基于MATLAB的6106柴油機建模仿真

鄒振宇 劉 晶

(1:吉林建筑工程學院土木工程學院，長春 130118;2:國家開發(fā)銀行吉林省分行，長春 130021)

1 柴油機建模仿真的意義

柴油機作為現(xiàn)代工業(yè)的動力源，越來越受到重視，但能源危機和環(huán)境污染是制約柴油機發(fā)展的瓶頸.如何解決上訴問題，越來越受到人們的關注.為此，人們想出了很多方法，比如通過實驗設計新型燃燒系統(tǒng)，優(yōu)化柴油機的性能參數(shù)等等.這些方法雖然能直觀反映出柴油機特性，但對設備要求高，開發(fā)周期長，投資高，難度大.利用數(shù)學模型對柴油機工作過程進行仿真計算，是現(xiàn)代柴油機設計方案論證及優(yōu)化、性能預測和樣機的研究改進等過程中的重要手段.與傳統(tǒng)的方法相比，采用模型仿真技術進行柴油機設計的優(yōu)點是開發(fā)周期短，實驗費用低.所以通過建模仿真的方法是現(xiàn)在研究柴油機、優(yōu)化柴油機的重要且經(jīng)濟的手段，其具有重大意義.

2 柴油機建模仿真的數(shù)學模型及邊界條件

本文以6106柴油機為研究對象，通過數(shù)學建模的方法，以Matlab軟件為平臺，對其工作過程進行數(shù)學建模，研究其工作特點.數(shù)學建模的基本方程主要包括質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程和氣體狀態(tài)方程.柴油機工作過程按時間順序分為壓縮期、燃燒期、膨脹期、純排氣、氣門重疊和純進氣6個階段.根據(jù)每個階段的特點，對基本方程進行相應的簡化處理，并結合邊界條件將基本方程聯(lián)立求解，就可以得到缸內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)、溫度、質(zhì)量和壓力隨曲軸轉角的變化規(guī)律.對于數(shù)學模型重要的就是其邊界條件的選擇與確定，本文研究重點考慮了以下邊界條件:

(1)燃燒模型.正確選擇燃燒模型是保證柴油機工作過程仿真準確性的關鍵，目前工程上使用較多且具有代表性的主要有Whitehouse的混合氣準備率模型、Vibe代用燃燒模型及以王榮生為代表的V2g模型.

在柴油機性能計算中，使用較多的是Vibe代用燃燒模型.研究表明，單Vibe代用燃燒模型在低、中速柴油機中能夠獲得令人滿意的結果，但在高速機中會產(chǎn)生較大的誤差.而雙Vibe代用燃燒模型采用兩條Vibe曲線疊加來模擬放熱規(guī)律，兩條曲線的始點和形狀不同，分別代表預混和燃燒部分和擴散燃燒部分，其優(yōu)點是將預混合燃燒和擴散燃燒分開考慮，能夠比較準確地反應柴油機缸內(nèi)的燃燒過程.因此，本文采用雙Vibe代用燃燒模型［1］.

(2)瞬時平均傳熱系數(shù).計算傳熱量的關鍵是確定瞬時平均傳熱系數(shù)，目前，經(jīng)常引用的純經(jīng)驗公式較多，具有代表性的有Eichelberg，Woschni和Sitkei.本文采用較為通用的Woschni公式［2］.

(3)滯燃期.目前，滯燃期的半經(jīng)驗公式比較常見的有Wolffer，Cemehob B.H.，Sitkei，J.H.Shipinski，Arrhenious等公式，本文采用何學良經(jīng)驗公式［3］，該公式適用于中小型非增壓柴油機.

3 柴油機建模仿真流程及建模簡化

MATLAB進行柴油機工作過程的建模仿真的仿真流程是一個判斷循環(huán)過程，其流程見圖1.

柴油機進排氣門重疊期缸內(nèi)工質(zhì)運動比較復雜.在氣門疊開階段，進氣門打開，由于缸內(nèi)壓力高于進氣管內(nèi)壓力，會出現(xiàn)缸內(nèi)工質(zhì)倒流入進氣管，直到缸內(nèi)壓力與進氣管內(nèi)壓力平衡時，進氣倒流結束;同時在排氣門處，隨著缸內(nèi)壓力的降低，從某個時刻起，排氣管內(nèi)壓力高于缸內(nèi)壓力，會出現(xiàn)排氣管內(nèi)工質(zhì)倒流入氣缸，直到排氣門關閉，排氣倒流結束.

通過仿真計算，每循環(huán)排氣倒流質(zhì)量為8.078×10e-6kg，進氣倒流質(zhì)量為8.062×10e-6kg.如果忽略進排氣倒流，缸內(nèi)溫度和壓力的最大誤差為0.4%，做功不變(如圖2所示)，柴油機的動力性和經(jīng)濟性指標也基本不變.考慮硬件在環(huán)仿真對系統(tǒng)實時性和準確性要求，對于6106柴油機在進行模擬計算時，可以忽略進排氣倒流對柴油機性能的影響.由于忽略倒流的影響，仿真模型減少了邏輯判斷模塊和開關模塊等多個程序模塊，仿真程序得到簡化，仿真時間大大縮短，提高了系統(tǒng)運行的實時性.

圖1 柴油機建模仿真流程

4 仿真結果分析

為驗證仿真程序的正確性、精確性及有效性，本文對6106柴油機進行數(shù)據(jù)采集.柴油機主要參數(shù)如表1所示.圖2為氣門重疊做功變化曲線;圖3為標定工況下缸內(nèi)壓力仿真結果與實測結果的對比圖.從圖上可知，仿真結果與實驗結果的峰值壓力均出現(xiàn)在上止點后9℃曲軸轉角處，仿真峰值壓力為7.042 MPa，實測峰值壓力為7.1 MPa，相對誤差0.8%.

表1 6106柴油機主要技術參數(shù)

圖2 氣門重疊做功變化曲線

圖3 缸內(nèi)壓力仿真與實測值比較

5 結論

(1)基于容積法建立6106柴油機工作過程仿真模型，在正確選擇仿真參數(shù)的基礎上對模型進行了仿真計算，仿真結果與實測結果吻合較好，證明了仿真模型的正確性;

(2)研究結果表明，基于MATLAB的柴油機工作過程仿真具有較高的可信度，有利于縮短開發(fā)周期和降低產(chǎn)品研制費用，是一種有效的研究和設計手段;

(3)分析倒流產(chǎn)生的原因及其對柴油機性能的影響，簡化了仿真模型，提高系統(tǒng)運行的實時性.

［1］解茂昭.內(nèi)燃機計算燃燒學［M］.大連:大連理工大學出版社，2005:95-98.

［2］劉孟祥.基于Simulink的柴油機及其控制系統(tǒng)的建模與仿真研究［D］.長沙:湖南大學，2001.

［3］何學良.內(nèi)燃機燃燒學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1990:65-69.