基于AMESim柴油機(jī)油耗測(cè)量系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化

苗 會(huì)，張 翼，張?zhí)杰?，?lài) 菲

（1.中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西 大同 037036）

基于AMESim柴油機(jī)油耗測(cè)量系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化

苗 會(huì)1，張 翼1，張?zhí)杰?，賴(lài) 菲1

（1.中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西 大同 037036）

針對(duì)柴油機(jī)油耗測(cè)量系統(tǒng)，采用AMESim軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，通過(guò)軟件的批處理功能得到熱交換器各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)出口溫度影響的變化曲線(xiàn)，分析發(fā)現(xiàn)：提高換熱器的換熱效率、減少換熱液體體積以及縮小換熱器出口與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度差有利于提高系統(tǒng)靈敏性，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性表現(xiàn)較差，對(duì)此，提出系統(tǒng)的優(yōu)化方案。優(yōu)化仿真結(jié)果表明：油氣分離器安裝在回油支路回油壓力調(diào)壓閥之后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了明顯改善，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

柴油機(jī)；油耗測(cè)量系統(tǒng)；AMESim軟件；仿真分析；系統(tǒng)優(yōu)化

0 引 言

燃油消耗率是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)，其測(cè)量精度會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能設(shè)計(jì)指標(biāo)[1-4]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)油耗測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，并已推出多款產(chǎn)品。其中，奧地利AVL公司KAMA4000型油耗儀考慮到了燃油溫度控制、壓力平衡和連續(xù)測(cè)量等狀態(tài)參數(shù)對(duì)油耗測(cè)量系統(tǒng)精度的影響[5]；德國(guó)Technogerma公司的COMET 1760型油耗儀內(nèi)部通過(guò)采用多項(xiàng)溫度補(bǔ)償、脈動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，測(cè)量精度很高。但國(guó)外的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高昂，只適合于部分研究所或高校使用。國(guó)內(nèi)油耗測(cè)量系統(tǒng)主要采用容積法[3，6]、重量法[7]和流量計(jì)法等[8]測(cè)量原理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低；但其缺點(diǎn)是不能補(bǔ)償溫度、粘度及脈動(dòng)等變化帶來(lái)的誤差，不能滿(mǎn)足油耗測(cè)試所需的精度，僅作為油耗趨勢(shì)性的測(cè)量；因此，為了設(shè)計(jì)高精度的燃油消耗測(cè)量系統(tǒng)，需要系統(tǒng)地研究測(cè)量精度的影響因素及方式，建立油耗測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析各因素對(duì)系統(tǒng)的影響。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)燃油溫度的精確控制[9-11]，是設(shè)計(jì)高精度燃油消耗測(cè)量系統(tǒng)的重要手段。

本文利用AMESim軟件搭建了柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)室油耗測(cè)量系統(tǒng)方案的仿真模型，對(duì)熱交換部分的熱力學(xué)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)出口溫度的影響進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)原系統(tǒng)方案回油支路中的油氣分離器位置進(jìn)行了優(yōu)化。

1 系統(tǒng)的組成及原理

本文研究的柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)室油耗測(cè)量系統(tǒng)主要包括油耗測(cè)量、熱交換和回油3個(gè)部分。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 油耗測(cè)量系統(tǒng)工作原理圖

柴油機(jī)消耗的燃油通過(guò)油耗儀測(cè)量獲得，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)油口處的溫度傳感器和壓力傳感器所測(cè)溫度和壓力，作為混合調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)熱水和冷水支路開(kāi)度的校正因子，從而保證系統(tǒng)出口溫度在所需范圍之內(nèi)。

從柴油機(jī)回油口返回的燃油通過(guò)壓力和溫度傳感器、調(diào)壓閥到達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的主油路。主油路中的油氣分離器可以從燃油中分離氣泡并收集，當(dāng)收集的氣體壓力達(dá)到一定值時(shí)通過(guò)電磁閥排出系統(tǒng)，從而減少氣泡對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度的影響。

2 油耗測(cè)量系統(tǒng)的建模與仿真

2.1 模型建立

根據(jù)系統(tǒng)工作原理，在AMESim軟件的熱液壓庫(kù)和信號(hào)庫(kù)中找到相應(yīng)的元件符號(hào)，然后建立系統(tǒng)的仿真模型[12]，如圖2所示。

圖2 油耗測(cè)量系統(tǒng)模型圖

建模過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)的模型圖進(jìn)行了簡(jiǎn)化，具體的簡(jiǎn)化內(nèi)容有：1）混合調(diào)節(jié)閥用兩個(gè)節(jié)流閥相互配合來(lái)表示；2）省略系統(tǒng)中與電磁閥13并聯(lián)的球閥12支路；3）省略熱交換器冷熱水的進(jìn)水支路和出水支路上的調(diào)壓閥22和26；4）省略將燃油系統(tǒng)的排氣支路。

