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大功率柴油机非稳定工况的数学建模工作总

本文在对东方红-160拖拉机所配备的柴油机非稳定工况

充分分析^p的基础上,将发动机分为气缸、进排气系统、

涡轮增压器、中冷器、调速器和喷油系统,建立了各部分的数

学模型,在建模过程中引入有限状态机理论,利用

Matlab/Statelfow模块,对缸内工作过程仿真模型的执行策

略进行设计,为柴油机建模提供一种新思路。

柴油机非稳态工况数学建模

G64A2095-3089(2022)10-0129-02

一、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,大致可以分成五类建模模

型,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。容积法就

是将发动机分成一系列的热力系统,通过管口或孔口联系起

来,并考虑能量和质量的交换。它多用于对柴油机排气系统和

气缸的建模,将进、排气管和气缸视为热力系统,通过传热、

传质或做功的方式彼此联系。由于用容积法计算不稳定现象

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时,对发动机运转条件没有任何限制,而且它是在稳态工作过

程模拟计算的基础上增加动态项微分方程而形成的,所以它有

适用于瞬态模型仿真的潜力。

本文将柴油机分成相互联系的几部分,分别建立了各自的

数学模型。

二、数学模型的建模

柴油机瞬态特性又称动态特性,是指柴油机在变速或变负

荷情况下,即在过渡工况下的柴油机性能。

以单个气缸作为一个热力学系统,系统边界由活塞顶、气

缸盖及气缸套诸壁面组成。为简化计算,做如下假定:①汽缸

内的状态是均匀的,认为在进气期间流入气缸内的空气与缸内

残余废气实现瞬时完全混合;②工质为理想气体,其比热、内

能仅与温度和气体成分有关;③气体流入或流出为准稳态流

动;④进出口动能忽略不计。

(一)缸内工作过程的基本方程

以上各式中,W为系统对外作功;QB为燃料燃烧放出的热

量;Qw为通过气缸诸壁面传入或传出的热量;ms为流进气缸

的质量;me为流出气缸的质量;hs为进气门处工质的比焓;

he为排气门处工质的比焓;u为气体的比内能;cv为等容比

热容;mB为喷入气缸内的瞬时燃料质量。

(二)缸内工作过程的边界条件

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1.气缸瞬时工作容积

2.燃烧、传热模型

燃烧过程十分复杂,很难使计算结果与实际值相符合,通

常在下列两方面逼近真实燃烧过程:①总放热量相等;②过程

中的平均指示压力、指示燃油消耗率、最高燃烧压力等指标基

本相同。韦博代用放热规律,是在均匀混合的情况下,从反应

动力学推导出的半经验公式,本仿真系统主要是为优化柴油机

的动力性和经济性,因此选用韦博代用放热规律,累积放热量

和放热规律为:

(三)缸内热力过程的建模

由缸内工作过程的三个基本方程和边界条件的数学模型可

建立缸内热力过程各阶段的模型,在此不做详细叙述。

(四)进、排气系统的建模

在用容积法对进、排气系统进行模拟计算时,我们要对系

统做如下的简化处理:①将进、排气系统分别简化成为一个容

器,其容积相当于原来的系统容积。②将空气滤清器、排气消

声器,或废气涡轮增压器、涡轮机分别简化为节流阀。③忽略

进、排气系统中压力波的传播和反射现象,认为容器中的状态

参数是均匀的,只考虑状态随时间的变化。④将气体在管系内

的不稳定流动看成是一个简单的准稳定的流入和排出过程。[1]

三、结束语

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利用建立的大功率涡轮增压柴油机的数学模型,为接下来

的动态仿真模型的研究奠定了基础。

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