發(fā)動(dòng)機(jī)與控制的案例
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制——pdf書(shū)
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虛擬傳感器：發(fā)動(dòng)機(jī)控制
虛擬傳感器：發(fā)動(dòng)機(jī)控制
2015-7-13 來(lái)源：中國(guó)汽車技術(shù)信息網(wǎng)
虛擬傳感器是一種位于發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元中的計(jì)算機(jī)模型，它可以利用其他傳感器和來(lái)源的信息，然后像“真的”傳感器那樣輸出數(shù)據(jù)。（霍尼韋爾）
可變氣門正時(shí)、可變氣門升程、直噴系統(tǒng)、渦輪增壓和廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（Exhaust Gas Recirculation，簡(jiǎn)稱EGR），這些術(shù)語(yǔ)是不是讓你眼花繚亂？當(dāng)下的環(huán)境對(duì)汽車的要求非常高，既要減排又要提高燃料經(jīng)濟(jì)性。為了應(yīng)對(duì)這些要求，上述的這些功能隨之出現(xiàn)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)也因此變得越來(lái)越復(fù)雜。
在這種情況下，只有利用精準(zhǔn)、快速的傳感器全面監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)，才能更好的全局控制這臺(tái)復(fù)雜的機(jī)器。有了這些數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元就可以通過(guò)提前或延遲打火、啟動(dòng)氣閥、調(diào)節(jié)渦輪氣流等操作，最終在符合排放要求的前提下，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳狀態(tài)。
不過(guò)，利用不同傳感器監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)并不容易：一是很復(fù)雜；二是成本高。具體來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)中每增加一個(gè)部件，工程師就要配置10多個(gè)參數(shù)；而更多部件也意味著更高的成本。霍尼韋爾汽車軟件經(jīng)理Chris Greentree表示，比如測(cè)量NOx含量或渦輪轉(zhuǎn)速的獨(dú)立傳感器，其成本可以超過(guò)100美元（具體因發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)不同）。
虛擬傳感器也在這種要求中找到了市場(chǎng)，其會(huì)利用成本非常低的軟件模型來(lái)替代成本高昂的硬件傳感器。
虛擬傳感器和實(shí)體傳感器
如何打造虛擬傳感器呢？可以拿虛擬NOx傳感器舉個(gè)例子。Greentree表示，首先，工程師會(huì)利用多種量產(chǎn)傳感器和非量產(chǎn)傳感器的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)軟件模型，比如缸內(nèi)氣壓傳感器、缸內(nèi)溫度傳感器、空氣/燃料比傳感器、空氣流量傳感器、濕度傳感器和背壓傳感器。接著，公司會(huì)剔除非量產(chǎn)傳感器，進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型。
展開(kāi) MBSE:基于模型的系統(tǒng)工程在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)過(guò)程包含起動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、點(diǎn)火、供油、關(guān)閉點(diǎn)火、進(jìn)入慢車等主活動(dòng)及起動(dòng)故障處理等其他活動(dòng)。通過(guò)用例圖、活動(dòng)圖、時(shí)序圖、狀態(tài)機(jī)圖等模型對(duì)地面起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行建模分析，發(fā)現(xiàn)并完善了自然語(yǔ)言在起動(dòng)控制邏輯描述方面存在的不足。最后利用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)模型仿真，對(duì)地面起動(dòng)控制邏輯進(jìn)行了驗(yàn)證。
在利用活動(dòng)圖梳理發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)功能流過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)使用自然語(yǔ)言描述復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)存在以下 2 類問(wèn)題。
1）文字表述存在二義性。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間的描述“發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)在 t時(shí)間內(nèi)完成起動(dòng)”存在歧義。對(duì)于“發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)在 t時(shí)間內(nèi)完成起動(dòng)”的理解，設(shè)計(jì)方案想要描述的是“起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)為t，否則需要關(guān)閉起動(dòng)機(jī)”；設(shè)計(jì)人員的理解為“若發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間超過(guò) t，則需要終止發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)全過(guò)程”，兩者存在理解分歧。
2）存在功能邏輯缺失。例如，方案中描述“當(dāng)高壓相對(duì)物理轉(zhuǎn)速達(dá)到一定速度時(shí)，開(kāi)始供油”，若高壓相對(duì)物理轉(zhuǎn)速未達(dá)到限定速度，發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行的動(dòng)作和所處狀態(tài)未明確。
