基于Simulink柴油機工作過程的仿真分析

朱萬炫

[摘? ? ? ? ? ?要]? ?根據(jù)柴油機氣缸內(nèi)工作介質(zhì)在各階段的氣體狀態(tài)給出了柴油機工作過程的數(shù)學(xué)模型，并據(jù)此利用Matlab / Simulink工具搭建了柴油機工作過程各階段相應(yīng)的仿真模型，針對所建立的仿真模型進(jìn)行了仿真分析，得出了柴油機單缸工作過程的扭矩輸出特性及示功圖。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 柴油機;數(shù)學(xué)模型;仿真模型

[中圖分類號]? TK421 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）36-0120-02

柴油機的熱機效率主要取決于缸內(nèi)介質(zhì)的工作過程[1]，故針對柴油機的工作過程進(jìn)行相應(yīng)的仿真工作對優(yōu)化內(nèi)燃機的參數(shù)設(shè)計、減少研發(fā)費用、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期等都具有非常重要的意義[2]。作者在文獻(xiàn)中較為詳盡地闡述了柴油機缸內(nèi)工作過程中各階段介質(zhì)狀態(tài)的微分方程，并基于Simulink工具建立起相應(yīng)過程的仿真模型，進(jìn)行了仿真分析。

一、柴油機數(shù)學(xué)模型

根據(jù)零維假設(shè)[3]，可以用三個基本參數(shù)（P、T、m）來表征缸內(nèi)的氣體狀態(tài)，并用理想氣體狀態(tài)方程和缸內(nèi)介質(zhì)在各階段能量及質(zhì)量均守恒的條件就可以將柴油機整個工作過程聯(lián)系起來。

其中，能量守恒方程為：

=（+hS-he--p-u-m）

質(zhì)量守恒方程為：

=-+

氣體狀態(tài)方程為：pV=mRT

根據(jù)氣體狀態(tài)的變化情況，柴油機的工作循環(huán)可以分為壓縮階段、燃燒階段、膨脹階段、純排氣階段、氣門重疊階段和純進(jìn)氣階段六個階段。

1.壓縮階段

柴油機的壓縮階段為關(guān)閉進(jìn)氣門至氣體開始顯著燃燒。這一時段缸內(nèi)工作介質(zhì)的質(zhì)量保持不變，其能量方程可以簡化為：

=（--p）

2.燃燒階段

柴油機的燃燒階段為混合氣體開始燃燒時刻起直至燃燒結(jié)束。這一階段中，進(jìn)氣門和排氣門始終處于關(guān)閉狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)量燃燒規(guī)律[4]，此階段缸內(nèi)某瞬時時刻的燃料量為：

mB=+mB r

利用瞬時過量空氣系數(shù)？琢？漬來表征這種燃料量變化，燃燒階段的能量方程為：

=（--p-u-m）

3.膨脹階段

此階段中活塞由于氣體膨脹而產(chǎn)生運動，缸內(nèi)工質(zhì)的總質(zhì)量仍然保持不變，總質(zhì)量增加了單循環(huán)供油量的大小mBS，即：

m=mL+mB r+mB S

能量方程與壓縮階段的能量方程一致。

4.純排氣階段

柴油機的純排氣階段為排氣閥開啟時刻起至打開進(jìn)氣門這一時段，由于此階段缸內(nèi)既無氣體產(chǎn)生燃燒，也無新鮮空氣進(jìn)入氣缸，只有一定量的廢氣排出，可以認(rèn)為缸內(nèi)氣體的成分保持不變[5]。所以此過程中的質(zhì)量守恒和能量方程分別為：

=-? =（-he--p-u）

5.氣門重疊階段

在氣門重疊階段內(nèi)無燃油噴入，但是既有新鮮空氣進(jìn)入氣缸，同時又存在廢氣被排到缸外，所以此階段質(zhì)量守恒方程為：

=-

此過程中，由于混合氣體成分并未發(fā)生改變，因此排出的燃料質(zhì)量與排出廢氣的總質(zhì)量成正比。其比例為缸內(nèi)燃料質(zhì)量與工質(zhì)總質(zhì)量的瞬時比值，故此階段能量方程為：

=（hS-he--p-u-m）

6.純進(jìn)氣階段

柴油機的純進(jìn)氣階段為排氣門關(guān)閉至進(jìn)氣門打開時段，此過程中無燃料的排出，但存在新鮮空氣進(jìn)入缸內(nèi)，所以純進(jìn)氣階段的質(zhì)量方程和能量方程分別為：

= =（hS--p-u-m）

根據(jù)上述分析分階段進(jìn)行聯(lián)立求解即可得到氣缸內(nèi)的氣體瞬時狀態(tài)參數(shù)。

二、柴油機工作過程仿真分析

柴油機仿真模型的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表所示。

柴油機模型參數(shù)

柴油機氣缸的熱力過程有六個工作階段，本文據(jù)此建立了相應(yīng)的六個子模型，分別為compression子模型、combustion子模型、expend子模型、exhaust子模型、overlap子模型以及intake子模型，各個子模型之間通過工質(zhì)質(zhì)量、工質(zhì)溫度、質(zhì)壓力和瞬時過量空氣系數(shù)有機聯(lián)系在一起，組成了整個柴油機工作過程的仿真模型。其仿真模型如圖1所示。

為了驗證模型的有效性，進(jìn)行了仿真測試，某一供油量下柴油機一個循環(huán)周期內(nèi)的氣缸壓力變化情況及對應(yīng)的示功圖如圖2所示。

利用單缸計算得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)各缸發(fā)火順序分別后移一定的角度進(jìn)行疊加，由此得到整機工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)，據(jù)此得到六缸柴油機扭矩計算仿真模型，得到某一供油量下柴油機整機輸出扭矩如圖3所示。

三、結(jié)論

本文針對柴油缸內(nèi)的工作過程及相應(yīng)的邊界條件進(jìn)行了比較詳盡的分析并建立了相應(yīng)的仿真模型，通過仿真結(jié)果可以看出，所建立的模型能較好地模擬柴油機缸內(nèi)工作過程所產(chǎn)生的瞬時扭矩，從而為柴油機性能參數(shù)的優(yōu)化、輸出扭矩的控制等提供一定的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉孟祥，劉湘玲，陳健彬，等.運用Simulink實現(xiàn)柴油機工作過程仿真的方法研究[J].廣西輕工業(yè)，2010，6（139）：34-35.

[2]樊艮，王劍平，曹誠，等.柴油機曲軸瞬時扭矩的仿真計算與試驗驗證[J].大連海事大學(xué)學(xué)報，2010，36（4）：141-145.

[3]王紀(jì)元.柴油機工作過程的Simulink建模仿真研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

[4]蕭穎，潘大德.柴油機數(shù)學(xué)模型的模擬和仿真[J].內(nèi)燃機車，2011（3）：12-15.

[5]王海燕，張鈞東，任光.大型船用柴油機建模與動態(tài)仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18（9）：263-264.

◎編輯 馬燕萍