（轮机工程专业论文）基于simulink的8k90mcc柴油机串联废气发电系统的建模与仿真.pdf

r e s e a r c ho nt h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f8 k 9 0 m c - - c d i e s e le n g i n ee x h a u s tg a sp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mw i t h t h ep o w e rt u r b i n ef e di ns e r i e sb a s e do ns i m u l i nk at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y z h o uk a n g 、 ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rd u a ns h u l i n m a y 2 0 1 1 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文= = 基王墨i 堡坠! i 逃的曼至塑q 丛：装油扭皇珐废氢筮电丕统 的建搓量笾裹：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明 的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人 承担。 学位论文作者签名：上她 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密耐( 请在以上方框内打“) 一( 日良名：渺砰 日期： 年月日 一 l - i 。j 中文摘要 摘要 随着全球石油资源的日趋减少和环境的日益恶化，节能减排已成为人类共同 关注的热点话题。尤其是在船舶领域，自2 0 0 7 年海洋环境保护委员会( m e p c ) 启 动了新船能效设计指数( e e d i ) 以来，船舶柴油机废气余热回收技术越来越受到 各方的重视。其中，利用船舶柴油机废气余热发电更是受到广泛关注，也是全球 各大柴油机及动力设备集成配套公司重点研究的方向。 本文利用s i m u li n k 仿真软件，建立了8 k 9 0 m c - c 船舶柴油机的系统模型以及 以该柴油机为基础的串联废气发电系统模型。并编写了m 文件仿真程序，首先对 柴油机系统模型进行仿真，以验证其j 下确性，然后再对以该柴油机为基础的串联 废气发电系统进行仿真，得到相关参数的仿真结果。 根据仿真结果可知，当柴油机负荷低于5 5 时由于动力透平发电机的有效输 出功率过低所以应将其旁通。只有当柴油机负荷高于5 5 时，该废气发电装置才 能投入运行，并随着柴油机负荷的增大，其输出的最大有效功率也增大。此外， 当串联废气发电装置投入运行时，该动力装置的整体油耗率将会降低，总热效率 也会升高。 总之，本文对船舶柴油机串联废气发电系统的研究思路和方法能够为其他废 气发电系统的研究提供一定的借鉴，同时本文的研究结果也能为实船上柴油机废 气发电系统的选择应用提供一定的理论参考。 关键字：柴油机；节能减排；废气发电系统；建模与仿真 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e c r e a s eo fe ；1 0 b a lo i lr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a ld e t e r i o r a t i o n ，e n e r g y c o n s e r v a t i o na n de m i s s i o nr e d u c t i o nh a sb e c o m eah o tt o p i cw h i c hh u m a nc o n c e r n e d i nt h es h i p p i n gf i e l d s ，s i n c e2 0 0 7w h e nm a r i n ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nc o m m i t t e e ( m e p c ) l a u n c h e dt h ee n e r g ye f f i c i e n c yd e s i g ni n d e x ( e e d i ) f o rn e ws h i p s ，m a r i n e d i e s e le n g i n ee x h a u s th e a tr e c o v e r yt e c h n o l o g yh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b ya l lp a r t i e s ，e s p e c i a l l yt ot h ee x h a u s tg a sp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi st h e k e yr e s e a r c hd i r e c t i o no ft h ew o r l d sl e a d i n gd i e s e le n g i n ec o m p a n i e s i nt h i s p a p e r , t h es i m u l a t i o nm o d e l so f8 k 9 0 m c - cd i e s e le n g i n es y s t e ma n d e x h a u s tg a sp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h e8 k 9 0 m c cd i e s e le n g i n e a n dw i t ht h ep o w e rm r b i n ef e di ns e r i e sa r eb u i l tu s i n gt h es i m u l i n ks o f t w a r e a n dt h e d i e s e le n g i n es y s t e mm o d di ss i m u l a t e df i r s t l ys o a st oe n s u r et h i sm o d e li sc o r r e c t a n dt h e n ，t h ee x h a u s tg a sp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mm o d e li ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep o w e rt u r b i n eg e n e r a t o rs h o u l db eb y p a s s e d w h e nt h ed i e s e le n g i n el o a di sl e s st h a n5 5 ，b e c a u s eo fi t sl o we f f e c t i v ep o w e r a n d o n l yw h e nt h ed i e s e le n g i n el o a di sm o r et h a n5 5 ，t h i se x h a u s tg a sp o w e rg e n e r a t i o n d e v i c ec o u l dp u ti n t oo p e r a t i o n ，a n di t sm a x i m u me f f e c t i v ep o w e ri n c r e a s e sw i mt h e i n c r e a s eo fd i e s e le n g i n el o a d a tt h es a m et i m et h et o t a le f f e c t i v ef u e lo i lc o n s u m p t i o n o ft h i ss y s t e mw i l ld e c r e a s e ，a n di