通常，使用類似 Visio的圖形設(shè)計(jì)工具輔助描述設(shè)計(jì)信息。然而，由于缺乏統(tǒng)一的語(yǔ)義規(guī)范和信息關(guān)聯(lián)機(jī)制，無(wú)法對(duì)活動(dòng)流程中的并行、引用、延時(shí)等特殊狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確唯一的描述，這類圖形信息就相當(dāng)于圖形化的自然語(yǔ)言。在描述發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間控制邏輯中，設(shè)計(jì)人員會(huì)用一個(gè)框圖表示，如圖3紅框所示。如果想要描述更加詳細(xì)的控制邏輯，只能用更加復(fù)雜的活動(dòng)流圖代替之前的框圖，從而導(dǎo)致整個(gè)活動(dòng)流缺乏層級(jí)，邏輯混亂。如此一來(lái)，既不利于設(shè)計(jì)人員理解設(shè)計(jì)方案，也會(huì)造成不同人員的理解偏差，帶來(lái)信息二義性。
展開(kāi) 防止“卡脖子”，俄羅斯宣布達(dá)成商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)重大成就
在早期的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，各種調(diào)節(jié)功能通常是使用“機(jī)械-液壓”部件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)本身變得越來(lái)越復(fù)雜——從渦噴進(jìn)化到渦扇，從單轉(zhuǎn)子進(jìn)化到雙轉(zhuǎn)子、三轉(zhuǎn)子，壓氣機(jī)靜子葉片從固定式發(fā)展為可調(diào)試，尾噴管進(jìn)化到可調(diào)節(jié)噴管，甚至帶有矢量推力功能......
傳統(tǒng)的“機(jī)械-液壓”調(diào)節(jié)裝置已經(jīng)難以同時(shí)應(yīng)付如此復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)了。
壓氣機(jī)溫度傳感器
葉片轉(zhuǎn)速傳感器
電子控制器
另一方面，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)變得越來(lái)越精密，維護(hù)、檢修工作的難度也越來(lái)越大。
因此，精確監(jiān)控多個(gè)部件的工作狀態(tài)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的潛在故障進(jìn)行預(yù)測(cè)、警示，已經(jīng)成為保障發(fā)動(dòng)機(jī)正常使用的剛性需求。
基于這些變化和需求，在當(dāng)代的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，純粹的控制功能往往占比只有20%甚至更低；其余80%甚至更多的設(shè)計(jì)工作，都是為了更好地滿足發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)、管理的各種需求。
可以說(shuō)，沒(méi)有優(yōu)秀的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，就稱不上一臺(tái)可靠、強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)。在大中型發(fā)動(dòng)機(jī)上，控制系統(tǒng)的研制費(fèi)用一般占整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)研發(fā)費(fèi)用的15%~20%；對(duì)小型發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，這一比例更可高達(dá)30%。
在這些因素的共同作用下，基于數(shù)字控制電路的全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)成為了當(dāng)下全球的發(fā)動(dòng)機(jī)主流設(shè)計(jì)選擇，俄羅斯PD-8發(fā)動(dòng)機(jī)的ACS系統(tǒng)也一樣。
展開(kāi) 
發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)電路圖的識(shí)讀方法
發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)電路錯(cuò)綜復(fù)雜，但是有規(guī)律可循。識(shí)讀電路圖前首先要了解各品牌車型電路的特點(diǎn)，了解電路結(jié)構(gòu)和組成。通常發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)按功能來(lái)分可分為燃油噴射系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)氣控制系統(tǒng)、燃油蒸發(fā)排放系統(tǒng)等幾個(gè)子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)又都受發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元的控制。各子系統(tǒng)里的電路又可根據(jù)元器件的功能不同分為電源電路、信號(hào)輸入電路和執(zhí)行器電路三部分。
對(duì)于電源電路，看電源的來(lái)龍去脈非常關(guān)鍵。查看電源就是要看清楚蓄電池的電源都供給了哪些元件，汽車電控系統(tǒng)的電源是常電源還是條件電源。對(duì)于信號(hào)輸入（主要是傳感器）電路，經(jīng)常共用電源線、接地線，但絕不會(huì)共用信號(hào)線。對(duì)于執(zhí)行器電路，存在共用電源線、接地線和控制線的情況，但控制信號(hào)一般都是從電控單元輸出。
下面以上海大眾新朗逸1.6L CPJA發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)電路圖為例進(jìn)行講解。該發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)采用博世Motronic ME7.5.20，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖如下圖所示。
因內(nèi)容太多，本期主要為您講解傳感器與開(kāi)關(guān)電路的識(shí)讀。
1.節(jié)氣門位置傳感器電路的識(shí)讀
