大功率柴油機非穩定工況的數學建模

【摘要】本文在對東方紅-160拖拉機所配備的柴油機非穩定工況充分分析的基礎上，將發動機分為氣缸、進排氣系統、渦輪增壓器、中冷器、調速器和噴油系統，建立了各部分的數學模型，在建模過程中引入有限狀態機理論，利用Matlab/Statelfow模塊，對缸內工作過程仿真模型的執行策略進行設計，為柴油機建模提供一種新思路。

【關鍵詞】柴油機 非穩態工況 數學建模

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）10-0129-02

一、引言

柴油機的工作過程是一個復雜的熱力學過程，根據建模的原理、復雜程度、應用范圍的不同，大致可以分成五類建模模型，它們是包括分段和分區線性化在內的線性化模型、準穩態非線性模型、容積法、壓力波模型和系統辨識模型。容積法就是將發動機分成一系列的熱力系統，通過管口或孔口聯系起來，并考慮能量和質量的交換。它多用于對柴油機排氣系統和氣缸的建模，將進、排氣管和氣缸視為熱力系統，通過傳熱、傳質或做功的方式彼此聯系。由于用容積法計算不穩定現象時，對發動機運轉條件沒有任何限制，而且它是在穩態工作過程模擬計算的基礎上增加動態項微分方程而形成的，所以它有適用于瞬態模型仿真的潛力。

本文將柴油機分成相互聯系的幾部分，分別建立了各自的數學模型。

二、數學模型的建模

柴油機瞬態特性又稱動態特性，是指柴油機在變速或變負荷情況下，即在過渡工況下的柴油機性能。

以單個氣缸作為一個熱力學系統，系統邊界由活塞頂、氣缸蓋及氣缸套諸壁面組成。為簡化計算，做如下假定：①汽缸內的狀態是均勻的，認為在進氣期間流入氣缸內的空氣與缸內殘余廢氣實現瞬時完全混合；②工質為理想氣體，其比熱、內能僅與溫度和氣體成分有關；③氣體流入或流出為準穩態流動；④進出口動能忽略不計。

（一）缸內工作過程的基本方程

以上各式中，W為系統對外作功；QB為燃料燃燒放出的熱量；Qw為通過氣缸諸壁面傳入或傳出的熱量；ms為流進氣缸的質量； me為流出氣缸的質量；hs為進氣門處工質的比焓；he為排氣門處工質的比焓；u為氣體的比內能；cv為等容比熱容； mB為噴入氣缸內的瞬時燃料質量。

（二）缸內工作過程的邊界條件

1.氣缸瞬時工作容積

2.燃燒、傳熱模型

燃燒過程十分復雜，很難使計算結果與實際值相符合，通常在下列兩方面逼近真實燃燒過程：①總放熱量相等；②過程中的平均指示壓力、指示燃油消耗率、最高燃燒壓力等指標基本相同。韋博代用放熱規律，是在均勻混合的情況下，從反應動力學推導出的半經驗公式，本仿真系統主要是為優化柴油機的動力性和經濟性，因此選用韋博代用放熱規律，累積放熱量和放熱規律為：

（三）缸內熱力過程的建模

由缸內工作過程的三個基本方程和邊界條件的數學模型可建立缸內熱力過程各階段的模型，在此不做詳細敘述。

（四）進、排氣系統的建模

在用容積法對進、排氣系統進行模擬計算時，我們要對系統做如下的簡化處理：①將進、排氣系統分別簡化成為一個容器，其容積相當于原來的系統容積。②將空氣濾清器、排氣消聲器，或廢氣渦輪增壓器、渦輪機分別簡化為節流閥。③忽略進、排氣系統中壓力波的傳播和反射現象，認為容器中的狀態參數是均勻的，只考慮狀態隨時間的變化。④將氣體在管系內的不穩定流動看成是一個簡單的準穩定的流入和排出過程。[1]

三、結束語

利用建立的大功率渦輪增壓柴油機的數學模型，為接下來的動態仿真模型的研究奠定了基礎。

參考文獻：

[1]顧宏中.渦輪增壓柴油機熱力過程模擬計算[M].上海：上海交通大學出版社，1986.

[2]張志遠，王書義.Matlab/Simulink環境下柴油機單、雙Vibe燃燒放熱規律建模與仿真[J].裝甲兵工程學院學報，2004，18（1）.

[3]林杰倫.內燃機工作過程的數值計算[M].西安：西安交通大學出版社，1986.

[4]張葦，張佰年.渦輪增壓柴油機準動態模型及其數字和混合實時仿真[J].系統仿真學報，1992（4）.

作者簡介：

鄭士振（1983-），男，山東臨沂人，研究生，講師，研究方向：汽車電子控制系統。