基于Simulink的氣體機(jī)建模與仿真研究

0 引言

自內(nèi)燃機(jī)問世以來，便在交通運(yùn)輸和機(jī)械工程方面扮演著重要角色，但在石油資源消耗嚴(yán)重和大氣環(huán)境不斷被污染的今天，氣體機(jī)由于天然氣抗暴性高，故可使用更高的壓縮比，從而獲得更高的熱效率和較低的排放而成為重要的研究方向

。伴隨著排放法規(guī)的越來越嚴(yán)格，我們有必要對(duì)氣體機(jī)進(jìn)行更深入的探究，通過對(duì)氣體機(jī)進(jìn)行仿真建模計(jì)算，預(yù)測(cè)氣體機(jī)性能，從而能夠提高燃燒效率，降低排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

1 模型劃分

本文以某氣體機(jī)(采用多點(diǎn)噴射的進(jìn)氣方式，含有廢氣再循環(huán)系統(tǒng))為原型。使用Simulink搭建出此氣體機(jī)模型，其中，將整機(jī)模型劃分為氣路系統(tǒng)(渦輪增壓器模型，中冷器模型，EGR冷卻器模型，EGR閥模型，節(jié)氣門模型等)，供氣系統(tǒng)，氣缸系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)

等，如圖1所示。

2 氣體機(jī)數(shù)學(xué)模型

2.1 進(jìn)、排歧管模型

采用容積法

對(duì)進(jìn)排氣歧管模型進(jìn)行搭建，用準(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng)過程來替代實(shí)際進(jìn)排氣歧管管內(nèi)的不穩(wěn)定流動(dòng)過程來進(jìn)行簡(jiǎn)化的計(jì)算，只考慮狀態(tài)參數(shù)隨時(shí)間的變化。

由于含有EGR系統(tǒng)，我們需要在進(jìn)、排氣歧管中分別算出空氣，燃?xì)猓瑥U氣的比例。對(duì)于進(jìn)氣歧管流出中空氣，燃?xì)?，廢氣的比例在進(jìn)氣歧管中根據(jù)進(jìn)氣歧管中的混合氣比例進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于流入排氣歧管的混合氣中空氣，燃?xì)?，廢氣的比例根據(jù)氣缸中混合氣比例進(jìn)行計(jì)算。

在仿真計(jì)算中，進(jìn)排氣歧管的狀態(tài)方程為

隨著旅游信息化的持續(xù)發(fā)展，以及互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下，旅游行業(yè)市場(chǎng)對(duì)新媒體營(yíng)銷、智慧旅游景點(diǎn)管理以及旅游個(gè)性化定制等方面人才的需求量迅速增加，而目前高職旅游人才培養(yǎng)計(jì)劃中，在這些方面的人才需求分析明顯不足，所以，在旅游新常態(tài)背景下，高職院校一定要根據(jù)旅游行業(yè)的具體發(fā)展需要來調(diào)整人才培養(yǎng)計(jì)劃，以充分滿足新形勢(shì)下旅游行業(yè)的實(shí)際需求。

=

3）課堂觀察：課堂觀察的實(shí)施者，既可以研究者也可以是本人。課堂觀察是可以幫助教師發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的問題、分析問題和解決問題的有效方式，促進(jìn)新教師發(fā)展的主要方式。針對(duì)別人對(duì)自己的課堂觀察、自己的課堂錄音或錄像，再分析觀摩，進(jìn)行在此反思，以提高教學(xué)效果和自身專業(yè)發(fā)展有積極意義。

為燃?xì)饣蚶鋮s液質(zhì)量流

“兩票制”的執(zhí)行，使藥品的供應(yīng)鏈更為簡(jiǎn)化，以往常見的底價(jià)代理、層層加價(jià)分銷的模式逐漸退出供應(yīng)鏈主流，而藥品出廠價(jià)接近中標(biāo)價(jià)格的高開自營(yíng)和高開代理模式將占居市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，個(gè)別專營(yíng)或兼營(yíng)“過票”的藥品批發(fā)企業(yè)，喪失了原有的商業(yè)價(jià)值。同時(shí)，“兩票制”與“營(yíng)改增”和藥監(jiān)部門“飛行檢查”多管齊下，有力地打擊了“掛靠”、“走票”等違法行為，“過票”企業(yè)必將被市場(chǎng)淘汰[3，4]。