在駕駛員操縱加速踏板時(shí)，加速踏板位置傳感器采集電壓信號(hào)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元再獲取其他工況信息以及各種傳感器信號(hào)，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、擋位、節(jié)氣門位置、空調(diào)能耗等，由此計(jì)算出整車所需求的全部轉(zhuǎn)矩，通過(guò)對(duì)節(jié)氣門轉(zhuǎn)角期望值進(jìn)行補(bǔ)償，得到節(jié)氣門的最佳開(kāi)度，并把相應(yīng)的電壓信號(hào)發(fā)送到驅(qū)動(dòng)電路模塊，節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)裝置G186（即節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)）使節(jié)氣門達(dá)到最佳的開(kāi)度位置。
展開(kāi) 起動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)但發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)的故障診斷
如果燃油泵不工作，將造成發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)或起動(dòng)后熄火，而造成燃油泵不工作的原因有：
1）燃油泵或其線路故障。
2）燃油泵控制單元或其電源線路故障。
3）燃油泵控制單元與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元之間的通信線路故障。
4）發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元自身故障。
（3）噴油器控制系統(tǒng)的故障分析
結(jié)合噴油器控制線路圖可以看出，每個(gè)噴油器的供電和控制均來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元，由于所有噴油器及其線路同時(shí)損壞的概率很小，所以在懷疑噴油器故障造成發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)的原因時(shí)主要集中于噴油器的控制展開(kāi)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元控制異常的原因有：
1）發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元故障。
2）發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元進(jìn)入保護(hù)模式，例如失火保護(hù)等。
3）關(guān)鍵信號(hào)輸入故障造成所有的噴油器不能工作。
如果節(jié)氣門翻板因?yàn)榻Y(jié)冰或某個(gè)原因而無(wú)法打開(kāi)，會(huì)造成起動(dòng)過(guò)程中進(jìn)氣量過(guò)低，而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)，因此節(jié)氣門的開(kāi)度所決定的進(jìn)氣量也是一個(gè)要考慮的因素。當(dāng)然如果節(jié)氣門位置傳感器錯(cuò)誤地反映節(jié)氣門處于開(kāi)度最大的位置，也會(huì)造成噴油器不噴油，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不起動(dòng)。
文章來(lái)源：汽車故障診斷與排除
展開(kāi) 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速控制與EGR控制
內(nèi)部EGR是廢氣經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流
回到新鮮混和氣中，通常利用氣門重疊來(lái)實(shí)現(xiàn)。外部EGR控制可以通過(guò)機(jī)械控制和電子控制
兩種方式實(shí)現(xiàn)。
六.EGR控制的目標(biāo)
EGR控制的目標(biāo)是根據(jù)不同工況的特點(diǎn)進(jìn)行不同EGR率的精確控制，既達(dá)到抑制NOx生成
的目的，又不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能。
七.電子控制EGR系統(tǒng)
電子控制EGR除了可實(shí)現(xiàn)EGR率的精確控制外，還可實(shí)現(xiàn)比機(jī)械式EGR量值更大的EGR率
控制。電子控制的EGR根據(jù)傳感器測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度狀態(tài)等工況信號(hào)，由ECU
計(jì)算出符合當(dāng)時(shí)工況的最佳的EGR率，并控制EGR執(zhí)行器進(jìn)行相應(yīng)的操作。更為精確的EGR控
制系統(tǒng)還對(duì)EGR率進(jìn)行閉環(huán)控制，將實(shí)際的EGR率反饋給ECU，供ECU對(duì)輸出的控制信號(hào)進(jìn)行
修正，以便實(shí)際的EGR率與控制目標(biāo)更為逼近。
八.電子控制EGR的控制策略
1、基本EGR率的確定： 基本EGR率由發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及負(fù)荷來(lái)確定，在低速、小負(fù)荷區(qū)
域，由于燃燒易變得不穩(wěn)定，故EGR率較低；在高速、大負(fù)荷區(qū)域，為了獲得大的輸出功率
，也不宜進(jìn)行大EGR率控制。
2、冷卻水溫度修正控制： 由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)時(shí)燃燒不穩(wěn)定，因此冷卻水溫度越低，相
應(yīng)的EGR率越小。
3、停止EGR控制： 下列工況下，為避免燃燒不穩(wěn)定，應(yīng)停止EGR控制：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)
； 怠速和減速時(shí)；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫低于35度；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫超過(guò)100度。
4、蓄電池電壓修正
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展開(kāi) GT-POWER 案例——汽車低油耗/低排放控制設(shè)計(jì)
