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基于零维模型的柴油机建模与仿真


第 年




内燃机

基 于 零 维模型 的 柴 油 机建 模与 仿真
杨润泽

湖 北汽 车
摘要 热
力性

业学 院
建立


汽车

程系



湖北




零维 仿 真 模 型


通 过 对 柴 油 机 缸 内 热 力 工 作过 程 的 分 析

柴 油 机的



并 将 其 计箅 结 果


发动机

能分 析 软件


的 计 算 结 果进 行 对 比

结 果 表明

该 模 咽 对 剛 程 增 压 柴 油 机的 仿 如十算具 有 较







证 了 模 型的 正 确 性 关 键词


柴油机






零 维模 型


中 图 分类 号

文献标识 码

文章 编 号







前言
内 燃 机动 态 仿 真模 型在 硬 件 在 环 测 试


并 不适 合 实 时 系 统 的 仿 真





零维 模 型 和 准 维 模 铟




开 发 以 及 控 制 策 略优 化 施有 着 重 要 的 应 用
内 燃 机模



建立






在 内 燃 机办



°

的 关 键是 对 其 热 力 工 作 过 程 的 模 拟




柴 油胡

执力 工 作 寸 释

勃 尝肆捲


燃 机 工 作 过 程 数 学 模 型 可 分 为零 维 模 型
和 多维 投劭


准 维 模型 —


多 维 模 型 能够 很 好 地 描 述 燃 油 喷射 过






预 隱放 性 能

但 由 于 运 籠 大使 得 多纖 自
阳舞 ―御




维 假设



系 统 的 能量 守恒 方 程 为



丁【












守 恒 方程 为




— —



气虹 热 力 系 统
杨润 泽



边 界 及计 算 細


理想 气 体 状 态 方 程 为



作 者简 介







湖 北十 堰人



助教



能 量 守 恒 方程



质 量 守 恒 方程 和理想 气体状



硕 士 研 究生



主 要 研究 方 向 为 内 燃 机 性 能 与 电 控 技 术




态 方 程 联 合求 解 即 可 确 定 气 缸 内 工 质 的 压 力 度
以及质 量 三个状态



收稿 曰 期

参数



但 在上 述 方程





杨润 泽



基 于 零维模 型 的 柴 油 机 建 模 与 仿 真





还有




等微 式中



分 量未知

下 面 分 别 进行 讨论





为 发 动机 转 速




为 瞬 时传 热 系 数




气 虹 瞬 时 工 作容 积 根 据 曲 柄 连 杆 机 构 的 运 动 规律
气 缸 容积 之间


為 为 换 热 面积


二 为 燃 烧 室 壁 面 温度 为气


为 气缸

轴转 角 和





为活 塞


关系为








排 气流 量 计 算


互「






丄丄



柴油 机 中 气 体 的 流 动 是 三 维 的 非 稳 态 流 动

为 了 简 化计算



在 理论计 算 时 可 以 视 为




维等 熵准

稳 态 流动



流 量 计 算公 式 为


式中







为 气缸 容 积




为 气 缸 直径




为冲


式中 进气






为 几 何流 通截 面 积 临 界 流动




为 流 量系 数




为 曲 柄连 杆 比

为 曲 轴转 角

为 压缩 比



分别 为 上 游气体 的压力 和 密度
程为


为流动 函 数




燃 烧 放热 规 律

进气 流 量 为



迄 今 己 提 出 的 零维燃烧放热模型 可 分 为 以 下
三类



用 喷 油 规 律来 计 算 燃 烧 放 热 规 律 的 数 学 模 型








如 林慰 梓模 型



排 气过程初 期 由 于 压差较 大 界流 动




可 能 出 现超 临


在 实测 示 功 图 的 基 础 上 利 用 基 本 方 程 对 燃

随着 压 差 减 小




逐 渐 转 变 为 亚 临 界流 动

