大功率柴油機(jī)非穩(wěn)定工況數(shù)值模擬研究

鄭士振

摘要：本文在對(duì)東方紅-160拖拉機(jī)所配備的柴油機(jī)的非穩(wěn)定工況充分分析、初步建立了各部分的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，在SIMULINK的仿真環(huán)境下建立了柴油機(jī)各部分仿真模型，按柴油機(jī)的實(shí)際工作過程搭建了整機(jī)仿真模型，通過對(duì)其進(jìn)行仿真研究，得到了理想的仿真結(jié)果。在建模過程中引入了有限狀態(tài)機(jī)理論，利用Matlab/Statelfow模塊，對(duì)缸內(nèi)工作過程仿真模型的執(zhí)行策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)，簡化了柴油機(jī)的仿真模型，為柴油機(jī)建模提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；非穩(wěn)定工況；模擬研究

中圖分類號(hào)：G718.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）31-0093-02

引言

柴油機(jī)的工作過程是一個(gè)復(fù)雜的熱力學(xué)過程，根據(jù)建模的原理、復(fù)雜程度、應(yīng)用范圍的不同，大致可以分成五類，它們是包括分段和分區(qū)線性化在內(nèi)的線性化模型、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)非線性模型、容積法、壓力波模型和系統(tǒng)辨識(shí)模型。國內(nèi)外很多學(xué)者都采用零維模型做了大量的研究工作。如北京理工大學(xué)的李長文用容積法建立了一個(gè)四缸非增壓柴油機(jī)的非線性瞬態(tài)模型和穩(wěn)態(tài)模型；Watson和Marzouk建立非線性模型用于改善渦輪增壓柴油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)性能的措施分析；Winter bone等把該方法應(yīng)用于渦輪增壓柴油機(jī)的瞬態(tài)性能仿真，建立“全動(dòng)態(tài)”模型用于渦輪增壓柴油機(jī)供油量與轉(zhuǎn)速輸出之間的傳遞函數(shù)評(píng)估，都得到了很好的仿真結(jié)果。

本文將柴油機(jī)分成相互聯(lián)系的幾部分，利用Simulink仿真軟件分別搭建了各部分的仿真模型，仿真研究了柴油機(jī)的加速工況，并將仿真值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比。

一、模型的驗(yàn)證

1.計(jì)算概述。在初步建立的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用Simulink軟件建立仿真模型，選擇計(jì)算方法為四階龍格-庫塔法，仿真步長為1°CA，為方便起見，選擇壓縮始點(diǎn)作為計(jì)算始點(diǎn)，根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角依次調(diào)用各模塊，完成缸內(nèi)工作過程的仿真。

2.模型驗(yàn)證。柴油機(jī)的主要參數(shù)見表1：

對(duì)于運(yùn)用Matlab/SIMULINK建立的模型能否滿足預(yù)期要求，在不具備試驗(yàn)條件的前提下，本論文采用對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證的方法，來判定所建模型的有效性。為了驗(yàn)證其有效性，對(duì)轉(zhuǎn)速為2200r/min，供油提前角為16°CA的額定工況下仿真的示功圖與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，缸內(nèi)壓力仿真值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合。這表明選取的模型和計(jì)算方法合理，能滿足柴油機(jī)加速工況的數(shù)值模擬研究。

二、模型的仿真

在以上初始條件下，對(duì)柴油機(jī)典型加速工況：沿外特性加速工況進(jìn)行了仿真，仿真得到了缸內(nèi)參數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。

圖2給出了沿外特性加速工況下速度的變化。圖3～圖4是該加速過程，缸內(nèi)最高壓力和平均有效壓力的變化?？梢钥闯?，在整個(gè)加速過程中，缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力比相應(yīng)穩(wěn)定工況低，波動(dòng)范圍比相應(yīng)穩(wěn)定工況大，在開始階段出現(xiàn)急劇下降，說明在加速起始階段，燃油供應(yīng)量增加，但進(jìn)氣量卻沒能迅速增加，致使缸內(nèi)混合氣過濃，燃燒不完全，導(dǎo)致燃燒放熱率降低，壓力下降。在沿外特性加速工況下，當(dāng)供油提前角為12°CA時(shí)，最高爆發(fā)壓力和平均有效壓力比18°CA時(shí)有顯著提高，這表明在供油拉桿位置不變時(shí)，合理選擇供油提前角對(duì)柴油機(jī)性能有很大的提高。

下圖是在外特性加速工況中，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1900r/min、角加速度分別為5rad/s2和95rad/s2時(shí)的示功圖、燃燒放熱率和累計(jì)燃燒放熱量的仿真圖。

由圖5～圖7可看出，在曲軸角加速度較大時(shí)燃燒放熱率明顯降低，累計(jì)放熱量和缸內(nèi)壓力也明顯下降，這表明曲軸轉(zhuǎn)速的變化強(qiáng)烈影響了缸內(nèi)混合氣的形成和充氣，轉(zhuǎn)速的急劇變化使混合氣形成質(zhì)量下降，從而導(dǎo)致燃燒惡化。

三、結(jié)束語

利用建立的大功率渦輪增壓柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真模型，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行模擬研究，得到了以下結(jié)論：

1.供油提前角對(duì)柴油機(jī)性能有很大的影響，過大將導(dǎo)致燃燒惡化平均有效壓力和最高爆發(fā)壓力降低，合理選擇供油提前角可以顯著改善對(duì)柴油機(jī)性能。

2.角加速度強(qiáng)烈影響了氣缸充氣和混合氣的形成，角加速度過大致使缸內(nèi)燃燒惡化，從而導(dǎo)致放熱率下降，缸內(nèi)壓力降低。

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