柴油機用帶放氣閥增壓器建模仿真與優化分析

0 引言

柴油機，特別是滿足國六排放的柴油機對氣路的控制尤為重要，增壓器是影響柴油機性能的關鍵部件。增壓器的種類有可變截面增壓器和放氣閥增壓器，一般基于研發成本考慮，優先選擇放氣閥增壓器。在發動機性能開發過程中，增壓器選型是影響發動機性能的重要環節。因增壓器匹配選型需進行大量的增壓器匹配性能試驗。為減少一些不必要的增壓器性能試驗，本文通過建模對放氣閥增壓器仿真分析，根據仿真結果并進行性能優化。增壓器的系統建模仿真可以全面分析與評價增壓系統的特性，當外界環境條件變化或發動機工況等影響參數改變時，可以系統分析邊界條件變化對增壓器性能的影響，同樣也可以對增壓器本身結構參數進行仿真，進而為增壓器設計提供有價值的數據。電控開發，特別是控制模型開發和閉環測試都為增壓器系統模型的仿真提供了用武之地。本文提出一種基于Matlab/Simulink仿真平臺的建模方法，根據增壓器、放氣閥的結構參數及工程熱力學、力學等原理計算出增壓器的進氣壓比等數據，并對仿真模型與試驗結果進行對比分析，驗證仿真模型的準確性。經過系統優化，提出增壓器模型的改良方案。通過建立渦輪增壓系統熱力過程數學模型，運用計算機模擬與仿真方法，可加快開發進度，提高開發質量

。

1 增壓器物理建模

1.1 增壓器數學模型

等熵效率=等熵功耗/實際功耗等熵效率的物理意義是將氣體從壓力 p1 壓縮 到壓力 p2 理想的、無摩擦的、絕熱等熵過程所需要 的機械功(等熵壓縮功)與實際的、有摩擦的、絕熱熵 增過程所需要的機械功(消耗功)之比

。在壓縮機中，理想的等熵過程時不能實現的，但它可以作為一個比較標準，即如果實際過程愈接近等熵過程，熵增愈小，則說明壓縮機中的流動損失就愈小。a、壓氣機工作原理：壓氣機是用來提高進入發動機內的空氣壓力，供給發動機工作時所需要的壓縮空氣，也可以為座艙增壓、渦輪散熱和其他發動機的功能提供壓縮空氣。根據熱力學第二定律，壓氣機的等熵效率為

(1)

每年為政府提供一份區域非物質文化遺產保護和開發的研究報告。同時加強和地方文化、旅游、民族部門的聯系，開展橫向課題合作。與百色市及下屬各縣等合作建設系列非物質文化遺產研究基地，為區內外研究人員的田野調查和研究提供場所和方便，幫助各縣區開展非物質文化遺產的申報和保護、研發等工作。

(2)

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。

尹愛群的眼淚大顆大顆滾落，他急忙追到樓下，已不見人影。他忙撥打揚揚的電話，卻在屋里響了起來。他忘了，揚揚的電話也留下了。尹愛群的心里又感動又愧疚又悲傷。這么好的女孩，自己怎么能如此傷害呢？

式中，p

(kPa)和T

(K)分別是實驗時測得的大氣壓力和溫度， T

(K)和T

(K)分別為壓氣機進口滯止溫度和出口滯止溫度，P

02 ) (kPa)和 P

(kPa)分別為壓氣機進口滯止壓力和出口滯止壓力。

甜瓜(Cucumis melo.L)是上海市重要水果之一。近年來,工廠化育苗成為主要育苗形式之一,與傳統的育苗方式相比,工廠化育苗土地利用率高,用種量減少,育苗周期短,適于機械化操作,人為控制環境,不受外界條件干擾,病蟲害輕、省工省力,可規模生產,苗壯且成苗率高。甜瓜是喜溫作物,溫度對植物根系水分吸收以及體內水分轉移有著重要影響[1-3]。甜瓜生產過程中,夏季工廠化育苗常因溫度過高,導致幼苗下胚軸徒長,易形成高腳苗,影響穴盤苗質量[4],且嚴重影響花芽分化。低溫脅迫易造成幼苗生理傷害,影響正常生長發育。因而,溫度過高與過低是甜瓜種苗生產中面臨的突出問題。

b、渦輪機工作原理：

廢氣通過排氣歧管進入渦輪殼體推動渦輪旋轉，因為渦輪和葉輪共軸所以在另一側殼體內的葉輪也跟隨渦輪共同旋轉，葉輪壓縮空氣并將高密度的壓縮空氣送去入燃燒室內參與燃燒。

式中，T

(K)和 T

(K)分別為渦輪進口滯止溫度和出口滯止溫度，P

(kPa)和 P

(kPa)分別為渦輪進口滯止壓力和出口滯止壓力。η

為渦輪的最高效率，c

為恒壓比熱容。

渦輪機的等熵效率為：

(3)

