基于Simulink的氣體機建模與仿真研究

0 引言

自內燃機問世以來，便在交通運輸和機械工程方面扮演著重要角色，但在石油資源消耗嚴重和大氣環境不斷被污染的今天，氣體機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

。伴隨著排放法規的越來越嚴格，我們有必要對氣體機進行更深入的探究，通過對氣體機進行仿真建模計算，預測氣體機性能，從而能夠提高燃燒效率，降低排放，實現節能減排的目標。

1 模型劃分

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

等，如圖1所示。

2 氣體機數學模型

2.1 進、排歧管模型

采用容積法

對進排氣歧管模型進行搭建，用準穩定流動過程來替代實際進排氣歧管管內的不穩定流動過程來進行簡化的計算，只考慮狀態參數隨時間的變化。

由于含有EGR系統，我們需要在進、排氣歧管中分別算出空氣，燃氣，廢氣的比例。對于進氣歧管流出中空氣，燃氣，廢氣的比例在進氣歧管中根據進氣歧管中的混合氣比例進行計算，對于流入排氣歧管的混合氣中空氣，燃氣，廢氣的比例根據氣缸中混合氣比例進行計算。

在仿真計算中，進排氣歧管的狀態方程為

隨著旅游信息化的持續發展，以及互聯網時代背景下，旅游行業市場對新媒體營銷、智慧旅游景點管理以及旅游個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計劃中，在這些方面的人才需求分析明顯不足，所以，在旅游新常態背景下，高職院校一定要根據旅游行業的具體發展需要來調整人才培養計劃，以充分滿足新形勢下旅游行業的實際需求。

=

3）課堂觀察：課堂觀察的實施者，既可以研究者也可以是本人。課堂觀察是可以幫助教師發現教學中的問題、分析問題和解決問題的有效方式，促進新教師發展的主要方式。針對別人對自己的課堂觀察、自己的課堂錄音或錄像，再分析觀摩，進行在此反思，以提高教學效果和自身專業發展有積極意義。

為燃氣或冷卻液質量流

“兩票制”的執行，使藥品的供應鏈更為簡化，以往常見的底價代理、層層加價分銷的模式逐漸退出供應鏈主流，而藥品出廠價接近中標價格的高開自營和高開代理模式將占居市場的主導地位，個別專營或兼營“過票”的藥品批發企業，喪失了原有的商業價值。同時，“兩票制”與“營改增”和藥監部門“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”企業必將被市場淘汰[3，4]。

受里奇理論的啟示，如果我們把量子力學的態迭加、坍縮現象引入攝影理論觀測，那么可以比較容易發現和理解當代數碼攝影的量子—數碼世界觀轉向。令人驚奇的是，后現代理論家們如羅蘭·巴特、雅克·德里達、讓·鮑德里亞等卓越學者，早就站在新世界觀（量子—數碼世界觀）的高點前瞻攝影的發展，牛頓式—傳統攝影理論已經悄然向量子—數碼世界觀轉換。這也是數碼時代攝影實踐轉向的理論凝結。

2.2 節氣門與EGR閥門模型

為同時考慮模型的實時性與準確性，對于節氣門與EGR閥門模型，采用以下公式進行建模：

質量守恒方程為

2.3 中冷器與EGR冷卻器模型

對于冷卻模型，輸入量為進氣溫度與冷卻液溫度，采用以下冷卻公式：

=

-

(

-

)

其中，

，

為出口溫度與進口溫度，

為冷卻液溫度，

為冷卻效率，且其與發動機轉速與有效扭矩有關。

2.4 渦輪增壓器模型

壓氣機的工作過程

比如,“石榴裙”本為“服飾”類,由于調整其使用范圍,而增加相應的成分,便可以直接聯系到其領有者或者使用者這樣的主體對象,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+領有者/可以穿著的人]。

根據熱力學第二定律，壓氣機的等熵效率為①②

如果孕婦沒有深海魚的足量攝取或額外補充DHA，在此前提下不建議選用單不飽和脂肪酸，而應該選用多不飽和脂肪酸以利于DHA的合成。因為人體需要的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，在烹調油中大豆油和菜籽油相對比較高，所以建議孕婦可多選用大豆油或菜籽油烹飪。

