基于AMESim柴油機油耗測量系統的仿真與優化

苗 會，張 翼，張探軍，賴 菲

（1.中北大學機械與動力工程學院，山西 太原 030051；2.中國北方發動機研究所，山西 大同 037036）

基于AMESim柴油機油耗測量系統的仿真與優化

苗 會1，張 翼1，張探軍2，賴 菲1

（1.中北大學機械與動力工程學院，山西 太原 030051；2.中國北方發動機研究所，山西 大同 037036）

針對柴油機油耗測量系統，采用AMESim軟件對系統進行建模與仿真，通過軟件的批處理功能得到熱交換器各參數對系統出口溫度影響的變化曲線，分析發現：提高換熱器的換熱效率、減少換熱液體體積以及縮小換熱器出口與發動機進口溫度差有利于提高系統靈敏性，但系統的穩定性表現較差，對此，提出系統的優化方案。優化仿真結果表明：油氣分離器安裝在回油支路回油壓力調壓閥之后，系統的穩定性得到了明顯改善，為系統的設計與進一步優化提供參考。

柴油機；油耗測量系統；AMESim軟件；仿真分析；系統優化

0 引 言

燃油消耗率是評價發動機性能的重要指標，其測量精度會直接影響發動機的性能設計指標[1-4]。國內外針對油耗測量系統進行了大量的研究，并已推出多款產品。其中，奧地利AVL公司KAMA4000型油耗儀考慮到了燃油溫度控制、壓力平衡和連續測量等狀態參數對油耗測量系統精度的影響[5]；德國Technogerma公司的COMET 1760型油耗儀內部通過采用多項溫度補償、脈動補償技術，測量精度很高。但國外的測量系統設計結構復雜、價格高昂，只適合于部分研究所或高校使用。國內油耗測量系統主要采用容積法[3，6]、重量法[7]和流量計法等[8]測量原理，系統結構簡單、成本較低；但其缺點是不能補償溫度、粘度及脈動等變化帶來的誤差，不能滿足油耗測試所需的精度，僅作為油耗趨勢性的測量；因此，為了設計高精度的燃油消耗測量系統，需要系統地研究測量精度的影響因素及方式，建立油耗測量系統的數學模型，分析各因素對系統的影響。實現系統燃油溫度的精確控制[9-11]，是設計高精度燃油消耗測量系統的重要手段。

本文利用AMESim軟件搭建了柴油機實驗室油耗測量系統方案的仿真模型，對熱交換部分的熱力學參數對系統出口溫度的影響進行了對比分析，并對原系統方案回油支路中的油氣分離器位置進行了優化。

1 系統的組成及原理

本文研究的柴油機實驗室油耗測量系統主要包括油耗測量、熱交換和回油3個部分。系統工作原理如圖1所示。

圖1 油耗測量系統工作原理圖

柴油機消耗的燃油通過油耗儀測量獲得，發動機進油口處的溫度傳感器和壓力傳感器所測溫度和壓力，作為混合調節閥調節熱水和冷水支路開度的校正因子，從而保證系統出口溫度在所需范圍之內。

從柴油機回油口返回的燃油通過壓力和溫度傳感器、調壓閥到達測量系統的主油路。主油路中的油氣分離器可以從燃油中分離氣泡并收集，當收集的氣體壓力達到一定值時通過電磁閥排出系統，從而減少氣泡對系統測量精度的影響。

2 油耗測量系統的建模與仿真

2.1 模型建立

根據系統工作原理，在AMESim軟件的熱液壓庫和信號庫中找到相應的元件符號，然后建立系統的仿真模型[12]，如圖2所示。

圖2 油耗測量系統模型圖

建模過程中，對系統的模型圖進行了簡化，具體的簡化內容有：1）混合調節閥用兩個節流閥相互配合來表示；2）省略系統中與電磁閥13并聯的球閥12支路；3）省略熱交換器冷熱水的進水支路和出水支路上的調壓閥22和26；4）省略將燃油系統的排氣支路。

2.2 參數設定

建模完成后，對系統模型的參數進行設置，其中測量系統中的介質為柴油，熱交換系統中的介質為水，環境溫度為25℃，其他具體參數如表1所示。

2.3 系統仿真與分析

系統仿真時，為了清晰顯示系統穩定后的狀態，仿真時間設定為200 s；考慮到系統可能會有振蕩，間隔時間設置為0.1 s，這樣能夠更加直觀地顯示曲線的振蕩情況。

表1 參數設置表1)

2.3.1 熱交換器的換熱效率對系統出口溫度的影響

熱交換器的材料不同，其換熱效率也不同。換熱效率分別為0.5、0.6和0.7時，對系統出口溫度的影響如圖3所示。

圖3 不同換熱效率對系統出口溫度的影響

從圖3可以看出，系統的出口溫度隨著熱交換器換熱效率的提高而提高，這是因為換熱器效率的提高使得系統中燃油與熱交換器的換熱量增加，而散失到空氣中的熱量減少。換熱效率為0.7時，曲線斜率比效率為0.6和0.5時都要大，說明換熱效率越大系統的反應時間越短，靈敏性越好。圖3中A處，換熱效率為0.5時，系統出口溫度在0～2s內波動比效率為0.6、0.7時明顯，說明換熱效率越低越不利于系統出口溫度的穩定。所以在熱交換器的換熱面積、橫截面積以及熱交換器內液體的體積保持不變時，盡量選擇換熱效率高的熱交換器，不僅能提高其換熱效率，而且其靈敏性和穩定性也較好。