受里奇理論的啟示，如果我們把量子力學(xué)的態(tài)迭加、坍縮現(xiàn)象引入攝影理論觀測(cè)，那么可以比較容易發(fā)現(xiàn)和理解當(dāng)代數(shù)碼攝影的量子—數(shù)碼世界觀轉(zhuǎn)向。令人驚奇的是，后現(xiàn)代理論家們?nèi)缌_蘭·巴特、雅克·德里達(dá)、讓·鮑德里亞等卓越學(xué)者，早就站在新世界觀（量子—數(shù)碼世界觀）的高點(diǎn)前瞻攝影的發(fā)展，牛頓式—傳統(tǒng)攝影理論已經(jīng)悄然向量子—數(shù)碼世界觀轉(zhuǎn)換。這也是數(shù)碼時(shí)代攝影實(shí)踐轉(zhuǎn)向的理論凝結(jié)。

2.2 節(jié)氣門與EGR閥門模型

為同時(shí)考慮模型的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，對(duì)于節(jié)氣門與EGR閥門模型，采用以下公式進(jìn)行建模：

質(zhì)量守恒方程為

2.3 中冷器與EGR冷卻器模型

對(duì)于冷卻模型，輸入量為進(jìn)氣溫度與冷卻液溫度，采用以下冷卻公式：

=

-

(

-

)

其中，

，

為出口溫度與進(jìn)口溫度，

為冷卻液溫度，

為冷卻效率，且其與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與有效扭矩有關(guān)。

2.4 渦輪增壓器模型

壓氣機(jī)的工作過程

比如,“石榴裙”本為“服飾”類,由于調(diào)整其使用范圍,而增加相應(yīng)的成分,便可以直接聯(lián)系到其領(lǐng)有者或者使用者這樣的主體對(duì)象,也就是某種特定的“人”類,于是其借代的語義格式便可以描寫成[+像石榴一樣紅+裙子+領(lǐng)有者/可以穿著的人]。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，壓氣機(jī)的等熵效率為①②

如果孕婦沒有深海魚的足量攝取或額外補(bǔ)充DHA，在此前提下不建議選用單不飽和脂肪酸，而應(yīng)該選用多不飽和脂肪酸以利于DHA的合成。因?yàn)槿梭w需要的2種必需脂肪酸都是多不飽和脂肪酸，即亞油酸和α-亞麻酸。其中α-亞麻酸在代謝過程中可合成EPA（腦白金）和DHA（腦黃金）。就α-亞麻酸的含量而言，在烹調(diào)油中大豆油和菜籽油相對(duì)比較高，所以建議孕婦可多選用大豆油或菜籽油烹飪。

壓氣機(jī)的通用特性曲線一般用到的流量和轉(zhuǎn)速都是折合后的。

式中，p

(

)和T

(

)分別是實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得的大氣壓力和溫度。

渦輪機(jī)工作原理

渦輪機(jī)的等熵效率為

內(nèi)燃機(jī)的排氣速度較低，可令渦輪進(jìn)氣口處的滯止溫度壓力等于測(cè)量到得排氣的溫度壓力，即T

=T

，p

=p

。由于渦輪的出口速度較小，可以近似地認(rèn)為p

等于大氣壓力p

，忽略通道內(nèi)氣體傳熱，則渦輪機(jī)發(fā)出的功率為

考慮渦輪、壓氣機(jī)、增壓器轉(zhuǎn)軸摩擦扭矩，增壓器轉(zhuǎn)軸力矩方程。

式中η

為渦輪的最高效率。

增壓器轉(zhuǎn)軸原理

J為增壓器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，根據(jù)轉(zhuǎn)子扭矩和功率關(guān)系n=Mω和ω=2πn，有

