柴油机用带放气阀增压器建模仿真与优化分析

0 引言

柴油机，特别是满足国六排放的柴油机对气路的控制尤为重要，增压器是影响柴油机性能的关键部件。增压器的种类有可变截面增压器和放气阀增压器，一般基于研发成本考虑，优先选择放气阀增压器。在发动机性能开发过程中，增压器选型是影响发动机性能的重要环节。因增压器匹配选型需进行大量的增压器匹配性能试验。为减少一些不必要的增压器性能试验，本文通过建模对放气阀增压器仿真分析，根据仿真结果并进行性能优化。增压器的系统建模仿真可以全面分析与评价增压系统的特性，当外界环境条件变化或发动机工况等影响参数改变时，可以系统分析边界条件变化对增压器性能的影响，同样也可以对增压器本身结构参数进行仿真，进而为增压器设计提供有价值的数据。电控开发，特别是控制模型开发和闭环测试都为增压器系统模型的仿真提供了用武之地。本文提出一种基于Matlab/Simulink仿真平台的建模方法，根据增压器、放气阀的结构参数及工程热力学、力学等原理计算出增压器的进气压比等数据，并对仿真模型与试验结果进行对比分析，验证仿真模型的准确性。经过系统优化，提出增压器模型的改良方案。通过建立涡轮增压系统热力过程数学模型，运用计算机模拟与仿真方法，可加快开发进度，提高开发质量

。

1 增压器物理建模

1.1 增压器数学模型

等熵效率=等熵功耗/实际功耗等熵效率的物理意义是将气体从压力 p1 压缩 到压力 p2 理想的、无摩擦的、绝热等熵过程所需要 的机械功(等熵压缩功)与实际的、有摩擦的、绝热熵 增过程所需要的机械功(消耗功)之比

。在压缩机中，理想的等熵过程时不能实现的，但它可以作为一个比较标准，即如果实际过程愈接近等熵过程，熵增愈小，则说明压缩机中的流动损失就愈小。a、压气机工作原理：压气机是用来提高进入发动机内的空气压力，供给发动机工作时所需要的压缩空气，也可以为座舱增压、涡轮散热和其他发动机的功能提供压缩空气。根据热力学第二定律，压气机的等熵效率为

(1)

每年为政府提供一份区域非物质文化遗产保护和开发的研究报告。同时加强和地方文化、旅游、民族部门的联系，开展横向课题合作。与百色市及下属各县等合作建设系列非物质文化遗产研究基地，为区内外研究人员的田野调查和研究提供场所和方便，帮助各县区开展非物质文化遗产的申报和保护、研发等工作。

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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。

尹爱群的眼泪大颗大颗滚落，他急忙追到楼下，已不见人影。他忙拨打扬扬的电话，却在屋里响了起来。他忘了，扬扬的电话也留下了。尹爱群的心里又感动又愧疚又悲伤。这么好的女孩，自己怎么能如此伤害呢？

式中，p

(kPa)和T

(K)分别是实验时测得的大气压力和温度， T

(K)和T

(K)分别为压气机进口滞止温度和出口滞止温度，P

02 ) (kPa)和 P

(kPa)分别为压气机进口滞止压力和出口滞止压力。

甜瓜(Cucumis melo.L)是上海市重要水果之一。近年来,工厂化育苗成为主要育苗形式之一,与传统的育苗方式相比,工厂化育苗土地利用率高,用种量减少,育苗周期短,适于机械化操作,人为控制环境,不受外界条件干扰,病虫害轻、省工省力,可规模生产,苗壮且成苗率高。甜瓜是喜温作物,温度对植物根系水分吸收以及体内水分转移有着重要影响[1-3]。甜瓜生产过程中,夏季工厂化育苗常因温度过高,导致幼苗下胚轴徒长,易形成高脚苗,影响穴盘苗质量[4],且严重影响花芽分化。低温胁迫易造成幼苗生理伤害,影响正常生长发育。因而,温度过高与过低是甜瓜种苗生产中面临的突出问题。

b、涡轮机工作原理：

废气通过排气歧管进入涡轮壳体推动涡轮旋转，因为涡轮和叶轮共轴所以在另一侧壳体内的叶轮也跟随涡轮共同旋转，叶轮压缩空气并将高密度的压缩空气送去入燃烧室内参与燃烧。

式中，T

(K)和 T

(K)分别为涡轮进口滞止温度和出口滞止温度，P

(kPa)和 P

(kPa)分别为涡轮进口滞止压力和出口滞止压力。η

为涡轮的最高效率，c

为恒压比热容。

涡轮机的等熵效率为：

(3)

