基于MATLAB的6106柴油机建模仿真

邹振宇 刘 晶

(1:吉林建筑工程学院土木工程学院，长春 130118;2:国家开发银行吉林省分行，长春 130021)

1 柴油机建模仿真的意义

柴油机作为现代工业的动力源，越来越受到重视，但能源危机和环境污染是制约柴油机发展的瓶颈.如何解决上诉问题，越来越受到人们的关注.为此，人们想出了很多方法，比如通过实验设计新型燃烧系统，优化柴油机的性能参数等等.这些方法虽然能直观反映出柴油机特性，但对设备要求高，开发周期长，投资高，难度大.利用数学模型对柴油机工作过程进行仿真计算，是现代柴油机设计方案论证及优化、性能预测和样机的研究改进等过程中的重要手段.与传统的方法相比，采用模型仿真技术进行柴油机设计的优点是开发周期短，实验费用低.所以通过建模仿真的方法是现在研究柴油机、优化柴油机的重要且经济的手段，其具有重大意义.

2 柴油机建模仿真的数学模型及边界条件

本文以6106柴油机为研究对象，通过数学建模的方法，以Matlab软件为平台，对其工作过程进行数学建模，研究其工作特点.数学建模的基本方程主要包括质量守恒方程、能量守恒方程和气体状态方程.柴油机工作过程按时间顺序分为压缩期、燃烧期、膨胀期、纯排气、气门重叠和纯进气6个阶段.根据每个阶段的特点，对基本方程进行相应的简化处理，并结合边界条件将基本方程联立求解，就可以得到缸内工质状态参数、温度、质量和压力随曲轴转角的变化规律.对于数学模型重要的就是其边界条件的选择与确定，本文研究重点考虑了以下边界条件:

(1)燃烧模型.正确选择燃烧模型是保证柴油机工作过程仿真准确性的关键，目前工程上使用较多且具有代表性的主要有Whitehouse的混合气准备率模型、Vibe代用燃烧模型及以王荣生为代表的V2g模型.

在柴油机性能计算中，使用较多的是Vibe代用燃烧模型.研究表明，单Vibe代用燃烧模型在低、中速柴油机中能够获得令人满意的结果，但在高速机中会产生较大的误差.而双Vibe代用燃烧模型采用两条Vibe曲线叠加来模拟放热规律，两条曲线的始点和形状不同，分别代表预混和燃烧部分和扩散燃烧部分，其优点是将预混合燃烧和扩散燃烧分开考虑，能够比较准确地反应柴油机缸内的燃烧过程.因此，本文采用双Vibe代用燃烧模型［1］.

(2)瞬时平均传热系数.计算传热量的关键是确定瞬时平均传热系数，目前，经常引用的纯经验公式较多，具有代表性的有Eichelberg，Woschni和Sitkei.本文采用较为通用的Woschni公式［2］.

(3)滞燃期.目前，滞燃期的半经验公式比较常见的有Wolffer，Cemehob B.H.，Sitkei，J.H.Shipinski，Arrhenious等公式，本文采用何学良经验公式［3］，该公式适用于中小型非增压柴油机.

3 柴油机建模仿真流程及建模简化

MATLAB进行柴油机工作过程的建模仿真的仿真流程是一个判断循环过程，其流程见图1.

柴油机进排气门重叠期缸内工质运动比较复杂.在气门叠开阶段，进气门打开，由于缸内压力高于进气管内压力，会出现缸内工质倒流入进气管，直到缸内压力与进气管内压力平衡时，进气倒流结束;同时在排气门处，随着缸内压力的降低，从某个时刻起，排气管内压力高于缸内压力，会出现排气管内工质倒流入气缸，直到排气门关闭，排气倒流结束.

通过仿真计算，每循环排气倒流质量为8.078×10e-6kg，进气倒流质量为8.062×10e-6kg.如果忽略进排气倒流，缸内温度和压力的最大误差为0.4%，做功不变(如图2所示)，柴油机的动力性和经济性指标也基本不变.考虑硬件在环仿真对系统实时性和准确性要求，对于6106柴油机在进行模拟计算时，可以忽略进排气倒流对柴油机性能的影响.由于忽略倒流的影响，仿真模型减少了逻辑判断模块和开关模块等多个程序模块，仿真程序得到简化，仿真时间大大缩短，提高了系统运行的实时性.

图1 柴油机建模仿真流程

4 仿真结果分析

为验证仿真程序的正确性、精确性及有效性，本文对6106柴油机进行数据采集.柴油机主要参数如表1所示.图2为气门重叠做功变化曲线;图3为标定工况下缸内压力仿真结果与实测结果的对比图.从图上可知，仿真结果与实验结果的峰值压力均出现在上止点后9℃曲轴转角处，仿真峰值压力为7.042 MPa，实测峰值压力为7.1 MPa，相对误差0.8%.

表1 6106柴油机主要技术参数

图2 气门重叠做功变化曲线

图3 缸内压力仿真与实测值比较

5 结论

(1)基于容积法建立6106柴油机工作过程仿真模型，在正确选择仿真参数的基础上对模型进行了仿真计算，仿真结果与实测结果吻合较好，证明了仿真模型的正确性;

(2)研究结果表明，基于MATLAB的柴油机工作过程仿真具有较高的可信度，有利于缩短开发周期和降低产品研制费用，是一种有效的研究和设计手段;

(3)分析倒流产生的原因及其对柴油机性能的影响，简化了仿真模型，提高系统运行的实时性.

［1］解茂昭.内燃机计算燃烧学［M］.大连:大连理工大学出版社，2005:95-98.

［2］刘孟祥.基于Simulink的柴油机及其控制系统的建模与仿真研究［D］.长沙:湖南大学，2001.

［3］何学良.内燃机燃烧学［M］.北京:机械工业出版社，1990:65-69.