(5)斜長(zhǎng)質(zhì)片麻巖類殘坡積物：僅在中部燕窩地—白果樹一帶分布，主要出露角閃斜長(zhǎng)質(zhì)片麻巖體。淀積層一般呈酸性-中酸性，母質(zhì)風(fēng)化后一般成麻石黃棕壤，土壤質(zhì)地多為砂壤土。

轉(zhuǎn)軸的摩擦消耗與轉(zhuǎn)速的平方成正比。

增壓器廢氣旁通閥的數(shù)學(xué)模型：

假設(shè)通過放氣閥的氣體是不可壓縮理想氣體，放氣閥前后氣體溫度不變，流動(dòng)方式不變，調(diào)節(jié)閥的工作特性方程為：

那天晚上我啃了四個(gè)豬蹄，吃得滿臉油花。遲羽嫌棄地趕我去洗手，我洗過手卻找不到護(hù)手霜，扯著嗓子問她放哪了，她說放在臥室的床頭抽屜里了，讓我自己去找。我走進(jìn)她的臥室，打開抽屜，翻出護(hù)手霜，卻忽然注意到旁邊放著的一個(gè)舊手機(jī)?？瓷先ビ悬c(diǎn)眼熟。

對(duì)于自動(dòng)調(diào)節(jié)過程，一般選用對(duì)數(shù)和線性流量特性的調(diào)節(jié)閥，線性流量特性調(diào)節(jié)閥

K

=e

對(duì)數(shù)流量特性調(diào)節(jié)閥

2.5 氣缸模型

對(duì)于氣缸模型，以能量守恒方程，狀態(tài)方程和質(zhì)量守恒方程為基礎(chǔ)，建立熱力學(xué)參數(shù)模塊，各缸瞬時(shí)容積模塊，各缸周壁傳熱模塊，燃燒放熱率模塊，缸蓋上的進(jìn)排氣閥模塊，缸溫缸壓模塊，燃燒放熱率模塊與單缸指示扭矩模塊進(jìn)行建模

。其中，周壁傳熱模型采用1970年的Woschni經(jīng)驗(yàn)公式，燃燒模型選用單Weibo經(jīng)驗(yàn)公式。

Woschni經(jīng)驗(yàn)公式：

=

-0214

(

)

0786

053

其中，

瞬時(shí)平均換熱系數(shù)，

缸徑，

缸內(nèi)工質(zhì)的溫度壓力，

行程，

修正系數(shù)。

2.6 供氣模型

用伯努利方程對(duì)噴氣閥進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，公式如下

其中，

為噴氣閥的質(zhì)量流量，

為噴氣閥入口壓力，

為噴氣閥出口壓力，

為天然氣的密度，

為修正系數(shù)。

筆者認(rèn)為，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程在人才培養(yǎng)體系中的地位，針對(duì)上述問題，應(yīng)建立一套比較完善的課程教學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并將其貫穿于課程的整個(gè)教學(xué)過程中.

2.7 熱交換器模型

燃?xì)饬髁?/p>

，水流量

已知，已知燃?xì)?、水的入口溫度，則能計(jì)算出燃?xì)獾某隹跍囟龋俑鶕?jù)傳熱量公式

=

Δ

計(jì)算出水的溫差，計(jì)算出冷卻水的出口溫度。

對(duì)于熱交換器其結(jié)構(gòu)屬于板式換熱器，流動(dòng)方式為逆流。根據(jù)換熱器計(jì)算的效能-傳熱單元數(shù)法，可知逆流換熱器的效能

換熱氣的效能，表示換熱器的實(shí)際換熱效果與最大可能換熱效果之比。

其中NTU為傳熱單元

能量守恒方程為

傳熱量

=

Δ

(

)

=

(

)

