YC6A柴油机工作过程数值模拟

刘阳

摘要：本次论文根据柴油机不同的运行工况，对所建柴油机模型进行了仿真试验，观察柴油机转速、转矩等参数随时间和负载的变化规律，并与柴油机的实际试验结果进行对比，仿真结果与试验结果基本吻合，从而表明所建立的数学模型和仿真模型及仿真方法是正确可行的。该仿真系统具有较为完善的功能，可进行各种参数试验，且可通过修改模型及有关参数即可适应不同机型等优点。

关键词：YC6A柴油机;平均值建模;仿真分析;simulink

1.柴油机Simulink仿真模型

1.1仿真参数设置

仿真模型的本质是一个计算机程序，而利用imulink仿真实质上就是求解微分方程或差分方程的过程。模型在仿真前要进行参数设置，需设置的参数包括：仿真开始时间Start time、停止时间Stop time，积分方法Solver，步长Step等参数。

1.1.1设置仿真时间

设置仿真开始和停止时间就是在Start time和Stop time的编辑框内输入相应的数值，单位“秒"。实际运行时间一般与时钟不一致，实际的运行时间与计算机的性能、模型的复杂程度、算法、步长等很多因素有关。

1.1.2选择仿真算法

Simulink模型的仿真需要计算仿真起始时刻到终止时刻之间的每个时间步的输入、输出和状态值，这就需要仿真算法来执行。在求

解微分方程的过程中没有一个普遍适用的最佳解法，对一个给定的系统，要根据系统本身的特性来选择最佳求解方法。

打开simulink菜单下的Configuration Parameters对话框，在Solver选项页内，可供选择的算法有：定步长连续算法、变步长连续算法、定步长离散算法和变步长离散算法。本文根据模型特点采用的变步长的ODE45算法。

1.1.3设置仿真步长

仿真的主要过程一般是求解常微分方程组。“Solver options”的内容就是针对求解常微分方程组而设计的。其中的Type选项是用来选择仿真步长是变化的还是固定的。本文选用的变步长解法可以在仿真过程中根据要求来调整运算步长，在计算前先指定一个容许误差限值，使得当误差超过这个误差限值时自动修正仿真步长，来达到所要求的精度。

1.2 Simulink环境下的发动机建模

本文以玉柴YC6A柴油发动机为对象进行建模并应用了Simulimk的子系统技术， 所谓的子系统可以理解为一种“容器”，此容器能够将一组相关的模块封装到一个单独的模块中，并且与原来系统模块组的功能一致。

本文将柴油机中涡轮、压气机、中冷器及柴油机本体中的六个模块分别建立子系统，并最终封装为涡轮增压器、柴油机本体和中冷器三部分，这样更便于对复杂模型的理解和管理。

1.2.1 涡轮增压器仿真建模

涡轮增压器分为压气机和涡轮机两个子系统，为了能较准确的模拟出压气机和涡轮机的各种特性以及更方便的表达，本文在建模中使用了压气机特性曲线图和涡轮机通用工作曲线图，使模型更加贴近现实。

1.2.2 中冷器仿真模型

通过对中冷器内部温度的变化和压力的变化来仿真柴油机中间冷却器。

1.2.3 柴油机本体仿真建模

柴油机本体仿真模型分为充气效率仿真模型、柴油机流量仿真模型、平均排气温度仿真模型、指示转矩仿真模型、摩擦转矩仿真模型和柴油机动力学仿真模型等六个子系统模型。

2.柴油机仿真结果输出及分析

在建立好柴油机的仿真模型后，需要对它进行各种仿真试验，以保证其性能与原机具有较好的一致性。表2.1是YC6A柴油机台架实验测得的柴油机外特性数据，根据模型仿真结果与实验所得数据进行对比。

