柴油天然气双燃料发动机气缸系统建模及仿真研究

0 引言

长久以来我国能源形势都十分严峻，能源安全问题备受国家高度重视。自上世纪70年代以来，历史上曾经出现过三次严重的能源危机，每一次危机的出现，都激发着人们对替代燃料研究的热情

。近期，随着国际局势的不安稳，国际原油、煤炭等能源价格大幅上涨，是否即将迎来新一轮的能源危机？

柴油作为传统发动机的主要能源之一，成本高且污染大，为降低对其的依赖，主要采用混合柴油和双燃料技术。天然气因其安全性高、价格低、热值高、污染小等优点，已成为发动机双燃料技术的重要发展方向，许多公司正在加速对柴油/天然气双燃料发动机在钻井、发电及船舶运输等领域的投资。目前柴油/天然气双燃料发动机主要采用高压直喷压燃式和进气道预混喷射两种技术路线

。针对双燃料发动机的仿真模型，国内外学者面对不同情况、研究不同方法，均建立了优秀的模型，具体可包括为CFD模型、均值模型、容积法模型、多项式插值模型和基于混合理论模型或模块化建模理论的模型等

。

本文基于Matlab/Simulink软件，借鉴以往经验，采用模块化建模理念，利用容积法，搭建完成柴油/天然气双燃料发动机气缸系统仿真模型，可为双燃料发动机的理论研究、虚拟标定、控制系统开发、控制策略和算法的研究等，提供帮助。

1 工作介质特性参数计算

1.1 瞬时过量空气系数

发动机气缸系统内工质的成分在不同工作过程内是不断变化的，工质的成分变化可以用瞬时过量空气系数α

来表示。

(1)

式中，

为系统实际空气质量；

和

为瞬时系统内的燃油及燃气质量；

和

为燃料燃烧百分数；

0

和

0

为燃料理论燃烧空气量。

1.2 气体常数

根据式14和式15可计算出气缸工作容积及周壁传热，利用式16可计算出气缸工质温度变化率并对其积分后即得气缸内工质温度。

(2)

目前计算发动机气缸壁面传热系数时，多采用沃希尼计算公式，沃希尼公式的本质是数据拟合，基础数据主要来自柴油机，具有扩散燃烧的特点，双燃料属于柴油多点着火，引燃天然气后形成较为均值的火焰传播，整体火焰温度比纯柴油模式要低，接近均值压燃着火过程(HCCI)，需对沃希尼公式计算结果进行修正。

1.3 瞬时绝热指数与瞬时比定压热容

瞬时绝热指数可用式3表示，同时求得气体常数和绝热指数之后，根据工程热力学定义可得比定压热容，至此气缸内工作介质特性参数可全部求得。

k

=1.4373-1.318×10

T+3.12×10

T

-4.8×10

/α

(3)

(4)

(5)

2 基本微分方程

图3为应用式13搭建的燃烧放热率仿真模型，可通过调节燃烧天然气的质量来完成双燃料发动机在三种不同运行模式之间的切换。

2.1 气体状态方程

因双燃料发动机气缸内的工质复杂，为利于计算，将工质假设为理想气体，并且忽略气缸內液态柴油的质量。

=

(6)

2.2 质量守恒方程

不确定型决策根据决策环境和决策者的需要不同，所依据的标准也不尽相同。一般有乐观、悲观、折衷主义准则等[12]。遵循悲观准则，到达正理想点的距离最远的加权偏差之和，构造求取权重指标的优化数学模型为：

(7)

(8)

式中，

为发动机曲轴转角；

为进入系统内的空气质量；

为流出系统内的气体质量；

为系统内已燃烧的柴油质量；

为系统内已燃烧的天然气质量。

2.3 能量守恒方程

发动机气缸系统遵守热力学第一定律，依据热力学第一定律，气缸系统工质能量守恒方程如式9所示。

柴油/天然气双燃料发动机一般具有三种运行模式：纯柴油运行模式、最大燃气运行模式和双燃料运行模式

。在纯柴油运行模式下，气缸工质质量变化如式7表示；在最大燃气模式和双燃料模式下运行时，质量变化如式8表示，通过对其积分可求得气缸内工质质量。

(9)