使用CAE對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行較高精度的預(yù)測(cè)，是發(fā)動(dòng)機(jī)性能前期開(kāi)發(fā)的重要工具，因此應(yīng)把握好CAE的定位。目前工程師對(duì)CAE利用價(jià)值的認(rèn)識(shí)有了很大的改變。CAE由于使用目的的不同，對(duì)精度的要求也不同。在我們所進(jìn)行的設(shè)計(jì)控制方面，目標(biāo)動(dòng)作的趨勢(shì)比其絕對(duì)值更重要。如果趨勢(shì)已知，那么當(dāng)前要處理的是對(duì)現(xiàn)象的理解，獲得對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)的對(duì)策。充分使用CAE對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行仿真來(lái)分析動(dòng)作趨勢(shì)是非常重要的，CAE對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)分析來(lái)說(shuō)也是必不可少的工具。
我們主要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)整體的控制設(shè)計(jì)及整車性能評(píng)價(jià)，發(fā)動(dòng)機(jī)的控制，由搭載發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）實(shí)現(xiàn)，目的是實(shí)現(xiàn)低油耗及低排放。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門、渦輪、EGR閥等執(zhí)行器的控制，達(dá)到缸內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)氣量。MATLAB/Simulink與GT-POWER集成應(yīng)用如圖1。MATLAB/Simulink建立控制部分，GT-POWER建立虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)/整車，各執(zhí)行器的控制研究結(jié)果如圖2。發(fā)動(dòng)機(jī)搭載完成后， ECU樣件中搭載MATLAB/Simulink的控制部分，進(jìn)行實(shí)車的控制（圖3）。
展開(kāi) 國(guó)產(chǎn)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向剖析
3.4燃油的控制由液壓機(jī)械式向電子調(diào)節(jié)發(fā)展
隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)在航空上的應(yīng)用，現(xiàn)在的飛機(jī)都向著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，電傳的普遍應(yīng)用，要求發(fā)動(dòng)機(jī)必須實(shí)現(xiàn)全功能數(shù)字控制。液壓機(jī)械式已不能滿足要求，進(jìn)一步的發(fā)展需采用電子控制和全功能數(shù)字電子控制。
監(jiān)控型電子控制是作為從液壓機(jī)械式控制向數(shù)字電子控制的過(guò)渡產(chǎn)品，它是在原有的液壓機(jī)械式控制的基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器(EEC)，二者共同實(shí)施對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制。監(jiān)控型電子控制如果發(fā)現(xiàn)EEC有故障，可以凍結(jié)調(diào)準(zhǔn)在當(dāng)時(shí)位置，同時(shí)通知駕駛員。駕駛員可以使EEC退出工作，由液壓機(jī)械式控制器恢復(fù)全部控制。
監(jiān)控型電子控制再往下發(fā)展就是全功能數(shù)字電子控制(FADEC)。它是當(dāng)今動(dòng)力控制裝置的發(fā)展方向，它使航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)﹑控制精度﹑控制范圍﹑科學(xué)維護(hù)使用方面達(dá)到新的水平。FADEC即全功能數(shù)字電子控制系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器(EEC)或電子控制組件(ECU)﹑燃油計(jì)量裝置(FMU)或液壓機(jī)械裝置(HMU)﹑傳感器﹑作動(dòng)器﹑活門﹑發(fā)電機(jī)和互聯(lián)電纜等。其中發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器(EEC)或電子控制組件(ECU)是它的核心。
機(jī)械裝置已不再具有計(jì)算功能，F(xiàn)ADEC所有的控制計(jì)算由計(jì)算機(jī)進(jìn)行，可以進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，通過(guò)電液伺服機(jī)構(gòu)輸出控制液壓機(jī)械裝置及各個(gè)活門﹑作動(dòng)器等，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)部件的最佳控制。FADEC是容錯(cuò)系統(tǒng)，余度控制。
現(xiàn)代飛機(jī)上，發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)由飛機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)采集記錄，例如QRT，ACARS等。采集的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，由發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視軟件(ECM)進(jìn)行分析。各發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家都有自己的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視軟件。普惠公司的有ECMⅡ和EHM，通用電氣公司的有ADEPT和SAGE。ECM幫助識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)的故障，依據(jù)各種數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行健康管理。只有全電子控制系統(tǒng)才能滿足現(xiàn)代飛機(jī)的需要。
