一种基于Modelica语言的发动机冷却系统仿真建模方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 现有技术中，基于MATLAB/SMJLINK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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 为实现上述目的，本发明的实施例提供了如下技术方案：
[0007] -种基于Modelica语言的发动机冷却系统仿真建模方法，包括：
[0008] 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、节温器模型和水栗模型，所述节温器模型具有延迟和迟滞特性；
[0009] 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栗模型连接形成机械 系统、冷却液回路系统和空气端系统；
[0010] 仿真控制。
[0011] 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、比洽、压力。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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】
[0017] 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：
[0018] 图1是一种典型的发动机冷却系统的原理图；
[0019] 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；
[0020] 图3是本发明的实施例的阀口升程-温度曲线图；
[0021] 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；
[0022] 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；
[0023] 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】
[0024] 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。水栗是发动机冷却系统冷却液循环的动力源，水栗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栗流回 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栗流回发动机水 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。
[0025] 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。
[0026] 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、节温器模型和水栗模型，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。
[0027] 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。
[0028] 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、节温器模型和水栗模型连接形成 机械系统、冷却液回路系统和空气端系统。
[0029] 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：
[0030] 发动机散热量：
[0048] Hmt--水套出水口热流量，单位W;
[0049] m--水套中冷却液质量，单位kg/s;
[0050] cv--冷却液比热容，单位X/(kg?K);
[0051] T---冷却液温度变化率，单位K/s;
[0052] ae--发动机表面热对流传热系数，单位WAm2 ?K);
[0053] Ae--发动机表面热对流换热面积，单位m2;
[0054] Tcoolant--冷却液温度，单位K;
[0055] Tair--发动机周围环境温度，单位K。
[0056] 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。
[0057] 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