式中，

为工质内能变化量；

为进入系统内的空气焓值；

为流出系统内的气体焓值；

为系统内已燃烧的柴油燃料低温热值；

为系统内已燃烧的天然气燃料低温热值。

式中，

、

、

为燃烧品质指数；

、

为燃料分数；

、

、

为预混合燃烧、扩散燃烧和天然气燃烧的持续期；

、

、

为预混合燃烧、扩散燃烧和天然气燃烧的起始角。

2.4 燃烧放热率计算

发动机的燃烧过程十分复杂，若用数学方程式来准确的描绘较为困难。当前主要通过分析实测示功图、分析喷油规律、建立零、准及多维燃烧模型来对燃烧放热率进行计算

。韦博(Vibe)公式是国内外用于燃烧放热率计算的半经验公式中适用性较高的

。本文采用三韦博公式，可更快捷、精确的完成对双燃料发动机气缸燃烧过程的模拟，此时不考虑流体的湍流运到、燃油燃气的雾化程度。

10)

(11)

(12)

(13)

该品种春季幼叶黄绿色，夏季成熟叶片深绿色，椭圆形，叶面革质有光泽。树姿开张，枝条节间短，无针刺。幼树生长势较强，喜肥，干性强，枝条直立生长，进入结果期后，骨干枝自然开张，树势中庸。丰产期亩产可达4 200 kg。

三韦博公式方法可以很好的仿真计算双燃料的燃烧过程，但涉及到的参数较多，计算过程较复杂，当双燃料中某种一种燃料占比为绝度量时，可以考虑这种燃料对应的韦博曲线来模拟整个燃烧过程，此时认为占比绝对小的燃料按照主燃料的反应规律进行燃烧，如微喷引燃发动机，柴油占比较小，可以使用单韦博天然气燃烧的计算公式来模拟双燃料燃烧的放热规律，反之，如果柴油占比绝对多，可以使用柴油燃烧的双韦博计算公式来模拟双燃料的燃烧过程，使整个仿真工作实施起来更简单方便。

2.5 气缸工作容积及周壁传热

式中，

和

为气体压力、温度；

=0

35-0

05

0765

；

=11

1+14

3

051

；

=0

252+0

102

0401

；

=(

-1)

(0

0698+

)。

理想气体常数与温度、压力无关，但气缸处于燃烧和膨胀过程中，工质压力过高，理想气体假设不成立，根据查哈里亚斯等人的研究

,气体常数可用式2表示。

(14)

(15)

(16)

3 建模与仿真分析

3.1 Simulink仿真模型搭建

柴油/天然气双燃料发动机气缸系统仿真模型，基于Simulink建模工具，应用上述公式及模块化建模的方式，将气缸系统划分为六大模块：热力学参数计算模块、各缸瞬时容积计算模块、各缸周壁传热计算模块、各缸内部压力及温度计算模块、各缸内部质量计算模块、各缸燃烧放热率计算模块。热力学参数仿真模型、气缸压力及温度仿真模型和燃烧放热率仿真模型，分别如图1～图3所示。

取发动机气缸壁、气缸盖和气缸活塞为边界，将气缸作为热力系统，假设缸内工质为理想气体且状态均匀，忽略工质进出时的动能，则气缸内工质状态可用基本状态参数P、T及m表示

。使用气缸基本微分方程可将整个发动机气缸的工作过程串联起来。

证法4 (构造矩形，巧用三角形中位线法)如图6，作B′M⊥AB，垂足为M，连接CM、BB′，设BB′交DE于点P，则四边形CBMB′、OAMB′均为矩形，P是BB′的中点．因而BB′、CM互相平分，OB′=AM．进而P是CM的中点．

3.2 HIL仿真平台搭建

硬件在环测试平台(hard in the loop)，简称HIL，用于电控系统的控制器在环测试，HIL测试平台主要由实时仿真机、IO板卡、故障注入单元、电源、负载箱等组成，其中实时仿真机中运行着被控对象物理模型，来仿真模拟被控对象的运行状态。本次试验过程使用的是dSPACE HIL，德国dSPACE生产的12U标准机柜，采用DS2680组合式IO板卡，具有很高的紧凑型，IO通道资源较多，功能分配均匀，能够满足汽车级多种电控系统的HIL测试，整体HIL结构如图4所示：

质量管理主要由质量管理部门及生产车间联合管理，质量管理部门侧重制丝、卷包质量的综合管理与控制，以抽检、理化检验及车间数采报告为主要检验方式；车间质量管理主要由工艺质量员进行，侧重本车间过程质量检验，同时配合质量管理部门完成计量仪器校准及质量采集数据上报等任务。