2.2 參數(shù)設(shè)定

建模完成后，對(duì)系統(tǒng)模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中測(cè)量系統(tǒng)中的介質(zhì)為柴油，熱交換系統(tǒng)中的介質(zhì)為水，環(huán)境溫度為25℃，其他具體參數(shù)如表1所示。

2.3 系統(tǒng)仿真與分析

系統(tǒng)仿真時(shí)，為了清晰顯示系統(tǒng)穩(wěn)定后的狀態(tài)，仿真時(shí)間設(shè)定為200 s；考慮到系統(tǒng)可能會(huì)有振蕩，間隔時(shí)間設(shè)置為0.1 s，這樣能夠更加直觀(guān)地顯示曲線(xiàn)的振蕩情況。

表1 參數(shù)設(shè)置表1)

2.3.1 熱交換器的換熱效率對(duì)系統(tǒng)出口溫度的影響

熱交換器的材料不同，其換熱效率也不同。換熱效率分別為0.5、0.6和0.7時(shí)，對(duì)系統(tǒng)出口溫度的影響如圖3所示。

圖3 不同換熱效率對(duì)系統(tǒng)出口溫度的影響

從圖3可以看出，系統(tǒng)的出口溫度隨著熱交換器換熱效率的提高而提高，這是因?yàn)閾Q熱器效率的提高使得系統(tǒng)中燃油與熱交換器的換熱量增加，而散失到空氣中的熱量減少。換熱效率為0.7時(shí)，曲線(xiàn)斜率比效率為0.6和0.5時(shí)都要大，說(shuō)明換熱效率越大系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間越短，靈敏性越好。圖3中A處，換熱效率為0.5時(shí)，系統(tǒng)出口溫度在0～2s內(nèi)波動(dòng)比效率為0.6、0.7時(shí)明顯，說(shuō)明換熱效率越低越不利于系統(tǒng)出口溫度的穩(wěn)定。所以在熱交換器的換熱面積、橫截面積以及熱交換器內(nèi)液體的體積保持不變時(shí)，盡量選擇換熱效率高的熱交換器，不僅能提高其換熱效率，而且其靈敏性和穩(wěn)定性也較好。

2.3.2 熱交換器內(nèi)換熱液體體積對(duì)系統(tǒng)出口溫度的影響

圖4 不同換熱液體體積對(duì)系統(tǒng)出口溫度的影響

當(dāng)熱交換的換熱效率和其出口起始溫度一定時(shí)，熱交換器內(nèi)換熱液體體積對(duì)系統(tǒng)出口溫度影響的變化曲線(xiàn)如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著換熱液體體積從0.5L增加至0.7L，系統(tǒng)出口溫度達(dá)到平衡的時(shí)間在逐漸變長(zhǎng)，而且曲線(xiàn)開(kāi)始時(shí)的波動(dòng)也越大。燃油溫度一定，換熱液體體積越小，單位體積獲得的熱量越大，達(dá)到平衡的時(shí)間也就越短。因此系統(tǒng)工作時(shí)，在換熱器允許的情況下盡量減小換熱液體的體積，這樣不僅可以減弱系統(tǒng)燃油出口溫度的波動(dòng)，而且可以縮短達(dá)到平衡所需的時(shí)間。

2.3.3 熱交換器出口起始溫度對(duì)系統(tǒng)出口溫度的影響

當(dāng)熱交換的換熱效率和換熱液體體積一定時(shí)，熱交換器出口的起始溫度對(duì)系統(tǒng)出口溫度影響的變化曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 不同起始溫度對(duì)系統(tǒng)出口溫度的影響

由圖5可知，雖然熱交換器出口的起始溫度不同，但測(cè)量系統(tǒng)的出口溫度最終都趨近于同一個(gè)平衡值。而且熱交換器出口起始溫度越接近測(cè)量系統(tǒng)的出口溫度，變化曲線(xiàn)越平緩，達(dá)到平衡所需時(shí)間也越短。因?yàn)槠鹗紲囟扰c系統(tǒng)出口溫度越接近，燃油與熱交換系統(tǒng)換熱的時(shí)間越短。因此，油耗測(cè)量系統(tǒng)在多次測(cè)量時(shí)，各次所測(cè)燃油溫度的溫差盡量減小，這有利于縮短系統(tǒng)達(dá)到平衡的時(shí)間，提高系統(tǒng)的靈敏性。