t st o t a lt h e r m a le f f i c i e n c yw i l li n c r e a s e i naw o r d ，t h ei d e a sa n dm e t h o d sd e s c r i b e di nt h i sp a p e rc o u l dp r o v i d ear e f e r e n c e f o rt h er e s e a r c ho no t h e rk i n do fe x h a u s tg a sp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sw eg e tf r o mt h i sp a p e ra l s oc o u l dp r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h es e l e c t i o n o fe x h a u s tg a sp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mo nb o a r d k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；e n e r g yc o n s e r v a t i o n a n de m i s s i o nr e d u c t i o n ； e x h a u s tg a sp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ；m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 课题背景和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 论文的主要内容3 第2 章8 k 9 0 m c c 柴油机及其串联废气发电系统的物理模型5 2 1 8 k 9 0 m c - c 柴油机的概况5 2 2 柴油机及其串联废气发电系统的物理模型5 2 2 1 气缸6 2 2 2 排气管一7 2 2 3 废气涡轮增压器8 2 2 4 中冷器8 2 2 5 扫气箱9 2 2 6 动力透平9 第3 章二冲程船舶柴油机缸内热力过程的数值分析1 0 3 1 缸内热力过程的基本微分方程1 0 3 2 缸内工质的热力性质1 2 3 2 1 工质的成分12 3 2 2 工质的比热、绝热指数与气体常数1 3 3 3 缸内热力过程计算的边界条件1 5 3 3 1 瞬时气缸工作容积1 5 3 3 2 燃烧放热规律15 3 3 3 气缸周壁的热传导计算1 8 3 3 4 扫气口、排气阀的流量计算1 9 3 3 5 气缸扫气模型2 3 3 4 缸内各阶段的热力过程分析2 4 3 4 1 压缩过程2 4 3 4 2 燃烧过程2 5 目录 3 4 3 膨胀过程一2 6 3 4 4 自由排气过程一2 7 - 3 4 5 扫气过程一2 7 3 4 6 后排气过程- 2 7 - 第4 章二冲程船舶柴油机进排气系统的热力计算- 2 9 4 1 排气管的热力计算2 9 4 2 排气温度的计算一31 4 3 中冷器的计算一3 2 4 4 进气系统的计算3 2 4 5 废气涡轮增压器的计算3 4 4 5 1 废气涡轮增压器中的能量传递一3 4 4 5 2 压气机特性参数计算3 5 4 5 3 废气涡轮特性参数计算3 6 4 6 动力透平特性参数计算3 8 4 7 柴油机性能计算4 0 4 7 1 每缸每循环的指示功4 0 4 7 2 平均指示压力4 0 4 7 3 机械效率和平均有效压力4 0 4 7 4 有效功率4 1 4 7 5 有效油耗率4 1 第5 章基于s i m u l i n k 的8 k 9 0 m c c 柴油机及其串联废气发电系统的仿真设 计z 1 3 5 1sim ui n k 交互式仿真环境4 3 5 1 1s i m u i n k 仿真环境及特点4 3 5 1 2 仿真模型的一般性结构4 4 5 1 3 仿真参数设置4 4 5 1 4 子系统的创建与封装4 5 5 28 k 0 0 m