展開(kāi) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字孿生體解決方案
以F100-PW-229發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，數(shù)字孿生體適用于包括調(diào)節(jié)計(jì)劃、回路增益、提前量和修正調(diào)節(jié)計(jì)劃在內(nèi)的全部控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。將F100-PW-229發(fā)動(dòng)機(jī)的加速過(guò)渡態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)/控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的預(yù)估結(jié)果與初步放飛（IFR）發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。選擇的飛行狀態(tài)是高度6960m，飛行Ma為0.8，選擇的過(guò)渡狀態(tài)是空中慢車到最大加力。在此過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加和同時(shí)接通加力燃燒室，從而使推力增加，使得推力的快速響應(yīng)。比較結(jié)果表明，無(wú)論是推力還是總增壓比，數(shù)字孿生體的結(jié)果與高空試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果都十分接近。
構(gòu)建航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字孿生體，可以實(shí)時(shí)反映航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在未來(lái)工況變動(dòng)下的性能特征，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和設(shè)備健康管理的先進(jìn)手段。本文闡述了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字孿生體解決方案，旨在為協(xié)助國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)企業(yè)落地?cái)?shù)字孿生業(yè)務(wù)。
參考架構(gòu)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字孿生體架構(gòu)包括發(fā)動(dòng)機(jī)的物理系統(tǒng)、數(shù)字孿生體、測(cè)量與控制設(shè)備、以及包含了人機(jī)界面的用戶域。如圖1所示。
圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字孿生體架構(gòu)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能的數(shù)字孿生體
圖2航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體系統(tǒng)的數(shù)字孿生體示意圖。數(shù)字孿生體中包括了進(jìn)氣口、風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、尾噴管等。
圖2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體系統(tǒng)的數(shù)字孿生體示意圖
航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字孿生體可以反映的主要性能參數(shù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)單位推力和單位燃油消耗率，實(shí)時(shí)控制參數(shù)主要包括的壓氣機(jī)增壓比、風(fēng)扇增壓比、涵道比、渦輪進(jìn)口總溫等。
展開(kāi) 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋控制優(yōu)化
在一般的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，閉環(huán)控制系統(tǒng)的品質(zhì)很大程度上依賴于工程師所具備的的經(jīng)驗(yàn)。即便是在控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程中，優(yōu)化也占據(jù)著重要的位置。在開(kāi)發(fā)前期中如何選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，“調(diào)整”到“驗(yàn)證”，這是今后的重要課題。
即使在這種嵌入式的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境中，modeFrontier也能發(fā)揮重要的作用。在本例中，modeFrontier提供先進(jìn)的算法及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化Simulink中的控制參數(shù)，控制對(duì)象為使用GT-Power建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，使用PID控制節(jié)氣門開(kāi)度將發(fā)動(dòng)機(jī)保持在固定轉(zhuǎn)速。其中，Simulink及GT-Power中的參數(shù)均可作為設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。
展開(kāi) 
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原來(lái)是風(fēng)冷，為什么不繼續(xù)用，卻要變成更麻煩的液冷？
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汽車行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，這會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)依靠冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)里循環(huán)流動(dòng)帶走工作產(chǎn)生的熱量，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)經(jīng)歷了由風(fēng)冷向液冷的轉(zhuǎn)變。那為什么以前的汽車用風(fēng)冷散熱，而現(xiàn)代汽車不再使用了呢？