2.3.2 熱交換器內換熱液體體積對系統出口溫度的影響

圖4 不同換熱液體體積對系統出口溫度的影響

當熱交換的換熱效率和其出口起始溫度一定時，熱交換器內換熱液體體積對系統出口溫度影響的變化曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著換熱液體體積從0.5L增加至0.7L，系統出口溫度達到平衡的時間在逐漸變長，而且曲線開始時的波動也越大。燃油溫度一定，換熱液體體積越小，單位體積獲得的熱量越大，達到平衡的時間也就越短。因此系統工作時，在換熱器允許的情況下盡量減小換熱液體的體積，這樣不僅可以減弱系統燃油出口溫度的波動，而且可以縮短達到平衡所需的時間。

2.3.3 熱交換器出口起始溫度對系統出口溫度的影響

當熱交換的換熱效率和換熱液體體積一定時，熱交換器出口的起始溫度對系統出口溫度影響的變化曲線如圖5所示。

圖5 不同起始溫度對系統出口溫度的影響

由圖5可知，雖然熱交換器出口的起始溫度不同，但測量系統的出口溫度最終都趨近于同一個平衡值。而且熱交換器出口起始溫度越接近測量系統的出口溫度，變化曲線越平緩，達到平衡所需時間也越短。因為起始溫度與系統出口溫度越接近，燃油與熱交換系統換熱的時間越短。因此，油耗測量系統在多次測量時，各次所測燃油溫度的溫差盡量減小，這有利于縮短系統達到平衡的時間，提高系統的靈敏性。

3 油耗測量系統的優化分析

3.1 油耗測量系統的優化

由圖1可以看出，油氣分離器安裝在主油路的油耗儀后面，由于回油管路中燃油的氣泡比較多，帶有大量氣泡的燃油通過壓力傳感器32、溫度傳感器31及壓力調節閥30直接到達主油路，會影響油耗儀的測量精度，雖然主油路中安裝有油氣分離器，但是卻不能保證油耗儀不被干擾。因此，將圖1中油氣分離器安裝在回油支路的回油壓力調節閥后面，用來減少回油管路燃油中的氣泡。優化后的油耗測量系統工作原理如圖6所示。

圖6 優化后油耗測量系統工作原理圖

3.2 系統優化后的分析

系統優化后，熱交換器換熱效率、出口起始溫度和換熱液體體積對系統出口溫度影響曲線如圖7、圖8和圖9所示。與優化前的影響曲線對比，可以很明顯地看出，前10s內的曲線波動基本消失，系統的穩定性得到了明顯改善。

4 結束語

本文通過對柴油機實驗室油耗測量系統的仿真與優化得出：

圖7 優化后換熱效率對系統出口溫度影響

圖8 優化后換熱液體體積對系統出口溫度影響

圖9 優化后不同起始溫度對系統出口溫度的影響

1）基于AMESim建立的柴油機實驗室油耗測量系統的仿真模型，再現了系統各個組成部分，為系統整體或局部的研究提供了便利手段。

2）在油耗測量系統中，盡量選擇換熱效率高的熱交換器，不僅能提高熱交換器的換熱效率，而且可提高系統的靈敏性和穩定性；在耗油系統體積允許的情況下盡量減小換熱液體的體積，不僅可以減弱系統出口溫度的波動，而且可以縮短達到平衡所需的時間。

3）對油氣分離器位置進行優化，結果表明：優化方案是可行的，并可以提高系統的穩定性。

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Simulation and optimization of fuel measurement system for laboratory diesel engines based on AMESim

MIAO Hui1，ZHANG Yi1，ZHANG Tan-jun2，LAI Fei1
（1.School of Mechanical and Power Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.China North Engine Research Institute，Datong 037036，China）

As to the fuel consumption measurement systems，AMESim software was used for system modeling and simulation analysis，acquiring changing curves of the outlet temperature of the measurement system influenced by parameters of the heat exchanger.Improving the efficiency of the heat exchanger，reducing the volume of the heat exchanger liquid and the temperature difference between the engine outlet and inlet were good for improving the sensitivity of the system through the analysis，but the stability performance of the system was poor.The optimization of this system was presented by these.The results show that the oil separator installed in the return line after the regulator conduct to the improvement of stability of the system，and provide us with the reference of the optimization and improvement for fuel consumption measurement system.

diesel engine；fuel consumption measurement system；AMESim software；simulation analysis；system optimization

TK422；U464.172；U467.4+98；TP391.97

：A

：1674-5124（2014)06-0113-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.029

2014-01-23；

：2014-03-12

苗 會（1987-），男，山西長治市人，碩士研究生，專業方向為動力機械結構強度與動態設計。