YC6A柴油機(jī)工作過程數(shù)值模擬

劉陽

摘要：本次論文根據(jù)柴油機(jī)不同的運(yùn)行工況，對(duì)所建柴油機(jī)模型進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，觀察柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)隨時(shí)間和負(fù)載的變化規(guī)律，并與柴油機(jī)的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，從而表明所建立的數(shù)學(xué)模型和仿真模型及仿真方法是正確可行的。該仿真系統(tǒng)具有較為完善的功能，可進(jìn)行各種參數(shù)試驗(yàn)，且可通過修改模型及有關(guān)參數(shù)即可適應(yīng)不同機(jī)型等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：YC6A柴油機(jī);平均值建模;仿真分析;simulink

1.柴油機(jī)Simulink仿真模型

1.1仿真參數(shù)設(shè)置

仿真模型的本質(zhì)是一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，而利用imulink仿真實(shí)質(zhì)上就是求解微分方程或差分方程的過程。模型在仿真前要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，需設(shè)置的參數(shù)包括：仿真開始時(shí)間Start?time、停止時(shí)間Stop?time，積分方法Solver，步長(zhǎng)Step等參數(shù)。

1.1.1設(shè)置仿真時(shí)間

設(shè)置仿真開始和停止時(shí)間就是在Start?time和Stop?time的編輯框內(nèi)輸入相應(yīng)的數(shù)值，單位“秒"。實(shí)際運(yùn)行時(shí)間一般與時(shí)鐘不一致，實(shí)際的運(yùn)行時(shí)間與計(jì)算機(jī)的性能、模型的復(fù)雜程度、算法、步長(zhǎng)等很多因素有關(guān)。

1.1.2選擇仿真算法

Simulink模型的仿真需要計(jì)算仿真起始時(shí)刻到終止時(shí)刻之間的每個(gè)時(shí)間步的輸入、輸出和狀態(tài)值，這就需要仿真算法來執(zhí)行。在求

解微分方程的過程中沒有一個(gè)普遍適用的最佳解法，對(duì)一個(gè)給定的系統(tǒng)，要根據(jù)系統(tǒng)本身的特性來選擇最佳求解方法。

打開simulink菜單下的Configuration?Parameters對(duì)話框，在Solver選項(xiàng)頁內(nèi)，可供選擇的算法有：定步長(zhǎng)連續(xù)算法、變步長(zhǎng)連續(xù)算法、定步長(zhǎng)離散算法和變步長(zhǎng)離散算法。本文根據(jù)模型特點(diǎn)采用的變步長(zhǎng)的ODE45算法。

1.1.3設(shè)置仿真步長(zhǎng)

仿真的主要過程一般是求解常微分方程組。“Solver?options”的內(nèi)容就是針對(duì)求解常微分方程組而設(shè)計(jì)的。其中的Type選項(xiàng)是用來選擇仿真步長(zhǎng)是變化的還是固定的。本文選用的變步長(zhǎng)解法可以在仿真過程中根據(jù)要求來調(diào)整運(yùn)算步長(zhǎng)，在計(jì)算前先指定一個(gè)容許誤差限值，使得當(dāng)誤差超過這個(gè)誤差限值時(shí)自動(dòng)修正仿真步長(zhǎng)，來達(dá)到所要求的精度。

1.2?Simulink環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)建模

本文以玉柴YC6A柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象進(jìn)行建模并應(yīng)用了Simulimk的子系統(tǒng)技術(shù)，?所謂的子系統(tǒng)可以理解為一種“容器”，此容器能夠?qū)⒁唤M相關(guān)的模塊封裝到一個(gè)單獨(dú)的模塊中，并且與原來系統(tǒng)模塊組的功能一致。

本文將柴油機(jī)中渦輪、壓氣機(jī)、中冷器及柴油機(jī)本體中的六個(gè)模塊分別建立子系統(tǒng)，并最終封裝為渦輪增壓器、柴油機(jī)本體和中冷器三部分，這樣更便于對(duì)復(fù)雜模型的理解和管理。