c - c 柴油机及其串联废气发电系统的仿真设计4 6 5 2 1 仿真方案的设计4 6 目录 5 2 2 仿真系统构成5 0 5 38 k 9 0 m c - c 柴油机系统的仿真及结果验证5 8 5 3 1 仿真思路和步骤5 8 5 3 2 仿真结果验证6 0 5 48 k 9 0 m c - c 柴油机串联废气发电系统的仿真及结果分析6 3 5 4 1 仿真思路与步骤6 3 5 4 2 仿真结果分析6 5 第6 章结论与展望7 7 6 1 全文总结7 7 6 2 工作展望7 9 参考文献8 0 附勇之8 4 致谢8 6 研究生履历8 7 基于s i m u l i n k 的8 k 9 0 m c c 柴油机串联废气发电系统的建模与仿真 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 柴油机以其具有良好的经济性、宽广的功率范围、尺寸小、重量轻、机动性 好、可靠性高、寿命长等优点，在现代船用发动机中已取得了绝对的统治地位。 柴油机是目前为止热机领域内效率最高的内燃机，其热效率为3 0 - - 5 5 左右。 其废气带走了的能量占到了燃油发热总量的2 5 4 0 n 一1 ，具有很大的回收利用 潜力。尤其是对大功率船舶柴油机而言，由于其耗油量多，排温高，排气量大， 因而其废气中蕴藏的可回收利用的能量巨大。 目前，石油燃料依然是现代船舶柴油机所使用的主要能源，对于商船而言， 减少燃油消耗，提高动力装置经济性以降低营运成本尤为重要。然而，自上世纪 7 0 年代世界石油危机爆发以来，石油价格的上涨导致了航运成本大幅上升口4 1 ，因 此，节能减排，提高燃油的有效利用率越来越受到人们的重视。然而，若想通过 改进柴油机的结构提高柴油机的热效率以减少油耗率目前尚存在很大的困难，而 且效率提高程度有限。于是，通过废气回收装置回收利用废气中蕴含的高品质余 热，以提高燃油的总利用率和柴油机的总效率是目前缓解油价上涨所带来的营运 成本上升压力行之有效的方法也是必然的趋势。尤其对于大型船舶柴油机而言， 若能提高1 的燃油利用率，对于节省营运成本，减少排放也极其可观瞄1 。 然而，国内目前很多船舶系统并没有充分利用柴油机废气中蕴藏的这部分宝 贵的能量，很多船舶只是将柴油机废气用于废气涡轮增压后通过废气锅炉就排入 大气。有文献指出，按以上方法运行而排入大气的废气温度还能高达2 7 0 左右， 这部分废气能量却被白白浪费掉了。并且柴油机的排气温度高达4 0 0 以上，属 于中温余热，能量品位较高，根据“按质用能，各用其所 的用能原则，对于品 位高的余热能量应该考虑先作动力利用，再作热利用嘲，以最大限度的回收其余 热能量。然而，按照我国船舶目前的普遍做法则是将高品质的能量单纯用作加热 热源，便会出现“高能低就 的不合理现象。 本文针对8 k 9 0 m c - c 大功率低速二冲程柴油机，以m a t l a b s i m u l i n k 为平台 建立其串联废气发电系统模型并进行仿真。通过仿真能在最大限度的节省人力、 物力和资金的情况下，定量计算出废气温度、有效发电功率等系统参数在不同的 第1 章绪论 柴油机负荷下的值，并能根据仿真结果分析总结出这些系统参数随柴油机负荷的 变化规律，进而为船舶柴油机废气发电系统的实际应用提供一定的理论参考。 1 2 国内外研究现状 船舶柴油机废气余热回收利用的研究兴起于上世纪8 0 年代初，自1 9 7 3 年世 界石油危机爆发之后，油价的上涨导致航运成本的大幅上升，使得一些航运企业 陷入亏损境地。为此，国外大型造船厂、船舶设计院、船电设备供应商等很早就 开展了柴油机废气余热回收利用技术的研究。 西德k h d 动力设备公司和柏林大学船舶柴油机动力装置研究所早在上世纪8 0 年代初就展开合作，进行了大型船舶柴油机余热回收利用的实验研究，研制了柴 油机废气余热回收利用的全套设备，包括大型柴油机、废气锅炉、蒸汽透平等， 可回收柴油机的废气余热用于发电，减少燃油的消耗，对柴油机废气余热回收利 用的研究进行了尝试。 与此同时，日本三菱重工也研制出了一种新型船用柴油机余热回收装置。该 装置主要由柴油机、废气涡轮增压器、动力透平、余热回收器、汽轮发电机、轴 带发电机和电动机组成，将通过废气涡轮增压器和动力透平的废气通往余热回收 器产生蒸汽推动汽轮机，汽轮机和动力透平的输出端被并入到减速齿轮，然后带 动发电机发电。 