柴油機(jī)工作過(guò)程仿真研究現(xiàn)狀

張永峰，魯 俊

(裝甲兵工程學(xué)院車(chē)輛工程系,北京 100072)

0 引言

因?yàn)椴裼蜋C(jī)工作過(guò)程的復(fù)雜性，試驗(yàn)研究方法是柴油機(jī)性能研究的重要方法，但是受試驗(yàn)條件差和測(cè)試技術(shù)水平低等原因，柴油機(jī)試驗(yàn)研究局限較大[1]。自20世紀(jì)60年代開(kāi)始，計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法不斷發(fā)展，柴油機(jī)工作過(guò)程的數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越成熟，這是一種非常重要的柴油機(jī)研究方法。對(duì)柴油機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行建模仿真，經(jīng)歷了一個(gè)由簡(jiǎn)入繁，由粗入細(xì)的發(fā)展過(guò)程，根據(jù)建模目的不同及其它要求，柴油機(jī)整機(jī)性能模型包括缸內(nèi)燃燒模型、傳熱模型、進(jìn)排氣模型、曲軸動(dòng)力學(xué)模型、中冷器模型和渦輪增壓器模型[2]。

1 柴油機(jī)整機(jī)性能仿真的研究現(xiàn)狀

在對(duì)柴油機(jī)性能的研究中運(yùn)用柴油機(jī)工作過(guò)程仿真技術(shù)，可以對(duì)柴油機(jī)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和論證起到指導(dǎo)和預(yù)測(cè)作用；可以研究單因素變量對(duì)柴油機(jī)性能的影響；可以從物理過(guò)程研究影響柴油機(jī)性能變化的機(jī)理。

對(duì)柴油機(jī)整機(jī)性能仿真有3個(gè)方法:一是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，此法貼于實(shí)際樣本，需要大量的試驗(yàn)樣本，且忽略物理過(guò)程；二是根據(jù)柴油機(jī)工作過(guò)程數(shù)學(xué)模型，通過(guò)MATLAB等軟件對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行編程，并求解計(jì)算，此法利于對(duì)工作過(guò)程的理解，但工作量大，調(diào)試難；三是通過(guò)使用GT-Power等整機(jī)性能仿真軟件對(duì)柴油機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行仿真研究[3-11]。柴油機(jī)工作過(guò)程仿真模型系統(tǒng)劃分示意圖如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)工作過(guò)程仿真模型系統(tǒng)劃分示意圖

俞明等人利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能預(yù)測(cè)[3]。浙江大學(xué)何勇等人應(yīng)用三層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立S195型柴油機(jī)仿真模型，將130臺(tái)s195型柴油機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)作為分析樣本，經(jīng)過(guò)83000次學(xué)習(xí)，精度達(dá)到99%[4]。

北京交通大學(xué)牛有城對(duì)噴霧和燃燒模型參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，構(gòu)建特征參數(shù)對(duì)燃燒的貢獻(xiàn)率等，引入正交設(shè)計(jì)法和遺傳算法優(yōu)化6對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)[5]。湖南大學(xué)元野采用自適應(yīng)權(quán)重粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化最小二乘支持向量機(jī)參數(shù)，對(duì)柴油機(jī)高壓共軌噴射系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)[6]。上海理工大學(xué)李虎強(qiáng)對(duì)SC11CK柴油機(jī)進(jìn)行仿真，重點(diǎn)對(duì)該機(jī)的進(jìn)、排氣系統(tǒng)的主要進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)的參數(shù)變化，對(duì)柴油機(jī)的進(jìn)氣特性和燃油消耗率進(jìn)行了研究[7]。中北大學(xué)劉波對(duì)某柴油機(jī)活塞展開(kāi)熱機(jī)耦合多目標(biāo)優(yōu)化，進(jìn)行了活塞參數(shù)化預(yù)處理、熱機(jī)耦合分析、主次因子分析、遺傳算法(MIGA)全局多目標(biāo)優(yōu)化研究[8]。江蘇科技大學(xué)付偉偉文以GT-POWER對(duì)仿真柴油機(jī)，在驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性后，分析了氣門(mén)正時(shí)和噴油正時(shí)等參數(shù)對(duì)柴油機(jī)性能的影響[9]。北京理工大學(xué)郭驍在GT-Power軟件中對(duì)不同EGR狀態(tài)和噴油條件對(duì)柴油機(jī)性能影響進(jìn)行研究[10]。重慶理工大學(xué)陳永燕運(yùn)用Space Claim建立柴油機(jī)模型,應(yīng)用ANSYS軟件中的Design Model模塊對(duì)燃燒室模型中的縮口比、燃燒室深度、凸臺(tái)深度進(jìn)行參數(shù)化，采用遺傳算法對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)和噴油參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算[11]。