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

=T

，p

=p

。由于涡轮的出口速度较小，可以近似认为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：

(4)

(5)

整个过程不从发动机取力，利用发动机工作产生的废气推动，几乎不使发动机产生额外的负载。

c、增压器转轴原理：

增压器转子轴向力是指压气机叶轮和涡轮叶轮两侧的气体压力的代数和

。压气机叶轮和涡轮叶轮分别受到各自叶前和叶背的气体压力，压气机端受到的总轴向力为M

，涡轮端受到的总轴向力为M

。传统理论计算方法是指：在满足假设条件下，通过热力学、动力学分析，结合一些经验参数和经验公式，计算出转子轴向力的方法。较常采用的是文献[7]所介绍的方法考虑涡轮机、压气机、增压器转轴摩擦扭矩，增压器转轴力矩方程为：

(6)

式6中，J为增压器转轴转动惯量，ω为转动角速度,M为扭矩，T表示涡轮机，C表示压气机。

根据转子扭矩和功率关系N=Mω和ω=2πn，有：

(7)

转轴的摩擦消耗与转速的平方成正比。式中，N

为涡轮端功率，N

为压气机端功率， N

为摩擦功率。

1.2 废气旁通阀数学模型

将各部分封装后调试，封装后模型如图6所示。

当下，百里香便打定主意，一定找机会劝铁头大哥迎娶琵琶仙，以成绝世良缘，便慨然道：“贤妹放心，这个媒人我做定了！”琵琶仙破泣为笑，欲演琵琶一曲，以谢义兄。百里香哪有闲心听曲，便将川矢到香肠铺子“拜师”之事细说一遍。琵琶仙也觉蹊跷。百里香说：“我想今晚就把铺子关了，回乡下去，特来向你告别！”琵琶仙连说不妥。“川矢拜师，我看十有八九是装装样子，收买人心，”琵琶仙分析说，“这时候你一走了之反而不好，不如假意周旋，也好为铁头大哥做个内应！”百里香一听有理，当下便改变主意，返回铺子。

(8)

对于自动调节过程，一般选用线性流量特性的调节阀，线性流量特性调节阀：

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1.2.4 CCK-8检测过表达miR-454-3p对SW480细胞增殖能力的影响 将经过转染操作的两组SW480细胞接种于96孔板中，置于37 ℃培养箱中培养1、2、3、4 d后，向每孔加入10 μL CCK-8溶液（上海东仁化学科技公司），注意避免产生气泡，后置于37℃培养箱中孵育2 h后，用酶标仪测定450 nm处的吸光度，重复3次。分析两组细胞的活力。

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，放气阀的工作特性方程为：

放气阀工作特性曲线如图1所示。

1.3 增压器物理建模

根据增压器的数学模型用Matlab搭建物理模型，如图2所示。

增压器模型主要由压气机模型、增压器转轴模型、涡轮机模型等组成，其中压气机模型如图3所示。

在电气工程的节能设计中，应尽最大努力减少传输过程中的电能损失。通常的做法是选择导电率低的材料。在设计过程中，如果当地经济条件允许，选择铜电缆进行电路设计是较好的方案。同时，在电路设计过程中，必须保持电路趋势直线化，缩短电线长度。根据电线的加热情况和电压的损失，选择电路中的电线是科学合理的技术路线[8]。

增压器转轴模型如图5所示。

涡轮机的输入主要有涡轮前排气温度、压力，增压器转速，排气质量流量，输出主要有涡轮后的排气压力、温度、涡轮扭矩及有效功。

压气机模型的输入是增压器转速、进气流量，环境温度和压力。主要输出有增压后进气温度、进气压力、压气机扭矩及机械功。涡轮机模型如图4所示。

增压器转轴模型的输入是涡轮、压气机的扭矩，转轴的摩擦扭矩，输出是增压器转轴转速。

在对创业知识获取的来源上，受访者普遍认为学校授课构成创业知识的重要来源，此外电视中的创业实战类节目、亲身实践以及媒体与社会宣传、专业基础知识、学校课外活动、家庭教育也成为学生获取创业知识的主要来源。

废气旁通阀位于涡轮增压器废气通道侧面，从发动机过来的废气在这里有两条路可以走，一条是去驱动涡轮，另一条是从废气旁通阀直接进入排气管。涡轮增压发动机废气旁通阀主要是控制增压压力的，因为随着发动机转速的提升，废气量越来越大，增压器转速越来越高，增压压力也随之升高。但是增压也要有个限度，超过发动机承受能力的话必然会导致发动机损坏，所以在增压压力达到最大承受能力时就需要打开废气旁通阀，让一部分废气从旁通阀直接进入排气管，以此控制增压压力，防止损坏发动机。

