柴油天然氣雙燃料發動機氣缸系統建模及仿真研究

0 引言

長久以來我國能源形勢都十分嚴峻，能源安全問題備受國家高度重視。自上世紀70年代以來，歷史上曾經出現過三次嚴重的能源危機，每一次危機的出現，都激發著人們對替代燃料研究的熱情

。近期，隨著國際局勢的不安穩，國際原油、煤炭等能源價格大幅上漲，是否即將迎來新一輪的能源危機？

柴油作為傳統發動機的主要能源之一，成本高且污染大，為降低對其的依賴，主要采用混合柴油和雙燃料技術。天然氣因其安全性高、價格低、熱值高、污染小等優點，已成為發動機雙燃料技術的重要發展方向，許多公司正在加速對柴油/天然氣雙燃料發動機在鉆井、發電及船舶運輸等領域的投資。目前柴油/天然氣雙燃料發動機主要采用高壓直噴壓燃式和進氣道預混噴射兩種技術路線

。針對雙燃料發動機的仿真模型，國內外學者面對不同情況、研究不同方法，均建立了優秀的模型，具體可包括為CFD模型、均值模型、容積法模型、多項式插值模型和基于混合理論模型或模塊化建模理論的模型等

。

本文基于Matlab/Simulink軟件，借鑒以往經驗，采用模塊化建模理念，利用容積法，搭建完成柴油/天然氣雙燃料發動機氣缸系統仿真模型，可為雙燃料發動機的理論研究、虛擬標定、控制系統開發、控制策略和算法的研究等，提供幫助。

1 工作介質特性參數計算

1.1 瞬時過量空氣系數

發動機氣缸系統內工質的成分在不同工作過程內是不斷變化的，工質的成分變化可以用瞬時過量空氣系數α

來表示。

(1)

式中，

為系統實際空氣質量；

和

為瞬時系統內的燃油及燃氣質量；

和

為燃料燃燒百分數；

0

和

0

為燃料理論燃燒空氣量。

1.2 氣體常數

根據式14和式15可計算出氣缸工作容積及周壁傳熱，利用式16可計算出氣缸工質溫度變化率并對其積分后即得氣缸內工質溫度。

(2)

目前計算發動機氣缸壁面傳熱系數時，多采用沃希尼計算公式，沃希尼公式的本質是數據擬合，基礎數據主要來自柴油機，具有擴散燃燒的特點，雙燃料屬于柴油多點著火，引燃天然氣后形成較為均值的火焰傳播，整體火焰溫度比純柴油模式要低，接近均值壓燃著火過程(HCCI)，需對沃希尼公式計算結果進行修正。

1.3 瞬時絕熱指數與瞬時比定壓熱容

瞬時絕熱指數可用式3表示，同時求得氣體常數和絕熱指數之后，根據工程熱力學定義可得比定壓熱容，至此氣缸內工作介質特性參數可全部求得。

k

=1.4373-1.318×10

T+3.12×10

T

-4.8×10

/α

(3)

(4)

(5)

2 基本微分方程

圖3為應用式13搭建的燃燒放熱率仿真模型，可通過調節燃燒天然氣的質量來完成雙燃料發動機在三種不同運行模式之間的切換。

2.1 氣體狀態方程

因雙燃料發動機氣缸內的工質復雜，為利于計算，將工質假設為理想氣體，并且忽略氣缸內液態柴油的質量。

=

(6)

2.2 質量守恒方程

不確定型決策根據決策環境和決策者的需要不同，所依據的標準也不盡相同。一般有樂觀、悲觀、折衷主義準則等[12]。遵循悲觀準則，到達正理想點的距離最遠的加權偏差之和，構造求取權重指標的優化數學模型為：

(7)

(8)

式中，

為發動機曲軸轉角；

為進入系統內的空氣質量；

為流出系統內的氣體質量；

為系統內已燃燒的柴油質量；

為系統內已燃燒的天然氣質量。

2.3 能量守恒方程

發動機氣缸系統遵守熱力學第一定律，依據熱力學第一定律，氣缸系統工質能量守恒方程如式9所示。

柴油/天然氣雙燃料發動機一般具有三種運行模式：純柴油運行模式、最大燃氣運行模式和雙燃料運行模式

。在純柴油運行模式下，氣缸工質質量變化如式7表示；在最大燃氣模式和雙燃料模式下運行時，質量變化如式8表示，通過對其積分可求得氣缸內工質質量。

(9)