2 柴油機(jī)工作過(guò)程仿真模型修正研究現(xiàn)狀

由于理論認(rèn)識(shí)的局限性，工作過(guò)程仿真模型很難用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，以使模型能精確地匹配特定試驗(yàn)，使仿真模型在多數(shù)工況下的準(zhǔn)確性最高[12]。面對(duì)此問(wèn)題，必須要找到一種高效模型校正方法，該方法可以確定高靈敏度校正參數(shù)并且能夠粗略確定參數(shù)值，用來(lái)增加柴油機(jī)工作過(guò)程仿真模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

天津大學(xué)鄧名華等人選用240單缸柴油機(jī)作為試驗(yàn)樣機(jī)，以應(yīng)用正交網(wǎng)格法并建立宏觀等效系統(tǒng)完成了柴油機(jī)準(zhǔn)維燃燒模型中四個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定，誤差在4%以?xún)?nèi)[13]。陸軍裝甲兵學(xué)院王憲成等人以建立高原環(huán)境柴油機(jī)工作過(guò)程模型，進(jìn)行極差分析和靈敏度分析，確定最大影響因素；通過(guò)遺傳算法對(duì)模型在全域內(nèi)尋優(yōu)，模型誤差低于4%[14]。

北京理工大學(xué)碩士彭倩以BF6M1015柴油機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)仿真，分層抽樣選取樣本工況；在經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值空間內(nèi)進(jìn)行超立方抽樣；在不同工況下，優(yōu)化目標(biāo)為“六點(diǎn)法”，通過(guò)遺傳算法優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，模型仿真結(jié)果的誤差低于5%[15]。浙江大學(xué)張博文為了提高缸內(nèi)傳熱模型對(duì)不同海拔高度的適應(yīng)性，建立溫度指數(shù)關(guān)于進(jìn)氣壓力的線(xiàn)性關(guān)系，提高了模型在不同海拔高度時(shí)的準(zhǔn)確性[16]。中北大學(xué)王凱運(yùn)用GT-POWER軟件將柴油機(jī)工作過(guò)程分為五個(gè)子系統(tǒng)，建立了某增壓二沖程柴油機(jī)的原機(jī)模型，先對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)的空氣流量進(jìn)行預(yù)估計(jì)，然后分系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整參數(shù)，再進(jìn)行驗(yàn)證，最終模型誤差范圍控制在3%以?xún)?nèi)[17]。北京理工大學(xué)李瑞雪以DEUTZ-BF6M1015渦輪增壓柴油機(jī)為研究對(duì)象，并基于Matlab/Simulink建立了渦輪增壓柴油機(jī)平均值模型；對(duì)模型參數(shù)標(biāo)定，從誤差解耦的角度對(duì)平均值模型進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)校核，模型誤差在5%以下[18]。

3 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)外通過(guò)仿真的方法研究柴油機(jī)的工作過(guò)程極為廣泛，通過(guò)仿真對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行規(guī)律研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，這極大地提高了研究效率，同時(shí)減少了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。下一步的研究中，在注重理論模型的基礎(chǔ)上，同時(shí)注重對(duì)模型的標(biāo)定校核方法的研究，建立高精度的柴油機(jī)工作過(guò)程仿真模型，研究不同技術(shù)狀況對(duì)柴油機(jī)性能的影響。