風(fēng)冷和液冷。顧名思義，風(fēng)冷就是靠氣流吹過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)帶走熱量給發(fā)動(dòng)機(jī)降溫。而液冷就是靠冷卻液循環(huán)帶走熱量給發(fā)動(dòng)機(jī)降溫。
早期，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)其實(shí)是使用風(fēng)冷散熱的，汽車行駛時(shí)依靠空氣流動(dòng)將熱量帶走，不需要冷卻液冷卻。但是經(jīng)過(guò)了多年的發(fā)展，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)主要采用液冷散熱，風(fēng)冷只能當(dāng)成輔助冷卻。風(fēng)冷和液冷最大區(qū)別在于對(duì)溫度的調(diào)節(jié)和控制精度。
風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱片始終暴露在空氣中，所以不管發(fā)動(dòng)機(jī)是否達(dá)到正常工作溫度，只要發(fā)動(dòng)機(jī)溫度高于環(huán)境溫度就會(huì)一直散熱，很難把發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制在比較小的范圍內(nèi)。而液冷發(fā)動(dòng)機(jī)有節(jié)溫器調(diào)節(jié)冷卻液的循環(huán)，再配合水溫傳感器，可以把發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制在最佳范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)精度更高。
其次，風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)散熱效率不如液冷。風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)雖然有散熱風(fēng)扇，但是空氣的比熱容比冷卻液小得多，而且風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)與空氣進(jìn)行熱交換的散熱片面積有限。而液冷發(fā)動(dòng)機(jī)使用的冷卻液比熱容更大，在相同流量的情況下，液冷可以帶走更多的熱量。而且液冷系統(tǒng)冷卻液與發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱部位的接觸面積更大，所以液冷系統(tǒng)散熱效率比風(fēng)冷系統(tǒng)更高。
展開(kāi) #汽車工程#汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不同進(jìn)氣方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的影響
5 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的進(jìn)排氣門不能完全密封及用于密封的活塞環(huán)自身所必須預(yù)留的膨脹間隙所產(chǎn)生的漏氣，造成發(fā)動(dòng)機(jī)真空度的下降。
6 發(fā)動(dòng)機(jī)控制電腦空氣流量是以0海拔高度的空氣質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)的。空氣密度是隨海拔高度的變化而變化,當(dāng)海拔高度升高后,空氣將膨張,質(zhì)量下降。高海拔地區(qū)1立方米的空氣質(zhì)量小于0海拔地區(qū)的1立方米的空氣質(zhì)量,因此,自然進(jìn)氣的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的進(jìn)氣量永遠(yuǎn)低于理論上的進(jìn)氣量。
由于發(fā)動(dòng)機(jī)控制電腦主要是依據(jù)空氣的流量(立方) 來(lái)計(jì)算供油量，而不是依據(jù)空氣的質(zhì)量來(lái)計(jì)算供油量。所以，即使進(jìn)入氣缸的空氣流量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)而質(zhì)量不夠時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制電腦仍然會(huì)依據(jù)空氣的流量(立方)來(lái)指令供油系統(tǒng)按原設(shè)計(jì)標(biāo)淮額供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃油。由于空氣質(zhì)量的下降，造成混合氣過(guò)濃,燃燒不完全,排氣管冒黑煙,發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。
綜上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)在自然進(jìn)氣狀態(tài)下，因進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力和空氣質(zhì)量下降等因素的影響，其進(jìn)氣量是不足的。自然進(jìn)氣的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，在日常使用中其功率是小于設(shè)計(jì)功率的，其差額隨使用地區(qū)海抜高度的不同而變化。
其特征是，空氣質(zhì)量越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率越大，空氣質(zhì)量越低，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率越小。
展開(kāi) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字孿生體解決方案