內燃機的排氣速度較低，令渦輪進氣口處的滯止溫度壓力等于測量到的排氣溫度壓力，即T

=T

，p

=p

。由于渦輪的出口速度較小，可以近似認為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：

(4)

(5)

整個過程不從發動機取力，利用發動機工作產生的廢氣推動，幾乎不使發動機產生額外的負載。

c、增壓器轉軸原理：

增壓器轉子軸向力是指壓氣機葉輪和渦輪葉輪兩側的氣體壓力的代數和

。壓氣機葉輪和渦輪葉輪分別受到各自葉前和葉背的氣體壓力，壓氣機端受到的總軸向力為M

，渦輪端受到的總軸向力為M

。傳統理論計算方法是指：在滿足假設條件下，通過熱力學、動力學分析，結合一些經驗參數和經驗公式，計算出轉子軸向力的方法。較常采用的是文獻[7]所介紹的方法考慮渦輪機、壓氣機、增壓器轉軸摩擦扭矩，增壓器轉軸力矩方程為：

(6)

式6中，J為增壓器轉軸轉動慣量，ω為轉動角速度,M為扭矩，T表示渦輪機，C表示壓氣機。

根據轉子扭矩和功率關系N=Mω和ω=2πn，有：

(7)

轉軸的摩擦消耗與轉速的平方成正比。式中，N

為渦輪端功率，N

為壓氣機端功率， N

為摩擦功率。

1.2 廢氣旁通閥數學模型

將各部分封裝后調試，封裝后模型如圖6所示。

當下，百里香便打定主意，一定找機會勸鐵頭大哥迎娶琵琶仙，以成絕世良緣，便慨然道：“賢妹放心，這個媒人我做定了！”琵琶仙破泣為笑，欲演琵琶一曲，以謝義兄。百里香哪有閑心聽曲，便將川矢到香腸鋪子“拜師”之事細說一遍。琵琶仙也覺蹊蹺。百里香說：“我想今晚就把鋪子關了，回鄉下去，特來向你告別！”琵琶仙連說不妥。“川矢拜師，我看十有八九是裝裝樣子，收買人心，”琵琶仙分析說，“這時候你一走了之反而不好，不如假意周旋，也好為鐵頭大哥做個內應！”百里香一聽有理，當下便改變主意，返回鋪子。

(8)

對于自動調節過程，一般選用線性流量特性的調節閥，線性流量特性調節閥：

(9)

1.2.4 CCK-8檢測過表達miR-454-3p對SW480細胞增殖能力的影響 將經過轉染操作的兩組SW480細胞接種于96孔板中，置于37 ℃培養箱中培養1、2、3、4 d后，向每孔加入10 μL CCK-8溶液（上海東仁化學科技公司），注意避免產生氣泡，后置于37℃培養箱中孵育2 h后，用酶標儀測定450 nm處的吸光度，重復3次。分析兩組細胞的活力。

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，放氣閥的工作特性方程為：

放氣閥工作特性曲線如圖1所示。

1.3 增壓器物理建模

根據增壓器的數學模型用Matlab搭建物理模型，如圖2所示。

增壓器模型主要由壓氣機模型、增壓器轉軸模型、渦輪機模型等組成，其中壓氣機模型如圖3所示。

在電氣工程的節能設計中，應盡最大努力減少傳輸過程中的電能損失。通常的做法是選擇導電率低的材料。在設計過程中，如果當地經濟條件允許，選擇銅電纜進行電路設計是較好的方案。同時，在電路設計過程中，必須保持電路趨勢直線化，縮短電線長度。根據電線的加熱情況和電壓的損失，選擇電路中的電線是科學合理的技術路線[8]。

增壓器轉軸模型如圖5所示。

渦輪機的輸入主要有渦輪前排氣溫度、壓力，增壓器轉速，排氣質量流量，輸出主要有渦輪后的排氣壓力、溫度、渦輪扭矩及有效功。

壓氣機模型的輸入是增壓器轉速、進氣流量，環境溫度和壓力。主要輸出有增壓后進氣溫度、進氣壓力、壓氣機扭矩及機械功。渦輪機模型如圖4所示。

增壓器轉軸模型的輸入是渦輪、壓氣機的扭矩，轉軸的摩擦扭矩，輸出是增壓器轉軸轉速。

在對創業知識獲取的來源上，受訪者普遍認為學校授課構成創業知識的重要來源，此外電視中的創業實戰類節目、親身實踐以及媒體與社會宣傳、專業基礎知識、學校課外活動、家庭教育也成為學生獲取創業知識的主要來源。

廢氣旁通閥位于渦輪增壓器廢氣通道側面，從發動機過來的廢氣在這里有兩條路可以走，一條是去驅動渦輪，另一條是從廢氣旁通閥直接進入排氣管。渦輪增壓發動機廢氣旁通閥主要是控制增壓壓力的，因為隨著發動機轉速的提升，廢氣量越來越大，增壓器轉速越來越高，增壓壓力也隨之升高。但是增壓也要有個限度，超過發動機承受能力的話必然會導致發動機損壞，所以在增壓壓力達到最大承受能力時就需要打開廢氣旁通閥，讓一部分廢氣從旁通閥直接進入排氣管，以此控制增壓壓力，防止損壞發動機。

