如何搭建点燃式发动机仿真模型

01.模型介绍

点燃式(Spark-Ignition，SI)发动机仿真模型可使用功率、空气流量、燃料流量、排气温度、效率和排放性能的物理量查找模块（Lookup Table）来实现。该模型可以用于：

• 硬件在环（HIL）发动机控制设计与测试；
• 车辆级燃油经济性和性能模拟。

点燃式发动机仿真模型的设计思路为利用查表模块对引擎进行建模，并根据不同引擎的特性确定相应的查找表，从而通过不同的输入参数在表中找到对应的输出数据。查找表为包括但不限于指令扭矩(Tcmd)、制动扭矩(Tbrake)和发动机转速N等的函数。

▲常见的点燃式发动机

02.数学方法

2.1 气缸空气质量

该模型使用以下方程计算归一化气缸空气质量：

其中包含的变量为：

2.2 涡轮增压器滞后

为模拟涡轮增压器滞后，需要考虑涡轮增压器滞后效应。在节气门控制期间，时间常数可模拟歧管填充和排空动态。当扭矩请求需要涡轮增压器增压时，该模型使用较大的时间常数来表示涡轮增压器滞后。该模型使用以下方程：

其中包含的变量为：

2.3 燃油流量

为计算高保真模型的燃油经济性，该模型使用体积燃油流量方法。

其中包含的变量为：

​

03.输入输出

输入：

1. 指令扭矩

2. 发动机转速

3. 发动机温度

输出：

1. 发动机输出扭矩

2. 发动机空气流量

3. 发动机燃油流量

4. 发动机废气温度

5. 发动机制动比油耗（Brake Specific Fuel Consumption，BSFC）

6. 发动机熄火碳氢化合物排放流量

7. 发动机熄火一氧化碳排放流量

8. 发动机输出一氧化氮和二氧化氮排放物流量

9. 发动机熄火二氧化碳排放流量

10. 发动机排气颗粒物排放流量

11. 体积燃料流量

12. 空燃比（Air Fuel Ratio，AFR）

13. 标准化发动机气缸空气质量

14. 发动机曲轴绝对角

04.ModelCoder建模仿真

ModelCoder是一款支持多种嵌入式系统建模并可以自动生成高安全可靠的C代码的软件设计和开发工具，可实现该发动机仿真模型的搭建。具体步骤为：

第一步：搭建模型

第二步：将输入端口用信号源替换

第三步：启动仿真，查看发动机空气质量流量输出的结果

该示例展示了汽车工程师团队如何利用ModelCoder着手打造乘用车发动机控制单元(ECU)模型的过程。该模型根据点燃式发动机系统的具体需求构建，具备较高保真度，需要研发团队搭建各种场景下的高级模型仿真来执行初始系统并集成测试，以验证该模型是否能够正确完成系统的仿真以及系统是否具备对输入信号做出适当响应的能力。

整体而言，ModelCoder为研发团队提供了将复杂系统模型化的解决方法，在实现模型复用的同时提高了设计应用效率。