在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)特別是多變量數(shù)字式電子控制系統(tǒng)的研制中，要解決大量的參數(shù)擇優(yōu)問(wèn)題。由于發(fā)動(dòng)機(jī)試車非常費(fèi)時(shí)和費(fèi)錢，而且具有一定的危險(xiǎn)性，所以發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的調(diào)試全部在真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行時(shí)不現(xiàn)實(shí)的。一個(gè)準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體可以代替發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)的研究和試驗(yàn)。以F100-PW-229發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，數(shù)字孿生體適用于包括調(diào)節(jié)計(jì)劃、回路增益、提前量和修正調(diào)節(jié)計(jì)劃在內(nèi)的全部控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。將F100-PW-229發(fā)動(dòng)機(jī)的加速過(guò)渡態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)/控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的預(yù)估結(jié)果與初步放飛（IFR）發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。選擇的飛行狀態(tài)是高度6960m，飛行Ma為0.8，選擇的過(guò)渡狀態(tài)是空中慢車到最大加力。在此過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加和同時(shí)接通加力燃燒室，從而使推力增加，使得推力的快速響應(yīng)。比較結(jié)果表明，無(wú)論是推力還是總增壓比，數(shù)字孿生體的結(jié)果與高空試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果都十分接近。
構(gòu)建航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字孿生體，可以實(shí)時(shí)反映航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在未來(lái)工況變動(dòng)下的性能特征，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和設(shè)備健康管理的先進(jìn)手段。本文闡述了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字孿生體解決方案，旨在為協(xié)助國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)企業(yè)落地?cái)?shù)字孿生業(yè)務(wù)。
展開(kāi) 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放控制技術(shù)研究
研究方向高效低污染發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放控制技術(shù)
1.新概念燃燒的基礎(chǔ)研究2.排氣污染的后處理技術(shù)3.生物質(zhì)含氧燃料4.發(fā)動(dòng)機(jī)CFD/CAD5.其它研究
研究成果 1、新概念燃燒的基礎(chǔ)研究①HCCI—均質(zhì)混合氣壓縮著火燃燒國(guó)際前沿課題完全消除排氣黑煙，NOx降低99%，熱效率超過(guò)傳統(tǒng)柴油機(jī)和汽油機(jī)。
②GDI—汽油機(jī)缸內(nèi)直噴燃燒國(guó)際研究熱點(diǎn) 可使汽油機(jī)的熱效率提高20~30%。
2、排氣污染后處理技術(shù)①三效催化劑技術(shù) 三效催化劑（TWC）是控制汽油車排氣污染的關(guān)鍵技術(shù)已被國(guó)標(biāo)和行標(biāo)采用。
該技術(shù)成果已在無(wú)錫威孚力達(dá)、海南六合、昆貴所等多個(gè)汽車催化劑生產(chǎn)單位推廣使用國(guó)家環(huán)保局認(rèn)可的汽車催化劑檢測(cè)評(píng)價(jià)單位
②“稀燃汽油機(jī)氮氧化物凈化技術(shù)”和“柴油機(jī)氮氧化物凈化技術(shù)”后處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成及優(yōu)化的兩個(gè)子課題。開(kāi)展了“車用催化轉(zhuǎn)化器非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的研究”，研究中采用了數(shù)值模擬、激光可視化技術(shù)和多參數(shù)在線測(cè)試等多項(xiàng)先進(jìn)手段，研究成果達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先和國(guó)際先進(jìn)水平。
3.生物質(zhì)含氧燃料 “代用清潔燃料在內(nèi)燃機(jī)中的燃燒特性與控制問(wèn)題的研究”項(xiàng)目的支持下，開(kāi)展了醇類、醚類和脂類等生物質(zhì)含氧燃料的研究，在國(guó)內(nèi)第一次詳細(xì)分析了醇類燃料的常規(guī)和非常規(guī)排放特性，能使碳煙降低70~80%。并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了汽車燃料重新設(shè)計(jì)的研究
4、電噴汽油機(jī)進(jìn)氣歧管CFD/CAD
5、其它研究 燃料成分（油品組分）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的影響 三效催化器與電控汽油機(jī)的匹配優(yōu)化 三效催化器冷起動(dòng)特性及歐III達(dá)標(biāo)對(duì)策 用光纖分光法研究汽油機(jī)燃燒。
展開(kāi) 發(fā)動(dòng)機(jī)與控制的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
發(fā)動(dòng)機(jī)與控制發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)cae發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲發(fā)動(dòng)機(jī)NVH 有限元與力學(xué)測(cè)控與儀器 powerunit控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制算法模型發(fā)動(dòng)機(jī)利用（ ）傳感器進(jìn)行空燃比閉環(huán)控制？發(fā)動(dòng)機(jī)利用（ 是前氧傳感器還是后氧傳感器 ）傳感器進(jìn)行空燃比閉環(huán)控制？amesim發(fā)動(dòng)機(jī)amesimamesim發(fā)動(dòng)機(jī)a