而夏天，聽著外面猛烈的雨聲，心里漸漸感覺到了局促，什么時候才可以走呢？外面有沒有公交車？即使有公交車，這個遙遠而陌生的地方，他能夠順利地回去嗎？曉曉是他心目中的女神，這是他和她單獨相處的第一個晚上，他不能冒犯她，他不能唐突她，如果不走，他可以做到嗎？

1.4 放氣閥物理建模

放氣閥的物理建模如圖7所示。

放氣閥模型的輸入是放氣閥開度，參數主要有放氣閥理論可調比、放氣閥最大流量等，輸出是放氣閥流量。

所謂科學素養，指的是具備基本的科學知識、運用科學方法的能力、掌握科學思維和科學思想，以及運用科學技術處理社會事務、參與公共事務的能力。按照國際標準，衡量一個國家是否進入創新型國家行列，這個數字非常重要。可以說，8.47%反映了我國公民對科學的理解、對科學技術的態度等內容的整體狀況。相較于2010年的3.27%、2015年的6.20%，這個數字在一定程度上表明，經過近些年的努力，我國公民的科學素質更高了。

2 增壓器仿真分析

依據增壓器廠商提供的某增壓器特性曲線及結構參數，進行某發動機增壓器性能仿真。

大數據時代，“知識服務”將成為高校圖書館的重要功能。秦曉珠等[20]提出了大數據知識服務使信息服務智能化。醫學圖書館在未來發展中，要面臨以復雜海量數據為對象、以深度數據挖掘為應用、以數據分析應用為目的的嚴峻挑戰[21]。醫學圖書館的服務途徑要轉變成管理知識和發現知識，要不斷學習數據挖掘分析和存儲的知識技能。構建數據倉庫，根據用戶的不同需求，積極幫助和協助用戶應用到科研或者是實驗中。

對某6缸發動機外特性點進行仿真分析，仿真與試驗得到的中冷前進氣壓力對比如圖8所示。仿真與試驗結果對比，可以看到，只要供應商或試驗提供的壓氣機性能曲線準確，則該模型對進氣壓力的仿真準確度很高，誤差在-2.2%～+2.5%，大部分數據誤差不超過±1.5%。

仿真與試驗得到的中冷前進氣溫度對比如圖9所示。中冷前進氣溫度仿真與試驗結果誤差相對較大，在增壓器較高轉速(90000轉以上)時誤差在-6.7%～+5.58%，不超過10℃。在增壓器較低轉速時誤差較大，特別是小于20000轉時會達到37%，仿真與試驗結果相差50℃左右。可以看到如果想得到更理想的進氣溫度仿真還需要對增壓器模型參數進行優化。

3 模型優化

如果將增壓器模型作為發動機模型的一部分進行聯合仿真，還需建立進氣中冷器模型，考慮中冷前后的溫差及壓降，如果發動機結構包含EGR、節流閥等復雜裝置則對該模型的準確度有更高要求，此模型可以更改為VGT模型，再增加對環境溫度、大氣壓力的影響，如模擬高原反應，同時對發動機缸內做功模型進行合理優化，整套模型可以對發動機極限環境的運行工況性能進行準確仿真分析。

4 結語

本文通過建立柴油機用帶放氣閥增壓器數學模型，在Matlab/Simulink仿真平臺上對某增壓器壓氣機模型、渦輪機模型、增壓器轉軸模型、放氣閥模型進行建模仿真，通過仿真并與實驗結果進行對比分析，發動機外特性點進氣壓力與進氣溫度誤差較小，能夠替代部分非必要的增壓器性能臺架試驗，能夠大大縮減開發周期，提高開發質量，降低開發成本。

[1]劉孟祥.《車用柴油機廢氣渦輪增壓器熱力過程數學建模》[J]. 邵陽學院學報(自然科學版). 2010,7(02)：40-42.

[2]強艷等.《壓氣機效率計算方法的探討》[J].燃氣渦輪試驗與研究. 2019,32(06) ：26-30.

[3]楊世銘等.《傳熱學》[M].高等教育出版社，1998.

[4]華自強等.《工程熱力學》[M].高等教育出版社，2009.

[5]顧宏中.《渦輪增壓柴油機熱力學過程模擬計算》[M].北京.機械工業出版社，1992.232.

[6]王云龍等.車用渦輪增壓器轉子軸向力數值計算與分析[J].機械設計與制造. 2014,(03)：37-40.

[7]Han GU K-CHAN，Na SUCK-Joo. A study on torch path planning in laser cutting processes part：Cutting path optimization using simulated annealing[J] .Journal of Manufacturing Process，1999(1)：62-70.