式中，

為工質內能變化量；

為進入系統內的空氣焓值；

為流出系統內的氣體焓值；

為系統內已燃燒的柴油燃料低溫熱值；

為系統內已燃燒的天然氣燃料低溫熱值。

式中，

、

、

為燃燒品質指數；

、

為燃料分數；

、

、

為預混合燃燒、擴散燃燒和天然氣燃燒的持續期；

、

、

為預混合燃燒、擴散燃燒和天然氣燃燒的起始角。

2.4 燃燒放熱率計算

發動機的燃燒過程十分復雜，若用數學方程式來準確的描繪較為困難。當前主要通過分析實測示功圖、分析噴油規律、建立零、準及多維燃燒模型來對燃燒放熱率進行計算

。韋博(Vibe)公式是國內外用于燃燒放熱率計算的半經驗公式中適用性較高的

。本文采用三韋博公式，可更快捷、精確的完成對雙燃料發動機氣缸燃燒過程的模擬，此時不考慮流體的湍流運到、燃油燃氣的霧化程度。

10)

(11)

(12)

(13)

該品種春季幼葉黃綠色，夏季成熟葉片深綠色，橢圓形，葉面革質有光澤。樹姿開張，枝條節間短，無針刺。幼樹生長勢較強，喜肥，干性強，枝條直立生長，進入結果期后，骨干枝自然開張，樹勢中庸。豐產期畝產可達4 200 kg。

三韋博公式方法可以很好的仿真計算雙燃料的燃燒過程，但涉及到的參數較多，計算過程較復雜，當雙燃料中某種一種燃料占比為絕度量時，可以考慮這種燃料對應的韋博曲線來模擬整個燃燒過程，此時認為占比絕對小的燃料按照主燃料的反應規律進行燃燒，如微噴引燃發動機，柴油占比較小，可以使用單韋博天然氣燃燒的計算公式來模擬雙燃料燃燒的放熱規律，反之，如果柴油占比絕對多，可以使用柴油燃燒的雙韋博計算公式來模擬雙燃料的燃燒過程，使整個仿真工作實施起來更簡單方便。

2.5 氣缸工作容積及周壁傳熱

式中，

和

為氣體壓力、溫度；

=0

35-0

05

0765

；

=11

1+14

3

051

；

=0

252+0

102

0401

；

=(

-1)

(0

0698+

)。

理想氣體常數與溫度、壓力無關，但氣缸處于燃燒和膨脹過程中，工質壓力過高，理想氣體假設不成立，根據查哈里亞斯等人的研究

,氣體常數可用式2表示。

(14)

(15)

(16)

3 建模與仿真分析

3.1 Simulink仿真模型搭建

柴油/天然氣雙燃料發動機氣缸系統仿真模型，基于Simulink建模工具，應用上述公式及模塊化建模的方式，將氣缸系統劃分為六大模塊：熱力學參數計算模塊、各缸瞬時容積計算模塊、各缸周壁傳熱計算模塊、各缸內部壓力及溫度計算模塊、各缸內部質量計算模塊、各缸燃燒放熱率計算模塊。熱力學參數仿真模型、氣缸壓力及溫度仿真模型和燃燒放熱率仿真模型，分別如圖1～圖3所示。

取發動機氣缸壁、氣缸蓋和氣缸活塞為邊界，將氣缸作為熱力系統，假設缸內工質為理想氣體且狀態均勻，忽略工質進出時的動能，則氣缸內工質狀態可用基本狀態參數P、T及m表示

。使用氣缸基本微分方程可將整個發動機氣缸的工作過程串聯起來。

證法4 (構造矩形，巧用三角形中位線法)如圖6，作B′M⊥AB，垂足為M，連接CM、BB′，設BB′交DE于點P，則四邊形CBMB′、OAMB′均為矩形，P是BB′的中點．因而BB′、CM互相平分，OB′=AM．進而P是CM的中點．

3.2 HIL仿真平臺搭建

硬件在環測試平臺(hard in the loop)，簡稱HIL，用于電控系統的控制器在環測試，HIL測試平臺主要由實時仿真機、IO板卡、故障注入單元、電源、負載箱等組成，其中實時仿真機中運行著被控對象物理模型，來仿真模擬被控對象的運行狀態。本次試驗過程使用的是dSPACE HIL，德國dSPACE生產的12U標準機柜，采用DS2680組合式IO板卡，具有很高的緊湊型，IO通道資源較多，功能分配均勻，能夠滿足汽車級多種電控系統的HIL測試，整體HIL結構如圖4所示：

質量管理主要由質量管理部門及生產車間聯合管理，質量管理部門側重制絲、卷包質量的綜合管理與控制，以抽檢、理化檢驗及車間數采報告為主要檢驗方式；車間質量管理主要由工藝質量員進行，側重本車間過程質量檢驗，同時配合質量管理部門完成計量儀器校準及質量采集數據上報等任務。