=

根據(jù)熱交換的工作過程如圖2所示，當(dāng)CNG減壓閥打開后燃?xì)膺M(jìn)入熱交換器，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下燃?xì)鈬娚溟y打開，此時(shí)燃?xì)馐莿?dòng)態(tài)流動(dòng)過程，如果噴射閥關(guān)閉，燃?xì)鈱⒃跓峤粨Q器內(nèi)滯留，此時(shí)可看做穩(wěn)態(tài)加熱過程，需考慮熱交換器對(duì)環(huán)境的散熱或吸熱過程。

3 氣體機(jī)物理模型搭建及運(yùn)行

3.1 物理模型搭建

對(duì)于氣體機(jī)物理模型的搭建，在對(duì)各模塊進(jìn)行劃分時(shí)必須保證模型的完整性，不能缺少重要部件，各個(gè)子模塊務(wù)必要以真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，且各模塊與上文中數(shù)學(xué)模型一一對(duì)應(yīng)，建立完整的子系統(tǒng)，然后進(jìn)行封裝調(diào)試，構(gòu)成完整精確的氣體機(jī)模型。

氣體機(jī)的氣路模型如圖3所示，包含進(jìn)氣管、中冷器、節(jié)氣門、增壓器、EGR閥、EGR中冷器、進(jìn)氣歧管以及排氣歧管等。

氣缸模型如圖4所示，能夠通過參數(shù)的設(shè)定靈活的增加氣缸數(shù)目，進(jìn)行16缸機(jī)的閉環(huán)調(diào)試，并可以快捷的改成4缸、8缸、12缸或者24缸?？梢阅M失火現(xiàn)象，單缸失火，或者多缸失火。模擬點(diǎn)火提前角、點(diǎn)火能量對(duì)燃燒輸出扭矩、溫度的影響。

供氣模型如圖5所示，主要包括氣罐、減壓器、噴射閥、氣軌、低壓切斷閥、高壓切斷閥等。氣罐模型可以模擬LNG和CNG，對(duì)氣罐氣體容積，氣罐出口氣體壓力、溫度能準(zhǔn)確模擬。減壓器模型能模擬天然氣減壓過程，對(duì)減壓器前后的天然氣壓力、溫度能夠模擬。氣軌模型模擬氣軌內(nèi)部的燃?xì)鈮毫?、溫度。噴射閥模型支持兩種模型，一種是蝶閥、類似節(jié)氣門，一種是類似噴油器的電磁噴射閥，安裝在氣軌上，噴射閥模型能夠準(zhǔn)確模擬噴射流量。燃料屬于進(jìn)氣總管給氣。

通過當(dāng)前表格可以看出，護(hù)理前兩組的疼痛評(píng)分比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。護(hù)理后，兩組的疼痛評(píng)分均有改善，且研究組優(yōu)于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。說明在骨科護(hù)理中應(yīng)用無痛護(hù)理，有利于降低患者的疼痛感受。見表1。

交換器是氣體機(jī)通發(fā)動(dòng)機(jī)過冷卻水來加熱經(jīng)減壓器減壓之后的燃?xì)獾牟考愃粕崞?，交換器模型如圖6所示，模擬交換器入口及出口的天然氣溫度、壓力，冷卻水的溫度。

后處理三元催化器模型如圖7所示，能仿真催化器入口及出口的CO、HC和NOx的氣體濃度及轉(zhuǎn)化效率，對(duì)CO2、H2O和N2的濃度有較好的模擬。催化器模型必須是物理模型，包含氧化-還原催化反應(yīng)，能模擬催化器老化，高溫失活及硫中毒現(xiàn)象。能準(zhǔn)確模擬催化器前后的排氣背壓。能夠模擬催化器加熱，加熱方式是電加熱。對(duì)催化器載體、催化劑有設(shè)置參數(shù)。

3.2 物理模型運(yùn)行

本文搭建的物理模型最終用于燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)開發(fā)，模型實(shí)時(shí)運(yùn)行在硬件在環(huán)系統(tǒng)(hard in the loop)中，簡(jiǎn)稱HIL，本次試驗(yàn)使用基于dSPACE SCALEXIO系統(tǒng)的定制化HIL一臺(tái)，能夠?qū)?guó)六天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的全部針腳進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試，HIL架構(gòu)如圖8所示。

We can subdivide their content into two main areas: religious and secular. The first is exemplified by the Prajnaparamita in 25,000 stanza and Tantric rituals scriptures.The second includes poetry, biography and other local documents, all of which have important historical value.