国外著名的柴油机及动力设备集成配套公司如m a nb & w 、w a r t s i l a 和a b b 等 也在积极开展船舶柴油机废气余热回收利用技术的研究，以实现节能减排、达到 符合新船能效设计指数( e e d i ) 排放法规的目的。曼恩公司开发的柴油机废气余热 回收系统主要由柴油机、废气锅炉、蒸汽透平、动力透平和轴带发电机等构成口1 。 可提高约1 0 的热效率，从而减少燃油消耗和c 0 2 的排放。瓦锡兰公司开发的高 效废气余热回收利用系统主要由双压锅炉，多级双压汽轮机、动力透平和轴带发 电机等组成乜】，热效率可提高1 1 4 。a b b 公司根据不同功率的柴油机，开发出了 两种不同的废气余热利用系统，有效利用废气能量，总热效率可提高1 4 乜一1 。 总体来讲，目前船舶柴油机的废气余热回收利用的方法主要有t ( 1 ) 将废气热能转换为加热热能口1 。该方法是指利用废气余热加热产生的蒸 汽作为各种舱柜、加热器等的加热源。这是中、小功率船舶上主要采用的废气利 基于s i i i l u l i n k 的8 k 9 0 m c - c 柴油机串联废气发电系统的建模与仿真 用形式，因为中、小功率的柴油机废气余热量不大，能回收的能量很有限。 ( 2 ) 将废气热能转换为电能口1 。该方法是指把柴油机的废气余热通过废气锅 炉产生蒸汽，产生的高压蒸汽再推动蒸汽透平发电机组发电：或者直接将废气余 热通过动力透平发电机组发电，然后并入电站。前者使用较为普遍，目前已经出 现了单段单压式、单段双压式、双段双压式和双段三压式等几种热力系统。后者 又可分为并联系统和串联系统两种形式d 3 瑚1 。并联系统是指从排气总管旁通一路 废气通过动力透平发电，使动力透平发电机与废气涡轮增压器并联安装。串联系 统是指柴油机废气全部通过废气涡轮增压器增压后再通过动力透平发电，使动力 透平发电机与废气涡轮增压器串联安装。对于大功率船舶柴油机，由于其废气能 量较大，因此往往采用动力透平和蒸汽透平联合发电的形式，以充分回收利用废 气余热。 我国由于船舶配套设备研发技术的落后，国内船舶柴油机及动力装置市场也 完全被国外厂商垄断，所以对船舶柴油机废气余热回收利用的研究较少。上世纪 9 0 年代初，广东开展了陆用柴油机废气余热综合利用的研究伫1 ，为船舶柴油机废 气余热回收利用提供了一些经验，但由于应用环境及系统要求相差较大，总体所 来，国内在船舶柴油机废气余热回收利用技术方面的研究基础还十分薄弱瞳，引。 1 3 论文的主要内容 m a nb & w 、w a r t s i l a 和a b b 等公司建立的动力透平发电系统均为并联系统， 对串联系统的研究较少，本文所建立的正是基于8 k 9 0 m c c 船舶柴油机的串联废气 发电系统模型。并联发电系统的优势在于动力透平有较大的膨胀比，而串联发电 系统的优势在于动力透平有较大的流量。通过本文的建模与仿真可以定量的得出 串联发电系统所能回收利用的废气能量的大小并分析其随负荷的变化情况。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 在深入进行理论研究的基础上，用m a t l a b s i m u li n k 建立了8 k 9 0 m c c 柴油机以及其串联废气发电系统的仿真模型。其子模型包括：柴油机气缸模型、 废气涡轮模型、压气机模型、中冷器模型以及动力透平模型等。 ( 2 ) 编写m 文件仿真程序，对8 k 9 0 m c c 柴油机系统进行仿真，并将各系统参 数的仿真结果与试验测试数据进行比较，验证本文所建立的柴油机系统模型的正 第1 章绪论 确性。 ( 3 ) 在验证了柴油机系统模型的正确性的基础之上，编写m 文件仿真程序， 对8 k g o m c - c 柴油机串联废气发电系统进行仿真，得出柴油机分别在5 0 、7 5 、 9 0 、1 0 0 和11 0 负荷下时该系统能输出的最大有效功率、废气温度等系统参数 的仿真结果，并分析其值随柴油机负荷的变化规律。 