基于Modelica语言的柴油机热动力学耦合建模及仿真分析

摘要

柴油机是一种实现燃料化学能向机械能高效转化的热力机械，热力学与动力学耦合进行、过程极为复杂。目前，普通商用软件只能单独对这两个过程进行模拟，不能实现柴油机热动力学耦合，并且商用软件的开放程度很低，在大型动力装置联合仿真中，柴油机只是作为其中的一环。考虑到上述这些因素，本文在Mworks平台上基于多领域统一语言Modelica建立柴油机热力学系统、动力学系统模型库及其耦合模型，在此基础上对柴油机热力学与动力学进行联合仿真分析。 首先根据柴油机实际结构，将柴油机按照不同系统（缸内过程、进排气系统、曲柄连杆机构等）划分为多个相互联系而又独立的子模块（进排气管、涡轮增压器、喷油器、活塞、连杆等）。在Modelica编译仿真平台Morks上按照柴油机部件的内部微分方程进行建模，建立基于Modelica语言的柴油机模型库。 以TBD620型单缸柴油机及TBD620V12型柴油机为例，按照其实际的物理结构，从已建立的柴油机模型库中选取子模块，将这些模块利用接口互相连接，以外部气源温度、压力和燃烧室组成壁面温度当作边界条件、设定柴油机尺寸结构参数等建立柴油机整机仿真模型，并将不同负荷下仿真压力结果与实验值进行比较，证明了所建柴油机模型的正确性;热力学模块和动力学模块之间通过接口进行压力和转速等数据的实时传递，从而实现联合仿真，得到了柴油机从启动到稳定时刻内转速、活塞位移、往复惯性力等性能参数随时间的变化，并分别对稳定后柴油机热力学性能、动力学性能进行了分析;利用已建好的联合仿真模型对柴油机负荷特性进行了动态仿真研究，分析了柴油机从25％～100％负荷之间突增突减情况下，柴油机的特性参数随时间的变化情况。 在所建柴油机模型基础上，保证其他参数不变，分别选取不同的柴油机压缩比、喷油提前角和配气相位进行优化。以1800rpm工况为例，对压缩比进行优化后，燃油消耗率下降了1.48％，有效功率提升了2.21％;对喷油提前角进行优化后，燃油消耗率下降了1.61％，有效功率提升了2.63％;对进气凸轮偏移角优化后，燃油消耗率下降了0.4％，有效功率提升了0.62％;对排气凸轮偏移角优化后，燃油消耗率下降了0.4％，有效功率提升了0.62％。