壓氣機的通用特性曲線一般用到的流量和轉速都是折合后的。

式中，p

(

)和T

(

)分別是實驗時測得的大氣壓力和溫度。

渦輪機工作原理

渦輪機的等熵效率為

內燃機的排氣速度較低，可令渦輪進氣口處的滯止溫度壓力等于測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，可以近似地認為p

等于大氣壓力p

，忽略通道內氣體傳熱，則渦輪機發出的功率為

考慮渦輪、壓氣機、增壓器轉軸摩擦扭矩，增壓器轉軸力矩方程。

式中η

為渦輪的最高效率。

增壓器轉軸原理

J為增壓器轉軸轉動慣量，根據轉子扭矩和功率關系n=Mω和ω=2πn，有

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

轉軸的摩擦消耗與轉速的平方成正比。

增壓器廢氣旁通閥的數學模型：

假設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，流動方式不變，調節閥的工作特性方程為：

那天晚上我啃了四個豬蹄，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。我走進她的臥室，打開抽屜，翻出護手霜，卻忽然注意到旁邊放著的一個舊手機。看上去有點眼熟。

對于自動調節過程，一般選用對數和線性流量特性的調節閥，線性流量特性調節閥

K

=e

對數流量特性調節閥

2.5 氣缸模型

對于氣缸模型，以能量守恒方程，狀態方程和質量守恒方程為基礎，建立熱力學參數模塊，各缸瞬時容積模塊，各缸周壁傳熱模塊，燃燒放熱率模塊，缸蓋上的進排氣閥模塊，缸溫缸壓模塊，燃燒放熱率模塊與單缸指示扭矩模塊進行建模

。其中，周壁傳熱模型采用1970年的Woschni經驗公式，燃燒模型選用單Weibo經驗公式。

Woschni經驗公式：

=

-0214

(

)

0786

053

其中，

瞬時平均換熱系數，

缸徑，

缸內工質的溫度壓力，

行程，

修正系數。

2.6 供氣模型

用伯努利方程對噴氣閥進行簡化計算，公式如下

其中，

為噴氣閥的質量流量，

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。

筆者認為，根據《機械設計》課程在人才培養體系中的地位，針對上述問題，應建立一套比較完善的課程教學質量標準，并將其貫穿于課程的整個教學過程中.

2.7 熱交換器模型

燃氣流量

，水流量

已知，已知燃氣、水的入口溫度，則能計算出燃氣的出口溫度，再根據傳熱量公式

=

Δ

計算出水的溫差，計算出冷卻水的出口溫度。

對于熱交換器其結構屬于板式換熱器，流動方式為逆流。根據換熱器計算的效能-傳熱單元數法，可知逆流換熱器的效能

換熱氣的效能，表示換熱器的實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

(

)

=

(

)

=

根據熱交換的工作過程如圖2所示，當CNG減壓閥打開后燃氣進入熱交換器，發動機運行工況下燃氣噴射閥打開，此時燃氣是動態流動過程，如果噴射閥關閉，燃氣將在熱交換器內滯留，此時可看做穩態加熱過程，需考慮熱交換器對環境的散熱或吸熱過程。

3 氣體機物理模型搭建及運行

3.1 物理模型搭建

對于氣體機物理模型的搭建，在對各模塊進行劃分時必須保證模型的完整性，不能缺少重要部件，各個子模塊務必要以真實發動機為基礎，且各模塊與上文中數學模型一一對應，建立完整的子系統，然后進行封裝調試，構成完整精確的氣體機模型。

