基于Simulink柴油机工作过程的仿真分析

朱万炫

[摘           要]   根据柴油机气缸内工作介质在各阶段的气体状态给出了柴油机工作过程的数学模型，并据此利用Matlab / Simulink工具搭建了柴油机工作过程各阶段相应的仿真模型，针对所建立的仿真模型进行了仿真分析，得出了柴油机单缸工作过程的扭矩输出特性及示功图。

[关    键   词]  柴油机;数学模型;仿真模型

[中图分类号]  TK421                    [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2019）36-0120-02

柴油机的热机效率主要取决于缸内介质的工作过程[1]，故针对柴油机的工作过程进行相应的仿真工作对优化内燃机的参数设计、减少研发费用、缩短产品开发周期等都具有非常重要的意义[2]。作者在文献中较为详尽地阐述了柴油机缸内工作过程中各阶段介质状态的微分方程，并基于Simulink工具建立起相应过程的仿真模型，进行了仿真分析。

一、柴油机数学模型

根据零维假设[3]，可以用三个基本参数（P、T、m）来表征缸内的气体状态，并用理想气体状态方程和缸内介质在各阶段能量及质量均守恒的条件就可以将柴油机整个工作过程联系起来。

其中，能量守恒方程为：

=（+hS-he--p-u-m）

质量守恒方程为：

=-+

气体状态方程为：pV=mRT

根据气体状态的变化情况，柴油机的工作循环可以分为压缩阶段、燃烧阶段、膨胀阶段、纯排气阶段、气门重叠阶段和纯进气阶段六个阶段。

1.压缩阶段

柴油机的压缩阶段为关闭进气门至气体开始显著燃烧。这一时段缸内工作介质的质量保持不变，其能量方程可以简化为：

=（--p）

2.燃烧阶段

柴油机的燃烧阶段为混合气体开始燃烧时刻起直至燃烧结束。这一阶段中，进气门和排气门始终处于关闭状态，根据当量燃烧规律[4]，此阶段缸内某瞬时时刻的燃料量为：

mB=+mB r

利用瞬时过量空气系数？琢？渍来表征这种燃料量变化，燃烧阶段的能量方程为：

=（--p-u-m）

3.膨胀阶段

此阶段中活塞由于气体膨胀而产生运动，缸内工质的总质量仍然保持不变，总质量增加了单循环供油量的大小mBS，即：

m=mL+mB r+mB S

能量方程与压缩阶段的能量方程一致。

4.纯排气阶段

柴油机的纯排气阶段为排气阀开启时刻起至打开进气门这一时段，由于此阶段缸内既无气体产生燃烧，也无新鲜空气进入气缸，只有一定量的废气排出，可以认为缸内气体的成分保持不变[5]。所以此过程中的质量守恒和能量方程分别为：

=-  =（-he--p-u）

5.气门重叠阶段

在气门重叠阶段内无燃油喷入，但是既有新鲜空气进入气缸，同时又存在废气被排到缸外，所以此阶段质量守恒方程为：

=-

此過程中，由于混合气体成分并未发生改变，因此排出的燃料质量与排出废气的总质量成正比。其比例为缸内燃料质量与工质总质量的瞬时比值，故此阶段能量方程为：

=（hS-he--p-u-m）

6.纯进气阶段

柴油机的纯进气阶段为排气门关闭至进气门打开时段，此过程中无燃料的排出，但存在新鲜空气进入缸内，所以纯进气阶段的质量方程和能量方程分别为：

= =（hS--p-u-m）

根据上述分析分阶段进行联立求解即可得到气缸内的气体瞬时状态参数。

二、柴油机工作过程仿真分析

柴油机仿真模型的主要结构参数如下表所示。

柴油机模型参数

柴油机气缸的热力过程有六个工作阶段，本文据此建立了相应的六个子模型，分别为compression子模型、combustion子模型、expend子模型、exhaust子模型、overlap子模型以及intake子模型，各个子模型之间通过工质质量、工质温度、质压力和瞬时过量空气系数有机联系在一起，组成了整个柴油机工作过程的仿真模型。其仿真模型如图1所示。

为了验证模型的有效性，进行了仿真测试，某一供油量下柴油机一个循环周期内的气缸压力变化情况及对应的示功图如图2所示。

利用单缸计算得到的数据，根据各缸发火顺序分别后移一定的角度进行叠加，由此得到整机工作状态的数据，据此得到六缸柴油机扭矩计算仿真模型，得到某一供油量下柴油机整机输出扭矩如图3所示。

三、结论

本文针对柴油缸内的工作过程及相应的边界条件进行了比较详尽的分析并建立了相应的仿真模型，通过仿真结果可以看出，所建立的模型能较好地模拟柴油机缸内工作过程所产生的瞬时扭矩，从而为柴油机性能参数的优化、输出扭矩的控制等提供一定的参考依据。

参考文献：

[1]刘孟祥，刘湘玲，陈健彬，等.运用Simulink实现柴油机工作过程仿真的方法研究[J].广西轻工业，2010，6（139）：34-35.

[2]樊艮，王剑平，曹诚，等.柴油机曲轴瞬时扭矩的仿真计算与试验验证[J].大连海事大学学报，2010，36（4）：141-145.

[3]王纪元.柴油机工作过程的Simulink建模仿真研究[D].大连：大连理工大学，2007.

[4]萧颖，潘大德.柴油机数学模型的模拟和仿真[J].内燃机车，2011（3）：12-15.

[5]王海燕，张钧东，任光.大型船用柴油机建模与动态仿真[J].系统仿真学报，2006，18（9）：263-264.

◎编辑 马燕萍