大功率柴油機非穩定工況數值模擬研究

鄭士振

摘要：本文在對東方紅-160拖拉機所配備的柴油機的非穩定工況充分分析、初步建立了各部分的數學模型的基礎上，在SIMULINK的仿真環境下建立了柴油機各部分仿真模型，按柴油機的實際工作過程搭建了整機仿真模型，通過對其進行仿真研究，得到了理想的仿真結果。在建模過程中引入了有限狀態機理論，利用Matlab/Statelfow模塊，對缸內工作過程仿真模型的執行策略進行了設計，簡化了柴油機的仿真模型，為柴油機建模提供了一種新思路。

關鍵詞：柴油機；非穩定工況；模擬研究

中圖分類號：G718.5 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）31-0093-02

引言

柴油機的工作過程是一個復雜的熱力學過程，根據建模的原理、復雜程度、應用范圍的不同，大致可以分成五類，它們是包括分段和分區線性化在內的線性化模型、準穩態非線性模型、容積法、壓力波模型和系統辨識模型。國內外很多學者都采用零維模型做了大量的研究工作。如北京理工大學的李長文用容積法建立了一個四缸非增壓柴油機的非線性瞬態模型和穩態模型；Watson和Marzouk建立非線性模型用于改善渦輪增壓柴油機瞬態響應性能的措施分析；Winter bone等把該方法應用于渦輪增壓柴油機的瞬態性能仿真，建立“全動態”模型用于渦輪增壓柴油機供油量與轉速輸出之間的傳遞函數評估，都得到了很好的仿真結果。

本文將柴油機分成相互聯系的幾部分，利用Simulink仿真軟件分別搭建了各部分的仿真模型，仿真研究了柴油機的加速工況，并將仿真值與實驗值進行了對比。

一、模型的驗證

1.計算概述。在初步建立的數學模型的基礎上，利用Simulink軟件建立仿真模型，選擇計算方法為四階龍格-庫塔法，仿真步長為1°CA，為方便起見，選擇壓縮始點作為計算始點，根據曲軸轉角依次調用各模塊，完成缸內工作過程的仿真。

2.模型驗證。柴油機的主要參數見表1：

對于運用Matlab/SIMULINK建立的模型能否滿足預期要求，在不具備試驗條件的前提下，本論文采用對仿真模型進行驗證的方法，來判定所建模型的有效性。為了驗證其有效性，對轉速為2200r/min，供油提前角為16°CA的額定工況下仿真的示功圖與實驗值進行了對比。

從圖1可以發現，缸內壓力仿真值與實驗值基本吻合。這表明選取的模型和計算方法合理，能滿足柴油機加速工況的數值模擬研究。

二、模型的仿真

在以上初始條件下，對柴油機典型加速工況：沿外特性加速工況進行了仿真，仿真得到了缸內參數隨曲軸轉角的變化曲線。

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，缸內最高壓力和平均有效壓力的變化。可以看出，在整個加速過程中，缸內最高爆發壓力比相應穩定工況低，波動范圍比相應穩定工況大，在開始階段出現急劇下降，說明在加速起始階段，燃油供應量增加，但進氣量卻沒能迅速增加，致使缸內混合氣過濃，燃燒不完全，導致燃燒放熱率降低，壓力下降。在沿外特性加速工況下，當供油提前角為12°CA時，最高爆發壓力和平均有效壓力比18°CA時有顯著提高，這表明在供油拉桿位置不變時，合理選擇供油提前角對柴油機性能有很大的提高。

下圖是在外特性加速工況中，當轉速為1900r/min、角加速度分別為5rad/s2和95rad/s2時的示功圖、燃燒放熱率和累計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燃燒放熱率明顯降低，累計放熱量和缸內壓力也明顯下降，這表明曲軸轉速的變化強烈影響了缸內混合氣的形成和充氣，轉速的急劇變化使混合氣形成質量下降，從而導致燃燒惡化。

三、結束語

利用建立的大功率渦輪增壓柴油機的動態仿真模型，針對發動機的加速工況對發動機動態響應進行模擬研究，得到了以下結論：

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

2.角加速度強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燃燒惡化，從而導致放熱率下降，缸內壓力降低。

參考文獻：

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