3 油耗測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)化分析

3.1 油耗測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)化

由圖1可以看出，油氣分離器安裝在主油路的油耗儀后面，由于回油管路中燃油的氣泡比較多，帶有大量氣泡的燃油通過(guò)壓力傳感器32、溫度傳感器31及壓力調(diào)節(jié)閥30直接到達(dá)主油路，會(huì)影響油耗儀的測(cè)量精度，雖然主油路中安裝有油氣分離器，但是卻不能保證油耗儀不被干擾。因此，將圖1中油氣分離器安裝在回油支路的回油壓力調(diào)節(jié)閥后面，用來(lái)減少回油管路燃油中的氣泡。優(yōu)化后的油耗測(cè)量系統(tǒng)工作原理如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后油耗測(cè)量系統(tǒng)工作原理圖

3.2 系統(tǒng)優(yōu)化后的分析

系統(tǒng)優(yōu)化后，熱交換器換熱效率、出口起始溫度和換熱液體體積對(duì)系統(tǒng)出口溫度影響曲線(xiàn)如圖7、圖8和圖9所示。與優(yōu)化前的影響曲線(xiàn)對(duì)比，可以很明顯地看出，前10s內(nèi)的曲線(xiàn)波動(dòng)基本消失，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了明顯改善。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)室油耗測(cè)量系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化得出：

圖7 優(yōu)化后換熱效率對(duì)系統(tǒng)出口溫度影響

圖8 優(yōu)化后換熱液體體積對(duì)系統(tǒng)出口溫度影響

圖9 優(yōu)化后不同起始溫度對(duì)系統(tǒng)出口溫度的影響

1）基于AMESim建立的柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)室油耗測(cè)量系統(tǒng)的仿真模型，再現(xiàn)了系統(tǒng)各個(gè)組成部分，為系統(tǒng)整體或局部的研究提供了便利手段。

2）在油耗測(cè)量系統(tǒng)中，盡量選擇換熱效率高的熱交換器，不僅能提高熱交換器的換熱效率，而且可提高系統(tǒng)的靈敏性和穩(wěn)定性；在耗油系統(tǒng)體積允許的情況下盡量減小換熱液體的體積，不僅可以減弱系統(tǒng)出口溫度的波動(dòng)，而且可以縮短達(dá)到平衡所需的時(shí)間。

3）對(duì)油氣分離器位置進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明：優(yōu)化方案是可行的，并可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[1]張翠云，黃鍵.智能型快速油耗測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，35（5）：549-550.

[2]徐東.浮球式發(fā)動(dòng)機(jī)油耗儀的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)，2008（4）：13-15.

[3]徐東.容積式油耗儀測(cè)量精度影響因素的分析[J].現(xiàn)代機(jī)械，2011（5）：60-62.

[4]陳同玲，王培玲，臧少武，等.容積式自選量程油耗儀的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2001，22（1）：88-91.

[5]冀樹(shù)德，張暉，許世永，等.柴油機(jī)NOx排放測(cè)量的不確定性研究[J].汽車(chē)技術(shù)，2009（11）：47-51.

[6]徐東.基于容積法的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗儀測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)，2011，40（6）：66-69.

[7]胡凈，徐曉明.一種新型的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)油耗儀的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2000，21（5）：155-158.

[8]周躍鋼.發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗測(cè)量方法的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.

[9]韓玉純，余欲為，譚杰.內(nèi)燃機(jī)車(chē)多功能油耗儀的研制[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2006，26（2）：26-28.

[10]張濤，孫立軍，王軍，等.內(nèi)燃機(jī)車(chē)隨車(chē)油耗儀的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26（2）：152-156.

[11]喬劍鐸，張濤，李剛，等.內(nèi)燃機(jī)車(chē)油耗儀的抗干擾措施[J].內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2007（8）：43-46.

[12]付永領(lǐng)，齊海濤.LMS imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真實(shí)例教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：41-80.

Simulation and optimization of fuel measurement system for laboratory diesel engines based on AMESim

MIAO Hui1，ZHANG Yi1，ZHANG Tan-jun2，LAI Fei1
（1.School of Mechanical and Power Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.China North Engine Research Institute，Datong 037036，China）

As to the fuel consumption measurement systems，AMESim software was used for system modeling and simulation analysis，acquiring changing curves of the outlet temperature of the measurement system influenced by parameters of the heat exchanger.Improving the efficiency of the heat exchanger，reducing the volume of the heat exchanger liquid and the temperature difference between the engine outlet and inlet were good for improving the sensitivity of the system through the analysis，but the stability performance of the system was poor.The optimization of this system was presented by these.The results show that the oil separator installed in the return line after the regulator conduct to the improvement of stability of the system，and provide us with the reference of the optimization and improvement for fuel consumption measurement system.

diesel engine；fuel consumption measurement system；AMESim software；simulation analysis；system optimization

TK422；U464.172；U467.4+98；TP391.97

：A

：1674-5124（2014)06-0113-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.029

2014-01-23；

：2014-03-12

苗 會(huì)（1987-），男，山西長(zhǎng)治市人，碩士研究生，專(zhuān)業(yè)方向?yàn)閯?dòng)力機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。