基于Simulink柴油機工作過程的仿真分析

朱萬炫

[摘? ? ? ? ? ?要]? ?根據柴油機氣缸內工作介質在各階段的氣體狀態給出了柴油機工作過程的數學模型，并據此利用Matlab / Simulink工具搭建了柴油機工作過程各階段相應的仿真模型，針對所建立的仿真模型進行了仿真分析，得出了柴油機單缸工作過程的扭矩輸出特性及示功圖。

[關? ? 鍵? ?詞]? 柴油機;數學模型;仿真模型

[中圖分類號]? TK421 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）36-0120-02

柴油機的熱機效率主要取決于缸內介質的工作過程[1]，故針對柴油機的工作過程進行相應的仿真工作對優化內燃機的參數設計、減少研發費用、縮短產品開發周期等都具有非常重要的意義[2]。作者在文獻中較為詳盡地闡述了柴油機缸內工作過程中各階段介質狀態的微分方程，并基于Simulink工具建立起相應過程的仿真模型，進行了仿真分析。

一、柴油機數學模型

根據零維假設[3]，可以用三個基本參數（P、T、m）來表征缸內的氣體狀態，并用理想氣體狀態方程和缸內介質在各階段能量及質量均守恒的條件就可以將柴油機整個工作過程聯系起來。

其中，能量守恒方程為：

=（+hS-he--p-u-m）

質量守恒方程為：

=-+

氣體狀態方程為：pV=mRT

根據氣體狀態的變化情況，柴油機的工作循環可以分為壓縮階段、燃燒階段、膨脹階段、純排氣階段、氣門重疊階段和純進氣階段六個階段。

1.壓縮階段

柴油機的壓縮階段為關閉進氣門至氣體開始顯著燃燒。這一時段缸內工作介質的質量保持不變，其能量方程可以簡化為：

=（--p）

2.燃燒階段

柴油機的燃燒階段為混合氣體開始燃燒時刻起直至燃燒結束。這一階段中，進氣門和排氣門始終處于關閉狀態，根據當量燃燒規律[4]，此階段缸內某瞬時時刻的燃料量為：

mB=+mB r

利用瞬時過量空氣系數？琢？漬來表征這種燃料量變化，燃燒階段的能量方程為：

=（--p-u-m）

3.膨脹階段

此階段中活塞由于氣體膨脹而產生運動，缸內工質的總質量仍然保持不變，總質量增加了單循環供油量的大小mBS，即：

m=mL+mB r+mB S

能量方程與壓縮階段的能量方程一致。

4.純排氣階段

柴油機的純排氣階段為排氣閥開啟時刻起至打開進氣門這一時段，由于此階段缸內既無氣體產生燃燒，也無新鮮空氣進入氣缸，只有一定量的廢氣排出，可以認為缸內氣體的成分保持不變[5]。所以此過程中的質量守恒和能量方程分別為：

=-? =（-he--p-u）

5.氣門重疊階段

在氣門重疊階段內無燃油噴入，但是既有新鮮空氣進入氣缸，同時又存在廢氣被排到缸外，所以此階段質量守恒方程為：

=-

此過程中，由于混合氣體成分并未發生改變，因此排出的燃料質量與排出廢氣的總質量成正比。其比例為缸內燃料質量與工質總質量的瞬時比值，故此階段能量方程為：

=（hS-he--p-u-m）

6.純進氣階段

柴油機的純進氣階段為排氣門關閉至進氣門打開時段，此過程中無燃料的排出，但存在新鮮空氣進入缸內，所以純進氣階段的質量方程和能量方程分別為：

= =（hS--p-u-m）

根據上述分析分階段進行聯立求解即可得到氣缸內的氣體瞬時狀態參數。

二、柴油機工作過程仿真分析

柴油機仿真模型的主要結構參數如下表所示。

柴油機模型參數

柴油機氣缸的熱力過程有六個工作階段，本文據此建立了相應的六個子模型，分別為compression子模型、combustion子模型、expend子模型、exhaust子模型、overlap子模型以及intake子模型，各個子模型之間通過工質質量、工質溫度、質壓力和瞬時過量空氣系數有機聯系在一起，組成了整個柴油機工作過程的仿真模型。其仿真模型如圖1所示。

為了驗證模型的有效性，進行了仿真測試，某一供油量下柴油機一個循環周期內的氣缸壓力變化情況及對應的示功圖如圖2所示。

利用單缸計算得到的數據，根據各缸發火順序分別后移一定的角度進行疊加，由此得到整機工作狀態的數據，據此得到六缸柴油機扭矩計算仿真模型，得到某一供油量下柴油機整機輸出扭矩如圖3所示。

三、結論

本文針對柴油缸內的工作過程及相應的邊界條件進行了比較詳盡的分析并建立了相應的仿真模型，通過仿真結果可以看出，所建立的模型能較好地模擬柴油機缸內工作過程所產生的瞬時扭矩，從而為柴油機性能參數的優化、輸出扭矩的控制等提供一定的參考依據。

參考文獻：

[1]劉孟祥，劉湘玲，陳健彬，等.運用Simulink實現柴油機工作過程仿真的方法研究[J].廣西輕工業，2010，6（139）：34-35.

[2]樊艮，王劍平，曹誠，等.柴油機曲軸瞬時扭矩的仿真計算與試驗驗證[J].大連海事大學學報，2010，36（4）：141-145.

[3]王紀元.柴油機工作過程的Simulink建模仿真研究[D].大連：大連理工大學，2007.

[4]蕭穎，潘大德.柴油機數學模型的模擬和仿真[J].內燃機車，2011（3）：12-15.

[5]王海燕，張鈞東，任光.大型船用柴油機建模與動態仿真[J].系統仿真學報，2006，18（9）：263-264.

◎編輯 馬燕萍