二線（省會(huì)及發(fā)達(dá)非省會(huì)）市場(chǎng)將迎來發(fā)展期：隨著越來越多人群逃離北上廣等一線城市，二線城市的人口流入呈現(xiàn)出爆發(fā)之勢(shì)。公開數(shù)據(jù)顯示，從一二三線城市的人口增量結(jié)構(gòu)來看，一線和三線城市人口凈流入規(guī)模出現(xiàn)縮減，同期二線城市則涌入大量人口。這些新增的流入人口將給二線市場(chǎng)帶來需求的增量，以及類一級(jí)市場(chǎng)的購買習(xí)慣，推動(dòng)升級(jí)。

“點(diǎn)—軸”系統(tǒng)理論中的“點(diǎn)”，一般指的是具有增長(zhǎng)潛力的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)或產(chǎn)業(yè)集聚城鎮(zhèn)，這些地區(qū)有較為優(yōu)越的投資環(huán)境和投資回報(bào)率，能夠吸引周圍地區(qū)的資金、勞動(dòng)力、技術(shù)等要素集聚，產(chǎn)生區(qū)域要素流動(dòng)的極化過程。在本文中，體育小鎮(zhèn)空間布局中的“點(diǎn)”指的是特色體育產(chǎn)業(yè)集聚的城鎮(zhèn)。

dSPACE SCALEXIO系統(tǒng)是一個(gè)通用的硬件在環(huán)系統(tǒng)。它采用柔性硬件設(shè)計(jì)的思想，能夠提供大量的柔性通道，滿足從單個(gè)ECU到多個(gè)ECU的測(cè)試需求。所有的硬件配置均可通過軟件來實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)配置的效率，并降低了系統(tǒng)維護(hù)的成本。因此，SCALEXIO系統(tǒng)能夠滿足不同測(cè)試領(lǐng)域、不同車型，不同控制器的測(cè)試應(yīng)用，比如動(dòng)力總成系統(tǒng)，底盤系統(tǒng)，車身電子，以及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

本次試驗(yàn)，HIL模型分成兩種，燃燒相關(guān)的氣缸模型仿真步長(zhǎng)0.1ms，其余為1ms，使用MATLAB的自動(dòng)代碼生成工具RTW將上述模型轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)代碼，下載至SCALEXIO系統(tǒng)的處理單元中，采用Intel XEON 處理器，運(yùn)算主頻高達(dá)3.5GHz，擁有4GB DDR3 RAM內(nèi)存，采用QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證此模型與實(shí)際氣體機(jī)工作過程的吻合程度，首先在額定工況下用所建模型進(jìn)行缸壓計(jì)算，將所得數(shù)據(jù)與缸壓臺(tái)架數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9；另外，分別在25%、50%、75%負(fù)載下用所建模型進(jìn)行功率以及渦輪出口溫度計(jì)算，將所得數(shù)據(jù)與缸壓臺(tái)架數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖10。

由下圖我們可以看出所建模型的輸出結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)十分吻合，模型精度可以滿足仿真要求。由下圖我們可以看到，此模型的仿真結(jié)果與臺(tái)架實(shí)測(cè)結(jié)果誤差不超過5%，模型能夠較好地模擬實(shí)際氣體機(jī)工作過程。

5 結(jié)言

本文基于MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)，以某多點(diǎn)噴射氣體機(jī)為研究對(duì)象，搭建了完整的物理模型，經(jīng)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，后續(xù)可以利用此模型進(jìn)行氣體機(jī)相關(guān)的性能計(jì)算，為整機(jī)性能優(yōu)化提供指導(dǎo)幫助。

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