基于Simulink的气体机建模与仿真研究

0 引言

自内燃机问世以来，便在交通运输和机械工程方面扮演着重要角色，但在石油资源消耗严重和大气环境不断被污染的今天，气体机由于天然气抗暴性高，故可使用更高的压缩比，从而获得更高的热效率和较低的排放而成为重要的研究方向

。伴随着排放法规的越来越严格，我们有必要对气体机进行更深入的探究，通过对气体机进行仿真建模计算，预测气体机性能，从而能够提高燃烧效率，降低排放，实现节能减排的目标。

1 模型划分

本文以某气体机(采用多点喷射的进气方式，含有废气再循环系统)为原型。使用Simulink搭建出此气体机模型，其中，将整机模型划分为气路系统(涡轮增压器模型，中冷器模型，EGR冷却器模型，EGR阀模型，节气门模型等)，供气系统，气缸系统以及冷却系统

等，如图1所示。

2 气体机数学模型

2.1 进、排歧管模型

采用容积法

对进排气歧管模型进行搭建，用准稳定流动过程来替代实际进排气歧管管内的不稳定流动过程来进行简化的计算，只考虑状态参数随时间的变化。

由于含有EGR系统，我们需要在进、排气歧管中分别算出空气，燃气，废气的比例。对于进气歧管流出中空气，燃气，废气的比例在进气歧管中根据进气歧管中的混合气比例进行计算，对于流入排气歧管的混合气中空气，燃气，废气的比例根据气缸中混合气比例进行计算。

在仿真计算中，进排气歧管的状态方程为

随着旅游信息化的持续发展，以及互联网时代背景下，旅游行业市场对新媒体营销、智慧旅游景点管理以及旅游个性化定制等方面人才的需求量迅速增加，而目前高职旅游人才培养计划中，在这些方面的人才需求分析明显不足，所以，在旅游新常态背景下，高职院校一定要根据旅游行业的具体发展需要来调整人才培养计划，以充分满足新形势下旅游行业的实际需求。

=

3）课堂观察：课堂观察的实施者，既可以研究者也可以是本人。课堂观察是可以帮助教师发现教学中的问题、分析问题和解决问题的有效方式，促进新教师发展的主要方式。针对别人对自己的课堂观察、自己的课堂录音或录像，再分析观摩，进行在此反思，以提高教学效果和自身专业发展有积极意义。

为燃气或冷却液质量流

“两票制”的执行，使药品的供应链更为简化，以往常见的底价代理、层层加价分销的模式逐渐退出供应链主流，而药品出厂价接近中标价格的高开自营和高开代理模式将占居市场的主导地位，个别专营或兼营“过票”的药品批发企业，丧失了原有的商业价值。同时，“两票制”与“营改增”和药监部门“飞行检查”多管齐下，有力地打击了“挂靠”、“走票”等违法行为，“过票”企业必将被市场淘汰[3，4]。

受里奇理论的启示，如果我们把量子力学的态迭加、坍缩现象引入摄影理论观测，那么可以比较容易发现和理解当代数码摄影的量子—数码世界观转向。令人惊奇的是，后现代理论家们如罗兰·巴特、雅克·德里达、让·鲍德里亚等卓越学者，早就站在新世界观（量子—数码世界观）的高点前瞻摄影的发展，牛顿式—传统摄影理论已经悄然向量子—数码世界观转换。这也是数码时代摄影实践转向的理论凝结。

2.2 节气门与EGR阀门模型

为同时考虑模型的实时性与准确性，对于节气门与EGR阀门模型，采用以下公式进行建模：

质量守恒方程为

2.3 中冷器与EGR冷却器模型

对于冷却模型，输入量为进气温度与冷却液温度，采用以下冷却公式：

=

-

(

-

)

其中，

，

为出口温度与进口温度，

为冷却液温度，

为冷却效率，且其与发动机转速与有效扭矩有关。

2.4 涡轮增压器模型

压气机的工作过程

比如,“石榴裙”本为“服饰”类,由于调整其使用范围,而增加相应的成分,便可以直接联系到其领有者或者使用者这样的主体对象,也就是某种特定的“人”类,于是其借代的语义格式便可以描写成[+像石榴一样红+裙子+领有者/可以穿着的人]。

根据热力学第二定律，压气机的等熵效率为①②

如果孕妇没有深海鱼的足量摄取或额外补充DHA，在此前提下不建议选用单不饱和脂肪酸，而应该选用多不饱和脂肪酸以利于DHA的合成。因为人体需要的2种必需脂肪酸都是多不饱和脂肪酸，即亚油酸和α-亚麻酸。其中α-亚麻酸在代谢过程中可合成EPA（脑白金）和DHA（脑黄金）。就α-亚麻酸的含量而言，在烹调油中大豆油和菜籽油相对比较高，所以建议孕妇可多选用大豆油或菜籽油烹饪。