HIL的上位機電腦通過軟件ControlDesk對整個HIL仿真過程進行控制，包括發動機的各傳感器、開關、執行器的狀態控制等，能夠像真實發動機或船舶/汽車一樣進行人工或自動化操作，本次試驗使用的上位機軟件界面如圖5所示，為了加快試驗效率，保證多次試驗的高度重復性，采用自動化控制，自動化軟件使用ECU-TEST，是一款通用的HIL 自動化測試軟件，能夠兼容dSPACE、NI、ETAS等多種HIL測試平臺，測試用例編寫基于圖形化控件完成，如圖6，常規測試無需借助Python、C等編程語言輔助。

麥肯錫全球研究所給出“大數據”的定義是：一種規模大到在獲取、存儲、管理、分析方面大大超出了傳統數據庫軟件工具能力范圍的數據集合，具有量大、類型多、價值高、處理速度快四大特征。通俗的講，大數據指的就是對大量的、不同類型的數據信息進行的集合，這種數據信息可以是數字，也可以是文字資料，比如，某個客戶的具體信息，包括姓名、性別、聯系方式、看好等。大數據的收集能為企業帶來精確的市場預測，使企業的發展戰略更加精準。那么，為了順應時代發展趨勢，讓成本數據更好地為企業管理決策服務，就需要發揮大數據的優勢。

普查是一項龐大的工程，其績效水平評價是一個十分復雜的問題，建立一個科學而可操作的評價方法與模型具有明確的物理意義和重要的現實意義。從利益相關者的角度切入分析，基于業績三棱柱理論結合普查特點，設置普查績效的五維度評價，構建多指標可拓綜合評價模型，將普查績效評價定量化，實例表明評價結果能夠較為直觀明確地反映普查工作的綜合質量水平可以消除現有評價工作的模糊性和主觀性，直觀地體現普查工作全程的優缺點，能夠為普查工作的經驗總結與制度完善發展指出較明確的方向。

3.3 發動機臺架搭建

搭建某型雙燃料發動機臺架并進行試驗，是一款柴油引燃天然氣進氣管噴射的雙燃料發動機，具備柴油機的高壓縮比，高熱效率的特點。與原型柴油機相比改造較小，對燃氣成分要求不高，微粒和NOx排放都要優于原柴油機，可以實現純柴油模式與雙燃料模式的一鍵切換。

本次試驗使用AVL的燃燒分析儀進行數據采集和分析，能夠分析氣缸壓力、放熱過程、爆震系數、角域和時域數據記錄以及燃燒噪聲分析等。

選擇耐高溫抗病品種，搞品種搭配種植和套種，降低生產風險。栽種前要查看本地區常年最高溫時段發生的時間，通過提前計劃，調整播種期讓抽雄吐絲期錯開高溫天氣。

本文以問卷調查數據為基礎，實證分析了農戶對保費補貼政策的認知度和鄰里效應對農戶參保決策的影響，結果表明：農戶對保費補貼政策的認知度和鄰里效應對農戶參保決策均有顯著的影響；農戶對保費補貼政策的認知度越高，農戶參保的意愿就越強烈；鄰里參保的農戶更愿意參保。此外，農戶對種植業保險的重要性評價也是影響農戶參保決策的重要因素之一。在實證分析的基礎上，本文提出以下建議。

3.4 仿真結果及對比分析

分別在HIL測試平臺和發動機臺架上進行試驗，對燃燒放熱數據進行采集，圖7為柴油/天然氣雙燃料發動機氣缸系統的仿真燃燒放熱率曲線圖，從圖7可以看出，柴油引燃天然氣后會迅速發放熱量，同時可以看出雙燃料燃燒模式的燃燒放熱率曲線與單燃料燃燒模式的燃燒放熱率曲線相比多一個峰值，其中第一次為柴油引燃天然氣時放出的熱量，第二次為天然氣進行燃燒時放出的熱量。

從圖8仿真與實驗曲線對比圖中可以看出，仿真模型數據偏差較小，在允許的誤差范圍之內，說明本文搭建的仿真模型具有一定的適用性與精確性。

4 結論

本文基于Matlab/Simulink建立柴油/天然氣雙燃料發動機氣缸系統仿真模型，采用三韋博函數可完成對雙燃料發動機氣缸系統及其在全柴油模式、雙燃料模式及最大燃氣模式下的模擬仿真研究，經過與實驗對比具有可行性，可將其應用于控制策略及算法研究、控制系統開發等工作之中。

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