而夏天，听着外面猛烈的雨声，心里渐渐感觉到了局促，什么时候才可以走呢？外面有没有公交车？即使有公交车，这个遥远而陌生的地方，他能够顺利地回去吗？晓晓是他心目中的女神，这是他和她单独相处的第一个晚上，他不能冒犯她，他不能唐突她，如果不走，他可以做到吗？

1.4 放气阀物理建模

放气阀的物理建模如图7所示。

放气阀模型的输入是放气阀开度，参数主要有放气阀理论可调比、放气阀最大流量等，输出是放气阀流量。

所谓科学素养，指的是具备基本的科学知识、运用科学方法的能力、掌握科学思维和科学思想，以及运用科学技术处理社会事务、参与公共事务的能力。按照国际标准，衡量一个国家是否进入创新型国家行列，这个数字非常重要。可以说，8.47%反映了我国公民对科学的理解、对科学技术的态度等内容的整体状况。相较于2010年的3.27%、2015年的6.20%，这个数字在一定程度上表明，经过近些年的努力，我国公民的科学素质更高了。

2 增压器仿真分析

依据增压器厂商提供的某增压器特性曲线及结构参数，进行某发动机增压器性能仿真。

大数据时代，“知识服务”将成为高校图书馆的重要功能。秦晓珠等[20]提出了大数据知识服务使信息服务智能化。医学图书馆在未来发展中，要面临以复杂海量数据为对象、以深度数据挖掘为应用、以数据分析应用为目的的严峻挑战[21]。医学图书馆的服务途径要转变成管理知识和发现知识，要不断学习数据挖掘分析和存储的知识技能。构建数据仓库，根据用户的不同需求，积极帮助和协助用户应用到科研或者是实验中。

对某6缸发动机外特性点进行仿真分析，仿真与试验得到的中冷前进气压力对比如图8所示。仿真与试验结果对比，可以看到，只要供应商或试验提供的压气机性能曲线准确，则该模型对进气压力的仿真准确度很高，误差在-2.2%～+2.5%，大部分数据误差不超过±1.5%。

仿真与试验得到的中冷前进气温度对比如图9所示。中冷前进气温度仿真与试验结果误差相对较大，在增压器较高转速(90000转以上)时误差在-6.7%～+5.58%，不超过10℃。在增压器较低转速时误差较大，特别是小于20000转时会达到37%，仿真与试验结果相差50℃左右。可以看到如果想得到更理想的进气温度仿真还需要对增压器模型参数进行优化。

3 模型优化

如果将增压器模型作为发动机模型的一部分进行联合仿真，还需建立进气中冷器模型，考虑中冷前后的温差及压降，如果发动机结构包含EGR、节流阀等复杂装置则对该模型的准确度有更高要求，此模型可以更改为VGT模型，再增加对环境温度、大气压力的影响，如模拟高原反应，同时对发动机缸内做功模型进行合理优化，整套模型可以对发动机极限环境的运行工况性能进行准确仿真分析。

4 结语

本文通过建立柴油机用带放气阀增压器数学模型，在Matlab/Simulink仿真平台上对某增压器压气机模型、涡轮机模型、增压器转轴模型、放气阀模型进行建模仿真，通过仿真并与实验结果进行对比分析，发动机外特性点进气压力与进气温度误差较小，能够替代部分非必要的增压器性能台架试验，能够大大缩减开发周期，提高开发质量，降低开发成本。

[1]刘孟祥.《车用柴油机废气涡轮增压器热力过程数学建模》[J]. 邵阳学院学报(自然科学版). 2010,7(02)：40-42.

[2]强艳等.《压气机效率计算方法的探讨》[J].燃气涡轮试验与研究. 2019,32(06) ：26-30.

[3]杨世铭等.《传热学》[M].高等教育出版社，1998.

[4]华自强等.《工程热力学》[M].高等教育出版社，2009.

[5]顾宏中.《涡轮增压柴油机热力学过程模拟计算》[M].北京.机械工业出版社，1992.232.

[6]王云龙等.车用涡轮增压器转子轴向力数值计算与分析[J].机械设计与制造. 2014,(03)：37-40.

[7]Han GU K-CHAN，Na SUCK-Joo. A study on torch path planning in laser cutting processes part：Cutting path optimization using simulated annealing[J] .Journal of Manufacturing Process，1999(1)：62-70.