烧放 热进 行 数值 分涵 数 学翻


趣 界排 气 流量 为



拟 合 出 来 的 代 用 燃烧 放 热 模 型






模型





模 型等



这 里选 择广 泛








应用 于 柴 油 机 的

代 用 放热 规 律

亚 临 界 排气 流 量 为









式中






分 别 为 进 气 绝 热 指 数 和 紅 内 气体
和 排气 管 压 力

式中 数




为 已 燃 质量分数




为燃 烧 品 质 指


为燃 烧起 始 角 压 缩
赶 面 壁 传热 计 算

为 燃烧 持续 角

面积







分 别 为 进气





工 质 物 性参 数


柴 油机气 面


传 热储 三个 方 面



盖底

活 塞 顶 面 和 气 缸 套 的 酬表 面 与 缸 内 工 质 的换

体常 数



热容



绝 热指 数





馆 等热





传热过 程计 算 的关 键是确定 瞬时 换 热 系 数







力 学参 数也 会

工质的气体



数通过


厄文 指出

对于 四 冲程



髙 增 压直 喷 式 中 高 速 柴 公式 来进行 传

油机 采 用




热 计算 比 较 准 确 时 的 涡 流转 速




公式在计算时 气缸 盖 静 吹 风


式中 分解 时 式为




为 瞬 时 过量 空 气 系 数




需要 发 动机 倒 拖 时 缸 内 的 压力 曲 线


将 髙 温燃 气 视 为 理 想 气 体


并不 考虑高 温热

以 及 压 缩 始 点 的 压力 温 度 值






比 热 表 回 归 的 平均 比 定 容 热 容 公

公式 简 单 明 了

计 算量 少



故 这 里选 择


公式计算 虹 内 瞬时 传 热 系 数
式中 度






为 气缸 工质压力




为 缸 内 工质 温

为 活 塞 平 均速 度

工质 通 过 气紅 周 壁 的 换


热量根 据 牛 顿冷 却 公式计 算

?

1

0

.

内 燃机





为 了 验证

仿 真模 型 的 正 确








仿 真结 果 与 发 动 机 热 力性 能 分 析
的 计 算结 果 进 行 对 比 分析


软件
发 动机 转 速为





比 内 能 的 计算 公 式 为










缸 内 压力 曲 线的 仿



真 结果




计 算 的 最 大爆 发 压



力 均 出 现 在 上 止 点后

最 大爆 发 压 力 值 分


别为



偏差 为








柴油 机

仿 真模 型建 立


将 柴 油 机 的 整 个 丁 作 循 环 分 为 六 个 阶段
缩期




燃烧 期




膨胀 期



排 气期



气门 叠开期









紅 压 曲 线 仿 真值 对 比

气期



于 排 气倒 流 对 仿真 结 果 的 影 响 不 大




为 发动机






缸 内 工质平均

了 縮 短 仿 真 时间

提 高 系 统 运行 的实 时 性



在建 模

温 度 随 曲 轴 转角 变 化 的 曲 线

显 然 两 者 的 温度 计 算

中 忽 略排 气倒 流



根 据上 述 描 述 柴 油 机 热力 工 作 过


结 果也 具 有 较 高 的



致性



程 的 微 分 方程 建 立 的 柴 油 机 仿 真 模 型 见 图
工 作 过 程判 断模块

— —








过 程









过 程










么 程 、 鐘 么程
— 一

°





缸 内 温 度 曲 线 仿真 值对 比



柴 油 机 工 作 过 程 仿 真模 型





为 发 动 机转 速 为





选择进气门 关 闭时 刻 算


即 压 缩起 点 开 始 计


模 型 计算 所 得发 动 机 主要 指 示 性


細 下 次进 气 门 細 时 刻 为 止 然 后 判 断 进 气 门 关 闭 时 刻 的 计 算值 与 初 估值 是 否 致 如 果 首 尾 偏 差 大 廳瓶 輸 ■ 励 贿 压 力 善