基于s i m u l i n k 的8 k 9 0 m c a c 柴油机串联废气发电系统的建模与仿真 第2 章8 k 9 0 m c - c 柴油机及其串联废气发电系统的物理模型 2 18 k 9 0 m c - c 柴油机的概况 8 k 9 0 m c - c 柴油机是m a nb & w 公司推出的一款新型短行程大功率低速二冲程船 用柴油机。本机型为气口气阀式直流扫气并采用废气涡轮增压的结构形式。该柴 油机共有8 个气缸，缸径为9 0 0 r a m ，活塞行程为2 3 0 0 m m ，主要用作大型集装箱船 和大型油轮的主机。本文建模仿真的母型机为大连船用柴油机厂生产的d m d - , i a n b & w8 k g o m c - c 柴油机，该柴油机共采用了三台m a nb & w 公司生产的t c a 7 7 - 2 系列 废气涡轮增压器和三台中冷器与之配合运行。该机发火顺序为1 - 8 - 3 - 4 - 7 - 2 - 5 - 6 ， 平均有效压力为1 8 m p a ，额定转速为1 0 4r m i n ，额定功率达到了3 6 5 6 0 k w ，在 大型船舶中应用广泛。 2 2 柴油机及其串联废气发电系统的物理模型 图2 1 柴油机物理模型 f i g 2 1p h y s i c a lm o d e lo fd i e s e le n g i n e 第2 章8 k 9 0 m c - c 柴油机及其串联废气发电系统的物理模型 r ；二：= ：二二二= ：二：二：二：- - ：8 圈- 一- - 一 i i i 图2 2 串联废气发电系统的物理模型 f i g 2 2p h y s i c a lm o d e lo fe x h a u s tg a sp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m 在对柴油机及其串联废气发电系统进行数学描述时，需要将其划分为若干个 子系统。划分要求是：每个子系统都要有自己的边界和边界条件；能构成各自的 物理模型，且有各自的物理特点；子系统之间通过质量和能量的传递相互联系口1 。 根据其工作过程的特点，可以建立如图2 1 和图2 2 所示的柴油机和串联废气发 电系统的物理模型，并将其划分为气缸、排气管、废气涡轮增压器、中冷器、扫 气箱、动力透平等子系统哺一。 2 2 1 气缸 一般假定气缸中的气体压力、温度和成分都是均匀的，并处于瞬时热力平衡 状态n 0 1 ，其物理模型如图2 3 所示。 基于s i m u l i n k 的8 k 9 0 m c c 柴油机串联废气发电系统的建模与仿真 h 。d ，g , 口矿 d r 2 d 9 图2 3 气缸物理模型简图 f i g 2 3p h y s i c a lm o d e lo fc y l i n d e x d q w d f o r i g ； d 9 2 2 2 排气管 对于定压增压的柴油机，在计算中可以忽略排气管中压力波的传播，采用“容 积法 视其热力过程为气体单纯的填充与排空过程口1 幻，并认为其内各点处也处 于瞬时热力平衡状态n 3 r 1 4 1 ，其物理模型如图2 4 所示。 第2 章8 k 9 0 m c - - c 柴油机及其串联废气发电系统的物理模型 d g r 。 万 a 6 d 9 。 d g r 万 图2 4 排气管物理模型简图 f i g 2 4p h y s i c f lm o d a lo fe x h a u s tm a n i f o l d 2 2 3 废气涡轮增压器 鲁、p r 、乏石、 q 、a 、五 图2 5 废气涡轮增压器物理模型简图 f i g 2 5p h y s i c f lm o d e lo f t u r b o c h a r g e r b 、互 岛、瓦 定压涡轮增压的柴油机，在每一工作循环内，废气涡轮发出的功与压气机消 耗的功相等，且流量平衡，转速相等n 州力。计算时，将废气涡轮简化为一个具有 当量流通面积的节流喷嘴来处理，其物理模型如图2 5 所示。 2 2 4 中冷器 通常将中冷器简化为一个节流与降温元件盯一3 ，其物理模型如下图所示。 基于s i m u l i n k 的8 k 9 0 m c - c 柴油机串联废气发电系统的建模与仿真 眦嬲 2 2 5 扫气箱 对于大型低速船舶柴油机而言，可认为其扫气箱容积足够大，扫气压力和扫 气温度不随曲轴转角变化，其物理模型如图2 7 所示。 