压气机的通用特性曲线一般用到的流量和转速都是折合后的。

式中，p

(

)和T

(

)分别是实验时测得的大气压力和温度。

涡轮机工作原理

涡轮机的等熵效率为

内燃机的排气速度较低，可令涡轮进气口处的滞止温度压力等于测量到得排气的温度压力，即T

=T

，p

=p

。由于涡轮的出口速度较小，可以近似地认为p

等于大气压力p

，忽略通道内气体传热，则涡轮机发出的功率为

考虑涡轮、压气机、增压器转轴摩擦扭矩，增压器转轴力矩方程。

式中η

为涡轮的最高效率。

增压器转轴原理

J为增压器转轴转动惯量，根据转子扭矩和功率关系n=Mω和ω=2πn，有

(5)斜长质片麻岩类残坡积物：仅在中部燕窝地—白果树一带分布，主要出露角闪斜长质片麻岩体。淀积层一般呈酸性-中酸性，母质风化后一般成麻石黄棕壤，土壤质地多为砂壤土。

转轴的摩擦消耗与转速的平方成正比。

增压器废气旁通阀的数学模型：

假设通过放气阀的气体是不可压缩理想气体，放气阀前后气体温度不变，流动方式不变，调节阀的工作特性方程为：

那天晚上我啃了四个猪蹄，吃得满脸油花。迟羽嫌弃地赶我去洗手，我洗过手却找不到护手霜，扯着嗓子问她放哪了，她说放在卧室的床头抽屉里了，让我自己去找。我走进她的卧室，打开抽屉，翻出护手霜，却忽然注意到旁边放着的一个旧手机。看上去有点眼熟。

对于自动调节过程，一般选用对数和线性流量特性的调节阀，线性流量特性调节阀

K

=e

对数流量特性调节阀

2.5 气缸模型

对于气缸模型，以能量守恒方程，状态方程和质量守恒方程为基础，建立热力学参数模块，各缸瞬时容积模块，各缸周壁传热模块，燃烧放热率模块，缸盖上的进排气阀模块，缸温缸压模块，燃烧放热率模块与单缸指示扭矩模块进行建模

。其中，周壁传热模型采用1970年的Woschni经验公式，燃烧模型选用单Weibo经验公式。

Woschni经验公式：

=

-0214

(

)

0786

053

其中，

瞬时平均换热系数，

缸径，

缸内工质的温度压力，

行程，

修正系数。

2.6 供气模型

用伯努利方程对喷气阀进行简化计算，公式如下

其中，

为喷气阀的质量流量，

为喷气阀入口压力，

为喷气阀出口压力，

为天然气的密度，

为修正系数。

笔者认为，根据《机械设计》课程在人才培养体系中的地位，针对上述问题，应建立一套比较完善的课程教学质量标准，并将其贯穿于课程的整个教学过程中.

2.7 热交换器模型

燃气流量

，水流量

已知，已知燃气、水的入口温度，则能计算出燃气的出口温度，再根据传热量公式

=

Δ

计算出水的温差，计算出冷却水的出口温度。

对于热交换器其结构属于板式换热器，流动方式为逆流。根据换热器计算的效能-传热单元数法，可知逆流换热器的效能

换热气的效能，表示换热器的实际换热效果与最大可能换热效果之比。

其中NTU为传热单元

能量守恒方程为

传热量

=

Δ

(

)

=

(

)

=

根据热交换的工作过程如图2所示，当CNG减压阀打开后燃气进入热交换器，发动机运行工况下燃气喷射阀打开，此时燃气是动态流动过程，如果喷射阀关闭，燃气将在热交换器内滞留，此时可看做稳态加热过程，需考虑热交换器对环境的散热或吸热过程。

3 气体机物理模型搭建及运行

3.1 物理模型搭建

对于气体机物理模型的搭建，在对各模块进行划分时必须保证模型的完整性，不能缺少重要部件，各个子模块务必要以真实发动机为基础，且各模块与上文中数学模型一一对应，建立完整的子系统，然后进行封装调试，构成完整精确的气体机模型。

气体机的气路模型如图3所示，包含进气管、中冷器、节气门、增压器、EGR阀、EGR中冷器、进气歧管以及排气歧管等。

气缸模型如图4所示，能够通过参数的设定灵活的增加气缸数目，进行16缸机的闭环调试，并可以快捷的改成4缸、8缸、12缸或者24缸。可以模拟失火现象，单缸失火，或者多缸失火。模拟点火提前角、点火能量对燃烧输出扭矩、温度的影响。

