船用增压四冲程柴油机曲柄连杆机构动力学仿真.pdf

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1、第42卷第1期2013年02月船海工程SHIP＆0CEANENGINEERINGV01．42No．1Feb．2013DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2013．01．033船用增压四冲程柴油机曲柄连杆机构动力学仿真乔英志。黄加亮(集美大学轮机工程学院，福建厦门361021)摘要：应用Matlab／Simulink软件，以Daihatsu6PSHdM．26H系列柴油机气缸为边界条件，建立增压四冲程柴油机工作过程的零维模型，得到了气缸内压力曲线；利用MATLAB软件编写动力学程序，得到曲柄连杆各机构的受力曲线。结果表明：仿真结果与理论计算有较好的一致性

2、。关键词：：船用四冲程柴油机；工作过程；曲柄连杆机构；动力学；计算机仿真中图分类号：U662．9文献标志码：A文章编号：1671-7953(2013)01-0121-05对柴油机动力学分析首先要得到气缸内压力曲线。以往进行动力学分析，缸内压力是由实测或配置简易的示功图得到。本文利用Matlab／Simulink软件，建立柴油机工作过程的零维模型，得到气缸内压力曲线。利用力学基本理论对曲柄连杆机构主要部件进行受力分析。应用Matlab软件编制程序绘制出主要部件受力随曲柄转角的变化的图形，为曲柄连杆机构部件强度、刚度和磨损分析提供依据。1柴油机工作过程仿真柴油机缸内工作是很复

3、杂的过程，它包括物理、化学、热传导与流动等过程。在气缸内各部分的温度、压力和气体成分也不同。本文将工作过程进行简化，以气缸为边界条件，利用Matlab／Simulink建立柴油机的工作过程零维模型，得到单缸气缸内压力曲线，利用“缸平移”法⋯得到其它各缸压力曲线。1．1柴油机工作过程数学模型柴油机工作过程燃烧模型有零维模型、准维模型和多维模型。零维模型认为系统内工质热力状态和组分不随空间坐标而变化，其控制方程是以曲柄转角为惟一自变量的常微分方程，主要用于柴油机燃烧过程宏观性能参数的分析、计算和收稿日期：2011一12—28修回日期：2012—01—04基金项目：福建省自然科

4、学基金项目(2011J01325)第一作者简介：乔英志(1987一)，男，硕士生研究方向：现代轮机工程管理E-mail：jlhuang@ilnu．edu．cn．预测心1；准维模型将燃烧室分为几个子区，每个子区内满足零维模型，用于预测柴油机的排放性能；多维模型利用数值方法求解描述燃烧过程的质量、动量、能量和化学组分守恒的多自变量的偏微分方程。准维模型和多维模型比较复杂，且计算速度较慢，不能满足仿真的要求。零维模型由于比较简单，且能准确计算缸内气体压力，满足动力学分析的要求，故本文选择柴油机工作过程的零维模型来计算柴油机气缸内的压力。零维模型假定气缸内工质的状态是均匀的，气缸

5、内各处的工质成分、压力和温度是相同的。用工质的质量、温度和压力来表示缸内气体的状态。缸内工质满足能量守恒方程、质量守恒方程以及气体状态方程p1，见图1。趴二F俨．d．．．．(．．．m．．．—u—)d口l辔dQ，d妒图1气缸内能量守恒简图1)能量守恒方程。根据热力学第一定律，给工质的加热量等于工质内能的增加与对外做膨胀功之和，它们都是曲柄转角的函数。即等扎等=半+p面dV地等+等(1)2)质量守恒方程。气缸内气体质量的变化】21第1期船海工程第42卷率是由进入气缸内的新鲜空气流量、燃油喷入量及排气流量所决定的。即面dm=孥+等-t-等(2)——=一+————IZd妒。d妒d

6、9、。73)气体状态方程。pV=mRT(3)式中：Q。——燃烧放出的热量，kJ；Q。——通过气缸周壁传人或传出的热量，kJ；m。——流人气缸内的空气质量；m，——流出气缸内的空气质量；rrt。——喷人气缸的燃油质量；h。、he——进气门处和排气门处工质比焓。1．2缸内工作过程计算方法缸内工作过程计算方法有两种：①先算出缸内的压力增量及下一步长的缸内压力，再由气体状态方程算出缸内的温度；②先计算出温度增量及下一步长的缸内气体温度，再由气体状态方程算出缸内气体的压力。本文利用后一种方法，具体流程见图2。：初始温度L压力0}⋯1能量守笾算囊弄守恒，{：犟窒雾曩扭餐T分’)／下一

7、步长温度+⋯J气体状态方程：下一步长压力p)图2缸内工作过程计算方法增压四冲程柴油机工作过程可分为进气、压缩、燃烧、膨胀、排气、气门重叠6部分组成’4o，利用Matlab／Simulink软件分别建立进气模块、压缩模块、燃烧模块、膨胀模块、排气模块、气门重叠模块，这些模块组成了柴油机工作过程计算的主要部分。使用Matlab／Simulink中的使能模块，控制这6个模块的执行。计算过程中6个模块依次传递的参数有气缸内的过量空气系数、工质质量、温度；最后将各模块的计算出的温度和压力值利用输出模块进行求和得到最终的计算结果。计算流程