等恕t 等以z 等k 等k 等k 鲁k 等吃，等k d g k 厶 万份 d g k ， 瓦 d g k ， 面魄 图2 7 扫气箱物理模型简图 f i g 2 7p h y s i c a lm o d e l o fs c a v e n g i n ga i rb o x 2 2 6 动力透平 动力透平的实质就是废气涡轮，本文模型采用的动力透平与增压器的废气涡 轮的结构形式相同，因此，其物理模型也一样。 一霉i 第3 章二冲程船舶柴油机缸内热力过程的数值分析 第3 章二冲程船舶柴油机缸内热力过程的数值分析 3 1缸内热力过程的基本微分方程 柴油机的缸内热力过程是物理、化学、流动、传热与传质等的综合过程，其 内各处工质的压力、温度和成分各不相同，尤其是燃烧阶段，各处温差很大，工 质的成分和比热也有较大差别。目前，缸内热力过程的计算方法有零维模型，一 维模型，二维模型和三维模型，由于“零为模型 相对简单，并且能达到仿真精 度的要求，因此，本文采用了“零为模型 对8 k 9 0 m c - c 柴油机及其串联废气发电 系统进行仿真。“零维模型 是指把气缸视为一个边界由活塞顶部，缸盖底部及缸 套壁面组成的“零维系统 。通过适当的假设并根据质量守恒，能量守恒及气体状 态方程，建立描述缸内热力过程的微分方程，从而求解出缸内压力、温度和质量 等参数睛18 蝴1 。它是研究柴油机缸内热力过程宏观特性最简明、最常用的方法。 采用“零维模型 对缸内热力过程进行仿真计算时需做如下一些假设： ( 1 ) 缸内工质的状态均匀，不考虑各点的温度、压力和成分的差异，并认 为扫气期间，流入气缸的空气与缸内气体实现瞬时完全混合； ( 2 ) 缸内工质为理想气体，其比热和比内能仅是气体温度和成分的函数； ( 3 ) 气体在微小时间内，流入或流出气缸的过程视为稳定流动过程； ( 4 ) 扫气箱内的压力和温度保持不变； ( 5 ) 将燃油燃烧放热过程看作是外界按已知的表观放热规律向缸内工质加 热的热力过程n 7 1 。 根据以上假设，可用压力、温度和质量三个参数来表示缸内的气体状态，并 用能量守恒、质量守恒和气体状态方程把整个热力过程联系起来n 引。 能量守恒方程： 剡d e = 丝d f p 一盟d ( o 他韭d ( o + 吃堕d g o 一也鲁 ( 3 1 ) lzl d p j j 一 质量守恒方程： 生：坐立+ 坐* l l 一生 ( 3 2 2 ) - - - - l = = - - l i - 一一l x ) d够d矽d够d矽 理想气体状态方程： 基于s i i n u l i n k 的8 k 9 0 m c - c 柴油机串联废气发电系统的建模与仿真 见圪= q 足 ( 3 3 ) 式甲2 ：、p ：、圪、q 、愿、心分别为缸内气1 本温度( k ) 、压力( k p a ) 、 体积( m 3 ) 、质量( 堙) 、气体常数( 圳堙- k ) 和比内能( 驯堙) ；q 、q 、 鬼、吃分别为扫气和排气的质量和焓；绒为工质与气缸盖、气缸套和活塞顶进行 的热交换量；g 为燃烧放热量；g ，为瞬时已燃烧的燃油量。 式( 3 - 1 ) 为能量守恒方程，其物理意义是缸中工质总内能的变化掣等 于空气进入气缸时带入的能量吃等蒡、喷入燃油的燃烧放热量等、废气排出气 缸时带走的能量吃孕、工质与气缸盖、活塞项和缸套壁面进行的热交换量孥 d 矽d 矽 以及工质对活塞所做的机械功p ：华的代数和。式( 3 2 ) 为质量守恒方程式， d 矽 即缸内工质质量的变化孕应等于流入气缸的空气质量孕、喷入气缸的燃油质 d 够d 矽 量筌羔和流出气缸的废气质量孕的代数和。 d 矽c l 够 对以上方程式中各项的符号作如下规定：加入系统的能量和质量为正值；从 系统中带走的能量和质量为负值。按此规定，对于见孚项，在压缩阶段因为是 向系统中加入功，因此其值应为正。又因此时容积减少，华为负，故见婴之 d 汐 c l ( a 前需加上负号。 一般缸内工质的比内能u ，和质量g 同时变化，故： 掣= g z 磐地冬 ( 3 4 ) d 矽c l 够d 够 而比内能吒可简化为缸内温度和瞬时过量空气系数的函数，即 一 u z = u z ( z ，) ( 3 5 ) 第3 章二冲程船舶柴油机缸内热力过程的数值分析 对式( 3 - 5 ) 进行全微分得： 等= 差。