(fā)動(dòng)機(jī)，再流 出發(fā)動(dòng)機(jī)艙。
[0025] 參考圖2,本實(shí)施例基于Modelica語(yǔ)言對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模。
[0026] 首先進(jìn)行系統(tǒng)拆解，將整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)按照實(shí)際的物理模型分解為各零部件 的模型庫(kù)，該零部件模型庫(kù)至少包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、散熱器模型、節(jié)溫器模型和水栗模型，同 時(shí)節(jié)溫器模型要求具有延遲和遲滯特性，這在下文中更詳細(xì)描述。各零部件模型是根據(jù)子 系統(tǒng)或零部件的特征及熱力學(xué)定律建立的數(shù)學(xué)模型，再使用Modelica語(yǔ)言在已有的標(biāo)準(zhǔn) 庫(kù)上編寫(xiě)新的程序和接口。
[0027] 然后進(jìn)行系統(tǒng)建模。當(dāng)所有的零部件模型都已封裝好之后，用拖放式的方法將各 零部件模型拖到建模窗口里，利用接口模型將其連接起來(lái)，編譯并檢查語(yǔ)法錯(cuò)誤，設(shè)置參數(shù) 和初始值，進(jìn)行仿真控制。同時(shí)可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的類(lèi)型不同，可在原有的模型庫(kù)上進(jìn) 一步修改，例如將水冷散熱器改為空冷散熱器，這樣最終就搭建了一個(gè)根據(jù)用戶(hù)需要而建 立的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)模型。最后將仿真結(jié)果文件輸出。
[0028] 在本實(shí)施例所要建立的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)模型中，主要涉及三個(gè)子系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)、 冷卻液回路系統(tǒng)和空氣端系統(tǒng)。由于三個(gè)子系統(tǒng)的組件傳遞數(shù)據(jù)和耦合原理的差異，需要 建立三種接口模型：機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)接口模型，用于傳遞力矩、轉(zhuǎn)速；冷卻液回路系統(tǒng)接口模 型，用于傳遞冷卻液介質(zhì)、質(zhì)量流量、熱流量、比焓、壓力；空氣端系統(tǒng)接口模型，用于傳遞冷 卻空氣介質(zhì)、質(zhì)量流量、熱流量、比焓、壓力。冷卻液回路系統(tǒng)接口模型主要定義了介質(zhì)、質(zhì) 量流量、熱流量、比焓、壓力作為傳遞變量?？諝舛讼到y(tǒng)接口模型包括空調(diào)系統(tǒng)空氣端接口 模型和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)空氣端接口模型，與空調(diào)系統(tǒng)空氣端接口模型相比，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系 統(tǒng)空氣端接口模型沒(méi)有定義含濕量和蒸氣流量?jī)蓚€(gè)變量，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)空氣端接 口與空調(diào)系統(tǒng)空氣端接口不能直接相連，而需要定義一個(gè)兩接口基本模型進(jìn)行連接。在發(fā) 動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中，一般只關(guān)心空氣的熱力學(xué)性質(zhì)，并不關(guān)心空氣的濕度，故在此為了簡(jiǎn)化計(jì) 算，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)空氣端接口模型中將空氣看成單一性質(zhì)氣體，并且根據(jù)質(zhì)量守恒和 能量守恒原理定義兩接口基本模型的關(guān)系式。此兩接口基本模型可以作為系統(tǒng)組件模型的 基礎(chǔ)模塊，方便其他部件模型組件的建模。采用機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)接口模型、冷卻液回路系統(tǒng)接 口模型和空氣端接口模型將上發(fā)動(dòng)機(jī)模型、散熱器模型、節(jié)溫器模型和水栗模型連接形成 機(jī)械系統(tǒng)、冷卻液回路系統(tǒng)和空氣端系統(tǒng)。
[0029] 發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷是一個(gè)比較難以模擬的變量，它與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)功率，燃燒室工 況，冷卻液溫度等因素都存在一定關(guān)系。在此采用經(jīng)驗(yàn)公式模型模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷。具 體計(jì)算公式如下：
[0030] 發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量：
[0048] Hmt--水套出水口熱流量，單位W;
[0049] m--水套中冷卻液質(zhì)量，單位kg/s;
[0050] cv--冷卻液比熱容，單位X/(kg?K);
[0051] T---冷卻液溫度變化率，單位K/s;
[0052] ae--發(fā)動(dòng)機(jī)表面熱對(duì)流傳熱系數(shù)，單位WAm2 ?K);
[0053] Ae--發(fā)動(dòng)機(jī)表面熱對(duì)流換熱面積，單位m2;
[0054] Tcoolant--冷卻液溫度，單位K;
[0055] Tair--發(fā)動(dòng)機(jī)周?chē)h(huán)境溫度，單位K。
[0056] 發(fā)動(dòng)機(jī)模型有冷卻水入口，冷卻水出口和轉(zhuǎn)動(dòng)輸出口三個(gè)接口。此發(fā)動(dòng)機(jī)模型需 要設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，發(fā)動(dòng)機(jī)水套容積、發(fā)動(dòng)機(jī)水套流阻、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等相關(guān)參數(shù)， 模型會(huì)根據(jù)具體仿真工況計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)與冷卻水的熱交換率以及曲軸輸出功率。
[0057] 節(jié)溫器有兩個(gè)重要的非線性特性：時(shí)間延遲和遲滯。延遲是指水溫達(dá)到觸發(fā)溫度 之后，節(jié)溫器不能馬上產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，而是要經(jīng)