表2.1 YC6A柴油机外特性实验数据

序号

转 速

扭 矩

功  率

燃油消耗量

比油耗

进水温度

出水温度

进气流量

进气温度

排气温度

涡前压力

涡前排气温度

中冷后压力

中冷前温度

中冷前压力

中冷后温度

单位

r/min

N.m

kW

kg/h

g/kW.h

℃

℃

kg/h

℃

℃

kPa

℃

kPa

℃

kPa

℃

1

2300

794

191.2

43.71

228.6

79.9

86.9

1132

34

499

211.9

636

136.8

158.1

141.1

46.1

2

2199

829

190.9

42.99

225.2

78.6

87.2

1083

34.3

494

206.3

622

138

155

142

45.4

3

2100

868

190.9

42.51

222.7

74.1

86.3

1041

34.4

497

194.4

619

140

153

144

45.6

4

2002

918

192.5

41.85

217.4

78.6

87

1001

34.4

503

184

623

141

152

145

44.7

5

1902

957

190.6

40.9

214.6

77

86.4

957

34.4

506

175.1

625

142.8

150.8

145.7

43.9

6

1800

1004

189.2

40.17

212.3

73.1

85.6

909

34.5

517

159

640

143.5

149.7

146.2

44

7

1701

1005

179

37.34

208.6

77

86.2

852

34.6

505

145.9

626

139.3

146.2

141.9

42.8

8

1600

1016

170.2

34.93

205.2

77

86.3

789

34.6

492

132.1

608

138.1

144

139.8

41.6

9

1501

1010

158.8

32.17

202.6

75.6

86.2

736

34.4

471

119.6

589

135.1

142.3

137.1

40.5

10

1400

991

145.3

29.03

199.8

75.1

87.3

689

34.3

448

107.5

567

133.4

140.8

134.5

39.1

11

1301

1009

137.5

27.32

198.7

72.5

85.4

634

34.4

455

92.7

565

127.1

138.2

128.2

37.8

12

1201

984

123.8

24.92

201.3

74.1

83.9

528

34.4

478

70.2

578

111.7

129.7

112.7

36.2

13

1099

960

110.5

23.75

214.9

63.7

80.1

448

34.4

513

54.6

606

95.2

120.2

96.2

34.4

14

1000

910

95.3

21

220.4

74

85.1

381

34.5

549

51.8

634

78.7

109.1

79.1

32.9

15

897

838

78.7

18.3

232.5

68.6

86.1

314

34.5

561

30.2

638

62.5

99.2

63.4

31.9

图2.1 燃油供给量随时间变化图

图2.1为本柴油机模型的输入量，即燃油供给量随时间变化的变化量，以此来观察随着燃油供给量逐步增加时，YC6A柴油机在不同负载情况下的指示扭矩、输出转速、进气量以及排气温度的变化。

下面还得出以下的曲线图，本文不再一一列出。柴油机在空载情况下，指示扭矩随燃油供给量的变化曲线。 在没有负载的情况下，随着供油量的增加柴油机指示扭矩先小幅减小之后增加后再减小，可见并不是供油量越大而指示转矩就一定越大，而是有一个经济性最佳的燃油供给点。

柴油机在空载情况下，进气量随燃油供给量的变化曲线。进气量随燃油供给量而逐渐升高。

柴油机在空载情况下，排气温度随燃油供给量的变化曲线。

给柴油机加一个大小为400牛米的负载，为此时柴油机指示扭矩随燃油供给量变化的曲线图，可以看到指示扭矩随供油量的增加而逐渐升高。

柴油加400牛米负载后，进气量随燃油供给量变化曲线图。

柴油机在负载400牛米时排气温度随燃油供给量变化的曲线图。

对所建立的柴油机各部分的仿真模型进行运行，进行仿真试验。分析柴油机在不同负载下所输出的各种仿真结果数据，包括柴油机指示转矩、进气量、排气温度以及输出转速，由图2.2所示，图中折线分别为仿真结果分析数据和柴油机外特性实验数据，在不同的转速下燃油消耗量的变化曲线。可见仿真结果与实验数据基本吻合，仿真模型较为成功。验证了本文建立的柴油机仿真模型的准确性和可行性。

图2.2 柴油机转速燃油消耗率图

结  论

增压柴油机是一个复杂的非线性动态系统，伴随着市场竞争的日趋激烈，对柴油机性能的要求日益提高，使得柴油机功能越发增强，并且对开发周期的要求也相应地缩短，所以对于在投入实际运行前进行柴油机仿真的研究具有非常重要的意义。

本文以YC6A柴油机为仿真对象，对柴油机进行了比较细致的研究，主要完成工作如下：

（1）分析了柴油机的内部结构和工作原理，研究了其性能及输入输出信号，对YC6A柴油机进行总体的数学建模设计。

（2）建立了柴油机仿真模型，对通用模块进行封装，提高了模块的通用性，并能够多次重复使用，提高了系统的开发效率，也扩大了该模型的仿真范围。

（3）根据柴油机数学模型建立了其对应的仿真模型，在MATLAB/Simulink仿真环境中对柴油机运行的各部分进行了仿真，并根据YC6A柴油机本身的性能参数及实验数据对照仿真的输出结果进行了分析。仿真结果基本与实际相吻合，确定了各子模型中的参数及变化规律。

本文所设计的柴油机仿真系统具有功能完善、调试方便、试验成本低、周期短、通过修改模型及有关参数即可适应不同机型，为柴油机的开发和研制提供了良好的调试模型。

参考文献：

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