1.2.1?渦輪增壓器仿真建模

渦輪增壓器分為壓氣機(jī)和渦輪機(jī)兩個(gè)子系統(tǒng)，為了能較準(zhǔn)確的模擬出壓氣機(jī)和渦輪機(jī)的各種特性以及更方便的表達(dá)，本文在建模中使用了壓氣機(jī)特性曲線圖和渦輪機(jī)通用工作曲線圖，使模型更加貼近現(xiàn)實(shí)。

1.2.2?中冷器仿真模型

通過對(duì)中冷器內(nèi)部溫度的變化和壓力的變化來仿真柴油機(jī)中間冷卻器。

1.2.3?柴油機(jī)本體仿真建模

柴油機(jī)本體仿真模型分為充氣效率仿真模型、柴油機(jī)流量仿真模型、平均排氣溫度仿真模型、指示轉(zhuǎn)矩仿真模型、摩擦轉(zhuǎn)矩仿真模型和柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型等六個(gè)子系統(tǒng)模型。

2.柴油機(jī)仿真結(jié)果輸出及分析

在建立好柴油機(jī)的仿真模型后，需要對(duì)它進(jìn)行各種仿真試驗(yàn)，以保證其性能與原機(jī)具有較好的一致性。表2.1是YC6A柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)得的柴油機(jī)外特性數(shù)據(jù)，根據(jù)模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

表2.1?YC6A柴油機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

序號(hào)

轉(zhuǎn)?速

扭?矩

功??率

燃油消耗量

比油耗

進(jìn)水溫度

出水溫度

進(jìn)氣流量

進(jìn)氣溫度

排氣溫度

渦前壓力

渦前排氣溫度

中冷后壓力

中冷前溫度

中冷前壓力

中冷后溫度

單位

r/min

N.m

kW

kg/h

g/kW.h

℃

℃

kg/h

℃

℃

kPa

℃

kPa

℃

kPa

℃

1

2300

794

191.2

43.71

228.6

79.9

86.9

1132

34

499

211.9

636

136.8

158.1

141.1

46.1

2

2199

829

190.9

42.99

225.2

78.6

87.2

1083

34.3

494

206.3

622

138

155

142

45.4

3

2100

868

190.9

42.51

222.7

74.1

86.3

1041

34.4

497

194.4

619

140

153

144

45.6

4

2002

918

192.5

41.85

217.4

78.6

87

1001

34.4

503

184

623

141

152

145

44.7

5

1902

957

190.6

40.9

214.6

77

86.4

957

34.4

506

175.1

625

142.8

150.8

145.7

43.9

6

1800

1004

189.2

40.17

212.3

73.1

85.6

909

34.5

517

159

640

143.5

149.7

146.2

44

7

1701

1005

179

37.34

208.6

77

86.2

852

34.6

505

145.9

626

139.3

146.2

141.9

42.8

8

1600

1016

170.2

34.93

205.2

77

86.3

789

34.6

492

132.1

608

138.1

144

139.8

41.6

9

1501

1010

158.8

32.17

202.6

75.6

86.2

736

34.4

471

119.6

589

135.1

142.3

137.1

40.5

10

1400

991

145.3

29.03

199.8

75.1

87.3

689

34.3

448

107.5

567

133.4

140.8

134.5

39.1

11

1301

1009

137.5

27.32

198.7

72.5

85.4

634

34.4

455

92.7

565

127.1

138.2

128.2

37.8

12

1201

984

123.8

24.92

201.3

74.1

83.9

528

34.4

478

70.2

578

111.7

129.7

112.7

36.2

13

1099

960

110.5

23.75

214.9

63.7

80.1

448

34.4

513

54.6

606

95.2

120.2

96.2

34.4

14

1000

910

95.3

21

220.4

74

85.1

381

34.5

549

51.8

634

78.7

109.1

79.1

32.9

15

897

838

78.7

18.3

232.5

68.6

86.1

314

34.5

561

30.2

638

62.5

99.2

63.4

31.9

圖2.1?燃油供給量隨時(shí)間變化圖

圖2.1為本柴油機(jī)模型的輸入量，即燃油供給量隨時(shí)間變化的變化量，以此來觀察隨著燃油供給量逐步增加時(shí)，YC6A柴油機(jī)在不同負(fù)載情況下的指示扭矩、輸出轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量以及排氣溫度的變化。