供气模型如图5所示，主要包括气罐、减压器、喷射阀、气轨、低压切断阀、高压切断阀等。气罐模型可以模拟LNG和CNG，对气罐气体容积，气罐出口气体压力、温度能准确模拟。减压器模型能模拟天然气减压过程，对减压器前后的天然气压力、温度能够模拟。气轨模型模拟气轨内部的燃气压力、温度。喷射阀模型支持两种模型，一种是蝶阀、类似节气门，一种是类似喷油器的电磁喷射阀，安装在气轨上，喷射阀模型能够准确模拟喷射流量。燃料属于进气总管给气。

通过当前表格可以看出，护理前两组的疼痛评分比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。护理后，两组的疼痛评分均有改善，且研究组优于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。说明在骨科护理中应用无痛护理，有利于降低患者的疼痛感受。见表1。

交换器是气体机通发动机过冷却水来加热经减压器减压之后的燃气的部件，类似散热器，交换器模型如图6所示，模拟交换器入口及出口的天然气温度、压力，冷却水的温度。

后处理三元催化器模型如图7所示，能仿真催化器入口及出口的CO、HC和NOx的气体浓度及转化效率，对CO2、H2O和N2的浓度有较好的模拟。催化器模型必须是物理模型，包含氧化-还原催化反应，能模拟催化器老化，高温失活及硫中毒现象。能准确模拟催化器前后的排气背压。能够模拟催化器加热，加热方式是电加热。对催化器载体、催化剂有设置参数。

3.2 物理模型运行

本文搭建的物理模型最终用于燃气发动机电控系统开发，模型实时运行在硬件在环系统(hard in the loop)中，简称HIL，本次试验使用基于dSPACE SCALEXIO系统的定制化HIL一台，能够对国六天然气发动机ECU的全部针脚进行闭环测试，HIL架构如图8所示。

We can subdivide their content into two main areas: religious and secular. The first is exemplified by the Prajnaparamita in 25,000 stanza and Tantric rituals scriptures.The second includes poetry, biography and other local documents, all of which have important historical value.

二线（省会及发达非省会）市场将迎来发展期：随着越来越多人群逃离北上广等一线城市，二线城市的人口流入呈现出爆发之势。公开数据显示，从一二三线城市的人口增量结构来看，一线和三线城市人口净流入规模出现缩减，同期二线城市则涌入大量人口。这些新增的流入人口将给二线市场带来需求的增量，以及类一级市场的购买习惯，推动升级。

“点—轴”系统理论中的“点”，一般指的是具有增长潜力的主导产业集聚区或产业集聚城镇，这些地区有较为优越的投资环境和投资回报率，能够吸引周围地区的资金、劳动力、技术等要素集聚，产生区域要素流动的极化过程。在本文中，体育小镇空间布局中的“点”指的是特色体育产业集聚的城镇。

dSPACE SCALEXIO系统是一个通用的硬件在环系统。它采用柔性硬件设计的思想，能够提供大量的柔性通道，满足从单个ECU到多个ECU的测试需求。所有的硬件配置均可通过软件来实现，提高了系统配置的效率，并降低了系统维护的成本。因此，SCALEXIO系统能够满足不同测试领域、不同车型，不同控制器的测试应用，比如动力总成系统，底盘系统，车身电子，以及电驱动系统。

本次试验，HIL模型分成两种，燃烧相关的气缸模型仿真步长0.1ms，其余为1ms，使用MATLAB的自动代码生成工具RTW将上述模型转化为实时代码，下载至SCALEXIO系统的处理单元中，采用Intel XEON 处理器，运算主频高达3.5GHz，拥有4GB DDR3 RAM内存，采用QNX实时操作系统。

4 模型验证

为了验证此模型与实际气体机工作过程的吻合程度，首先在额定工况下用所建模型进行缸压计算，将所得数据与缸压台架数据进行对比分析，如图9；另外，分别在25%、50%、75%负载下用所建模型进行功率以及涡轮出口温度计算，将所得数据与缸压台架数据进行对比分析，如图10。

由下图我们可以看出所建模型的输出结果与台架试验数据十分吻合，模型精度可以满足仿真要求。由下图我们可以看到，此模型的仿真结果与台架实测结果误差不超过5%，模型能够较好地模拟实际气体机工作过程。

5 结言

本文基于MATLAB/Simulink仿真平台，以某多点喷射气体机为研究对象，搭建了完整的物理模型，经仿真结果和实验结果对比，验证了模型的准确性，后续可以利用此模型进行气体机相关的性能计算，为整机性能优化提供指导帮助。

[1]邓瑞. 基于dSPACE的天然气发动机实时模型搭建与半物理仿真研究[D].哈尔滨工程大学.

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