大功率柴油机非稳定工况数值模拟研究

工作过程搭建了整机仿真模型，通过对其进行仿真研究，得到了理想的仿真结果。在建模过程中引入了有限状态机理论，利用Matlab/Statelfow模块，对缸内工作过程仿真模型的执行策略进行了设计，简化了柴油机的仿真模型，为柴油机建模提供了一种新思路。

关键词：柴油机；非稳定工况；模拟研究

中图分类号：G718.5 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）31-0093-02

引言

柴油机的工作过程是一个复杂的热力学过程，根据建模的原理、复杂程度、应用范围的不同，大致可以分成五类，它们是包括分段和分区线性化在内的线性化模型、准稳态非线性模型、容积法、压力波模型和系统辨识模型。国内外很多学者都采用零维模型做了大量的研究工作。如北京理工大学的李长文用容积法建立了一个四缸非增压柴油机的非线性瞬态模型和稳态模型；Watson和Marzouk建立非线性模型用于改善涡轮增压柴油机瞬态响应性能的措施分析；Winter bone等把该方法应用于涡轮增压柴油机的瞬态性能仿真，建立“全动态”模型用于涡轮增压柴油机供油量与转速输出之间的传递函数评估，都得到了很好的仿真结果。

本文将柴油机分成相互联系的几部分，利用Simulink仿真软件分别搭建了各部分的仿真模型，仿真研究了柴油机的加速工况，并将仿真值与实验值进行了对比。

一、模型的验证

1.计算概述。在初步建立的数学模型的基础上，利用Simulink软件建立仿真模型，选择计算方法为四阶龙格-库塔法，仿真步长为1°CA，为方便起见，选择压缩始点作为计算始点，根据曲轴转角依次调用各模块，完成缸内工作过程的仿真。

2.模型验证。柴油机的主要参数见表1：

对于运用Matlab/SIMULINK建立的模型能否满足预期要求，在不具备试验条件的前提下，本论文采用对仿真模型进行验证的方法，来判定所建模型的有效性。为了验证其有效性，对转速为2200r/min，供油提前角为16°CA的额定工况下仿真的示功图与实验值进行了对比。

从图1可以发现，缸内压力仿真值与实验值基本吻合。这表明选取的模型和计算方法合理，能满足柴油机加速工况的数值模拟研究。

二、模型的仿真

在以上初始条件下，对柴油机典型加速工况：沿外特性加速工况进行了仿真，仿真得到了缸内参数随曲轴转角的变化曲线。

图2给出了沿外特性加速工况下速度的变化。图3～图4是该加速过程，缸内最高压力和平均有效压力的变化。可以看出，在整个加速过程中，缸内最高爆发压力比相应稳定工况低，波动范围比相应稳定工况大，在开始阶段出现急剧下降，说明在加速起始阶段，燃油供应量增加，但进气量却没能迅速增加，致使缸内混合气过浓，燃烧不完全，导致燃烧放热率降低，压力下降。在沿外特性加速工况下，当供油提前角为12°CA时，最高爆发压力和平均有效压力比18°CA时有显著提高，这表明在供油拉杆位置不变时，合理选择供油提前角对柴油机性能有很大的提高。

下图是在外特性加速工况中，当转速为1900r/min、角加速度分别为5rad/s2和95rad/s2时的示功图、燃烧放热率和累计燃烧放热量的仿真图。

由图5～图7可看出，在曲轴角加速度较大时燃烧放热率明显降低，累计放热量和缸内压力也明显下降，这表明曲轴转速的变化强烈影响了缸内混合气的形成和充气，转速的急剧变化使混合气形成质量下降，从而导致燃烧恶化。

三、结束语

利用建立的大功率涡轮增压柴油机的动态仿真模型，针对发动机的加速工况对发动机动态响应进行模拟研究，得到了以下结论：

1.供油提前角对柴油机性能有很大的影响，过大将导致燃烧恶化平均有效压力和最高爆发压力降低，合理选择供油提前角可以显著改善对柴油机性能。

2.角加速度强烈影响了气缸充气和混合气的形成，角加速度过大致使缸内燃烧恶化，从而导致放热率下降，缸内压力降低。

参考文献：

[1]黄永安，马路，刘慧敏.MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真开发与高级工程应用[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]李长文，赵长禄，张付军，黄英，孙业保，周磊.基于Matlab/Simliunk及TRW的柴油机瞬态建模与仿真[J].北京理工大学学报，2004，42，（7）：597-528.

[3]王长林，刘永文，翁史烈.四冲程柴油机的建模和实时仿真[J].中国造船，1997，（4）：74-79.

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