下面還得出以下的曲線圖，本文不再一一列出。柴油機(jī)在空載情況下，指示扭矩隨燃油供給量的變化曲線。?在沒有負(fù)載的情況下，隨著供油量的增加柴油機(jī)指示扭矩先小幅減小之后增加后再減小，可見并不是供油量越大而指示轉(zhuǎn)矩就一定越大，而是有一個(gè)經(jīng)濟(jì)性最佳的燃油供給點(diǎn)。

柴油機(jī)在空載情況下，進(jìn)氣量隨燃油供給量的變化曲線。進(jìn)氣量隨燃油供給量而逐漸升高。

柴油機(jī)在空載情況下，排氣溫度隨燃油供給量的變化曲線。

給柴油機(jī)加一個(gè)大小為400牛米的負(fù)載，為此時(shí)柴油機(jī)指示扭矩隨燃油供給量變化的曲線圖，可以看到指示扭矩隨供油量的增加而逐漸升高。

柴油加400牛米負(fù)載后，進(jìn)氣量隨燃油供給量變化曲線圖。

柴油機(jī)在負(fù)載400牛米時(shí)排氣溫度隨燃油供給量變化的曲線圖。

對(duì)所建立的柴油機(jī)各部分的仿真模型進(jìn)行運(yùn)行，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。分析柴油機(jī)在不同負(fù)載下所輸出的各種仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，包括柴油機(jī)指示轉(zhuǎn)矩、進(jìn)氣量、排氣溫度以及輸出轉(zhuǎn)速，由圖2.2所示，圖中折線分別為仿真結(jié)果分析數(shù)據(jù)和柴油機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在不同的轉(zhuǎn)速下燃油消耗量的變化曲線。可見仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，仿真模型較為成功。驗(yàn)證了本文建立的柴油機(jī)仿真模型的準(zhǔn)確性和可行性。

圖2.2?柴油機(jī)轉(zhuǎn)速燃油消耗率圖

結(jié)??論

增壓柴油機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，伴隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，對(duì)柴油機(jī)性能的要求日益提高，使得柴油機(jī)功能越發(fā)增強(qiáng)，并且對(duì)開發(fā)周期的要求也相應(yīng)地縮短，所以對(duì)于在投入實(shí)際運(yùn)行前進(jìn)行柴油機(jī)仿真的研究具有非常重要的意義。

本文以YC6A柴油機(jī)為仿真對(duì)象，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行了比較細(xì)致的研究，主要完成工作如下：

（1）分析了柴油機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，研究了其性能及輸入輸出信號(hào)，對(duì)YC6A柴油機(jī)進(jìn)行總體的數(shù)學(xué)建模設(shè)計(jì)。

（2）建立了柴油機(jī)仿真模型，對(duì)通用模塊進(jìn)行封裝，提高了模塊的通用性，并能夠多次重復(fù)使用，提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率，也擴(kuò)大了該模型的仿真范圍。

（3）根據(jù)柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型建立了其對(duì)應(yīng)的仿真模型，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行的各部分進(jìn)行了仿真，并根據(jù)YC6A柴油機(jī)本身的性能參數(shù)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照仿真的輸出結(jié)果進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果基本與實(shí)際相吻合，確定了各子模型中的參數(shù)及變化規(guī)律。

本文所設(shè)計(jì)的柴油機(jī)仿真系統(tǒng)具有功能完善、調(diào)試方便、試驗(yàn)成本低、周期短、通過修改模型及有關(guān)參數(shù)即可適應(yīng)不同機(jī)型，為柴油機(jī)的開發(fā)和研制提供了良好的調(diào)試模型。

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