能 指标 的 比较



各 项 指 标 的 误 差均 不 超 过













直 到 误 差在 允 许 的 范 围 时




结 束 循 环 迭代




柴 油 机 的 主要 参 数 见 表



柴油 机 参 数





偏差

发 动机型式

六缸



四冲程

增 压中 冷

排量

结论
我们 使用

建立 了 柴 油 机 工 作
并对


连 杆 ;度
压缩 比

台 四 冲 程 增 压柴 油 机 热 力 循


环 进 行 了 仿 真计 算



通过 将 虹 内 压 力

温度 以及 发

动 机主 要 的 指示 指标 与

的 计算 结 果 进 行


仿 真 结 果 分析

对比



证 实 了该 模 型正确 性

在 该 发动 机 模 型 的 基
下 转第







王 凯峰



用 于 汽 车 传 动 系 统 的 多 功 能 板 翅式 机 油 冷却 器



不同油液



油 水隔开



可 在 各 个隔 板 间 用 不 同 形 式


的 垫 圈 进行 分 隔 不 同 的 工 作 介 质

见图



同 时本 文 的 机 油冷 却 器 可 以 有 更广 泛 的应












由 于其隔 板




翅片



导 向片




隔 垫 等 都是 不 诱


钢 材质


所 以其 油 侧 并不

定仅 能 通 油 液
非常 多

水 侧不

油 道 层 组进 油












油 道层 组 出 油 口

定 仅 能 通 水 或 者冷却 液



可 以 使 用 多种 液 体 或 者




冷却 液进 图 由



组进 油 口 冷却 液出


气体。

由 于 其 可 变更 的 项 目


可 以 做 多 种形

式 的变 化


甚 至 还 可 以 在改 型 机 油 冷 却 器 的 油 侧 从



设 计 的 油 冷 器板 间 油

水 口 分 布示 意图


侧 面再 弓 出 油 量 广


这 样 就 还 能 增 加 可 冷却 油 液 的 数


于板 翅式 机 油 冷 却 器 的


身 特点



其油 侧


使 得 其更 加 具 有集 成 的 特性
化工


其使 用 范 围 非 常

的 各 层 组 间 可 有较 大 的 区 别

可 通 过 改 变层 厚






机 械 等 行 业 也可 使 用



无翅 片



不 同 翅 片 形式



不 同 翅 片布 局


不 同 翅片

拼 接 形 式 等进 行各层 组 油 层 的 不 同
部 件 的 各 自 冷 却需 求



进 而满 足 不 同 这种 结构 的机 油 冷 却 器 可 以 将三 种 机油 冷 却
器集 成




通 过 在 前 后 两个 连 接 面设 置 不 同 部 件 的 连 接


并 且 使 得 体 积 能 够 大 大减 小



对 于整 车 布
减 少水 阻



见图






来 接 通 不 同 部件 的 需 冷 却 的 工
为了能让

减 少 了 发 动 机水 路 上 引 出 的 歧 管




作液

由 于这 种设 计 可 能 会存 在 板 翅 式 机 油 冷 却 器


减 少 安装 难 度

整 车 布 置 上 也 有非 常 大 的 简 化




的 隔 板会 有 多 种 不 同 的 流 体 通 过 的 情 况

实 际 的 应 用 中 可 以 达 到 非 常 好 的 效果

令分令令

令令令令令 令令

令令

令 令令令



令令

令令



令令

§



令令



令令

上 接第





将 得 以 有 效解 决



燃 料 利 用 效 率 也 将 越 来 越高



包 崇 美 身怀 绝 技

沃 德 十佳 发 动 机

世 界 汽车



李 元 平 平 银 生 尹 琪 增 压缸 内 直 喷 汽 油 机早燃 及 超


耿 文 娟 袁 银 南 居 钰生 汽 油 机 缸 内 直 喷 技 术 控 析
, ,

级 煺 媒 试验 研 究
, ,



内 燃 机工程








小 型 内 燃 机 与 摩托 车
刘 雅 坤 榜 样 的力 量



张 志 福 梁 兴 雨 刘 国 庆 等 增 压缸 内 直 喷 汽 油 机 抑 制

沃 德 十佳 发 动 机

世界汽

预 燃 试验

燃 烧科 学 与 技 术











上 接第






础上




可进

步 开 展 基 于该 模 型 的 软 件 在环


京 闰 防出版社




和 硬 件在 环

系 统 的 研究



用 于发 动


王 纪 元 柴 油机





作过程的

逮模仿

研究

开 发 以 及 控 制 策 略 的 验证 和 优 化
参 考文 献

黄 厄 文 机 车 柴 油机 传 热 的 研 究 几 北 方 交 通 大 学 学 报





王 纪兀 齐 鲍 鹏 隆 武 强



在 柴 油 机建






模 仿 真 中 的应 用


内燃机




实现 柴 油 机的



龚金 科 刘 孟 祥 刘 湘 玲 等 用
建模 与 仿 真
湖 南 大 学 学报


然科学 版



朱 仿 君 吴 坚 内 燃 机 工 作 过 程 数 字计 算 及 优 化






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