氣體機的氣路模型如圖3所示，包含進氣管、中冷器、節氣門、增壓器、EGR閥、EGR中冷器、進氣歧管以及排氣歧管等。

氣缸模型如圖4所示，能夠通過參數的設定靈活的增加氣缸數目，進行16缸機的閉環調試，并可以快捷的改成4缸、8缸、12缸或者24缸。可以模擬失火現象，單缸失火，或者多缸失火。模擬點火提前角、點火能量對燃燒輸出扭矩、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，對氣罐氣體容積，氣罐出口氣體壓力、溫度能準確模擬。減壓器模型能模擬天然氣減壓過程，對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部的燃氣壓力、溫度。噴射閥模型支持兩種模型，一種是蝶閥、類似節氣門，一種是類似噴油器的電磁噴射閥，安裝在氣軌上，噴射閥模型能夠準確模擬噴射流量。燃料屬于進氣總管給氣。

通過當前表格可以看出，護理前兩組的疼痛評分比較，差異無統計學意義（P＞0.05）。護理后，兩組的疼痛評分均有改善，且研究組優于對照組，差異有統計學意義（P＜0.05）。說明在骨科護理中應用無痛護理，有利于降低患者的疼痛感受。見表1。

交換器是氣體機通發動機過冷卻水來加熱經減壓器減壓之后的燃氣的部件，類似散熱器，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的氣體濃度及轉化效率，對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，能模擬催化器老化，高溫失活及硫中毒現象。能準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。對催化器載體、催化劑有設置參數。

3.2 物理模型運行

本文搭建的物理模型最終用于燃氣發動機電控系統開發，模型實時運行在硬件在環系統(hard in the loop)中，簡稱HIL，本次試驗使用基于dSPACE SCALEXIO系統的定制化HIL一臺，能夠對國六天然氣發動機ECU的全部針腳進行閉環測試，HIL架構如圖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（省會及發達非省會）市場將迎來發展期：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出爆發之勢。公開數據顯示，從一二三線城市的人口增量結構來看，一線和三線城市人口凈流入規模出現縮減，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帶來需求的增量，以及類一級市場的購買習慣，推動升級。

“點—軸”系統理論中的“點”，一般指的是具有增長潛力的主導產業集聚區或產業集聚城鎮，這些地區有較為優越的投資環境和投資回報率，能夠吸引周圍地區的資金、勞動力、技術等要素集聚，產生區域要素流動的極化過程。在本文中，體育小鎮空間布局中的“點”指的是特色體育產業集聚的城鎮。

dSPACE SCALEXIO系統是一個通用的硬件在環系統。它采用柔性硬件設計的思想，能夠提供大量的柔性通道，滿足從單個ECU到多個ECU的測試需求。所有的硬件配置均可通過軟件來實現，提高了系統配置的效率，并降低了系統維護的成本。因此，SCALEXIO系統能夠滿足不同測試領域、不同車型，不同控制器的測試應用，比如動力總成系統，底盤系統，車身電子，以及電驅動系統。

本次試驗，HIL模型分成兩種，燃燒相關的氣缸模型仿真步長0.1ms，其余為1ms，使用MATLAB的自動代碼生成工具RTW將上述模型轉化為實時代碼，下載至SCALEXIO系統的處理單元中，采用Intel XEON 處理器，運算主頻高達3.5GHz，擁有4GB DDR3 RAM內存，采用QNX實時操作系統。

4 模型驗證

為了驗證此模型與實際氣體機工作過程的吻合程度，首先在額定工況下用所建模型進行缸壓計算，將所得數據與缸壓臺架數據進行對比分析，如圖9；另外，分別在25%、50%、75%負載下用所建模型進行功率以及渦輪出口溫度計算，將所得數據與缸壓臺架數據進行對比分析，如圖10。

由下圖我們可以看出所建模型的輸出結果與臺架試驗數據十分吻合，模型精度可以滿足仿真要求。由下圖我們可以看到，此模型的仿真結果與臺架實測結果誤差不超過5%，模型能夠較好地模擬實際氣體機工作過程。

5 結言

本文基于MATLAB/Simulink仿真平臺，以某多點噴射氣體機為研究對象，搭建了完整的物理模型，經仿真結果和實驗結果對比，驗證了模型的準確性，后續可以利用此模型進行氣體機相關的性能計算，為整機性能優化提供指導幫助。

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