HIL的上位机电脑通过软件ControlDesk对整个HIL仿真过程进行控制，包括发动机的各传感器、开关、执行器的状态控制等，能够像真实发动机或船舶/汽车一样进行人工或自动化操作，本次试验使用的上位机软件界面如图5所示，为了加快试验效率，保证多次试验的高度重复性，采用自动化控制，自动化软件使用ECU-TEST，是一款通用的HIL 自动化测试软件，能够兼容dSPACE、NI、ETAS等多种HIL测试平台，测试用例编写基于图形化控件完成，如图6，常规测试无需借助Python、C等编程语言辅助。

麦肯锡全球研究所给出“大数据”的定义是：一种规模大到在获取、存储、管理、分析方面大大超出了传统数据库软件工具能力范围的数据集合，具有量大、类型多、价值高、处理速度快四大特征。通俗的讲，大数据指的就是对大量的、不同类型的数据信息进行的集合，这种数据信息可以是数字，也可以是文字资料，比如，某个客户的具体信息，包括姓名、性别、联系方式、看好等。大数据的收集能为企业带来精确的市场预测，使企业的发展战略更加精准。那么，为了顺应时代发展趋势，让成本数据更好地为企业管理决策服务，就需要发挥大数据的优势。

普查是一项庞大的工程，其绩效水平评价是一个十分复杂的问题，建立一个科学而可操作的评价方法与模型具有明确的物理意义和重要的现实意义。从利益相关者的角度切入分析，基于业绩三棱柱理论结合普查特点，设置普查绩效的五维度评价，构建多指标可拓综合评价模型，将普查绩效评价定量化，实例表明评价结果能够较为直观明确地反映普查工作的综合质量水平可以消除现有评价工作的模糊性和主观性，直观地体现普查工作全程的优缺点，能够为普查工作的经验总结与制度完善发展指出较明确的方向。

3.3 发动机台架搭建

搭建某型双燃料发动机台架并进行试验，是一款柴油引燃天然气进气管喷射的双燃料发动机，具备柴油机的高压缩比，高热效率的特点。与原型柴油机相比改造较小，对燃气成分要求不高，微粒和NOx排放都要优于原柴油机，可以实现纯柴油模式与双燃料模式的一键切换。

本次试验使用AVL的燃烧分析仪进行数据采集和分析，能够分析气缸压力、放热过程、爆震系数、角域和时域数据记录以及燃烧噪声分析等。

选择耐高温抗病品种，搞品种搭配种植和套种，降低生产风险。栽种前要查看本地区常年最高温时段发生的时间，通过提前计划，调整播种期让抽雄吐丝期错开高温天气。

本文以问卷调查数据为基础，实证分析了农户对保费补贴政策的认知度和邻里效应对农户参保决策的影响，结果表明：农户对保费补贴政策的认知度和邻里效应对农户参保决策均有显著的影响；农户对保费补贴政策的认知度越高，农户参保的意愿就越强烈；邻里参保的农户更愿意参保。此外，农户对种植业保险的重要性评价也是影响农户参保决策的重要因素之一。在实证分析的基础上，本文提出以下建议。

3.4 仿真结果及对比分析

分别在HIL测试平台和发动机台架上进行试验，对燃烧放热数据进行采集，图7为柴油/天然气双燃料发动机气缸系统的仿真燃烧放热率曲线图，从图7可以看出，柴油引燃天然气后会迅速发放热量，同时可以看出双燃料燃烧模式的燃烧放热率曲线与单燃料燃烧模式的燃烧放热率曲线相比多一个峰值，其中第一次为柴油引燃天然气时放出的热量，第二次为天然气进行燃烧时放出的热量。

从图8仿真与实验曲线对比图中可以看出，仿真模型数据偏差较小，在允许的误差范围之内，说明本文搭建的仿真模型具有一定的适用性与精确性。

4 结论

本文基于Matlab/Simulink建立柴油/天然气双燃料发动机气缸系统仿真模型，采用三韦博函数可完成对双燃料发动机气缸系统及其在全柴油模式、双燃料模式及最大燃气模式下的模拟仿真研究，经过与实验对比具有可行性，可将其应用于控制策略及算法研究、控制系统开发等工作之中。

[1]应琛,刘绮黎.历史上的三次能源危机[J].新民周刊,2021(45):44-45.

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