豸+ 薏。堡d ( p 慨6 ， d 9a t zd 9a q 。 ( 3 7 ) 将式( 3 - 4 ) 、( 3 - 6 ) 、( 3 - 7 ) 代入式( 3 - 1 ) 中，便可得到缸内温度z 对曲轴 转角矽的微分方程： 器= 壶 等一器一见面d v + 吃器一忽器一心面d g 一q 差，等 c 3 8 ， 式( 3 - 8 ) 是柴油机缸内热力过程计算最基本的微分方程，它描述了缸内温 度随曲轴转角的变化规律。利用该式进行计算时，还需建立吃、q 、吃、吃、 孥、孕、盟、堕、丝、盟、堕等的模型，接下来将逐项讨论。 一、一、 一、 一、一、一、一寸口j 7 i 关，土，仅l 小何恐，火p jp 匕o d 伊d 缈d q , d e pd e p o a k d q , 。 3 2 缸内工质的热力性质 3 2 1 工质的成分 工质的热力性质是进行柴油机缸内热力过程仿真计算的基础，而其热力性质 又与其组成成分有关。在实际过程中，空气进入气缸并与其中的残余废气混合， 经压缩、燃烧、膨胀、排气过程后以废气的形式排出。其问将经历一系列的物理 和化学的变化，因此，缸内工质的成分是随时间改变的咱1 。柴油机缸内工质是多 种气体成分的混合物，其热力性质接近理想气体，通常将其看作由纯空气和纯燃 烧产物两部组成，以做简化处理n 3 一。其中纯燃烧产物是指燃烧过量空气系数q = 1 时的燃烧产物。 缸内工质成分的组成通常有以下两种表示方法： 一种是瞬时废气系数。其定义是：某一瞬时缸内工质中纯燃烧产物的质量与 纯空气质量之比兄，即 q = 氰 丝征 可式公学力热由 哆一互 a a 中其 基于s i m u l i n k 的8 k 9 0 m c c 柴油机串联废气发电系统的建模与仿真 以：里芦 ( 3 9 ) 以2 4( ) 翌丝：g d 垡g 翌, - g ：a l 垡g 翌a ( 3 1 0 ) d 9g ： 式中：q 瞬时 l i l 映 i 质质量，堙5 q 瞬时缸内纯空气质量，堙。 本文模型采用的是另一种缸内工质成分表示方法一广义过量空气系数。 其定义为：某一瞬时缸内存在的空气量( 相当于燃烧之前的) 与缸内气体所含有 的燃烧产物所相当的燃油量理论上完全燃烧所需的空气量之比，即 口妒= 鬻 ( 3 等= 志等一去等 c 3 2 ， -二=一-二一-=-一-二 f 4i ，l d 9 l q g f xk d 9l q g f x ? d 9 式中：g ，每循环每缸喷入的燃油量，堙缸循环； 一 厶每千克燃油理论上完全燃烧所需要的空气量，厶= 1 4 3 姆堙； 五某瞬时缸内工质所含有的燃烧产物所相当的燃油量占g ，的份 数。 在燃烧过程中，i d x 歹k = 瓦d x ( 3 1 3 ) 在排气过程中，万d x k = 一等+ 等 式中：x 燃烧到某一瞬时已烧掉的燃油量与g ，之比； e 一一从排气阀排出的废气量，堙。 ( 3 1 4 ) 3 2 2 工质的比热、绝热指数与气体常数 根据j u s t i 的比热数据，可用下列解析式来计算工质的比内能订1 ： 吃一o 倘5 邶聊5 + 鼍筹一2 功3 - 旷+ 铝+ 孑3 3 6 肥一2 研旷+ 第3 章二冲程船舶柴油机缸内热力过程的数值分析 + 等旭删胛一8 驯堙 慨 对上式求导，得定容比热的计算式为： c 。= la o u t = 。= 0 1 4 4 5 5 - 3x ( 0 0 9 7 5 + 0 口0 伊4 8 ，5 ) c 疋一2 7 3 ，2 t 。“+ 2 印硼+ 荸旭一硼矿+ c 棚胁参m 俨 圳姆k ( 3 1 6 ， 由“：司求出平均定容比热= u z z圳k g k ( 3 1 7 ) 由式( 3 1 5 ) 对求导，可得： 薏2 5 2 5 8 “他- 2 7 3 ) 3 x10 石- 3 8 8 5 5 乩8 ( 即7 3 ) 2 1 0 。一 6 2 3 7 6 2 2 a 矿- 1 - 9 3 ( z - 2 7 3 ) 1 0 2 l o o o 叫培 ( 3 1 8 ) 缸内工质可看作理想气体，其比内能，比焓，比热及绝热指数之间存在如下 关系： 吃= u z + r z ( 3 1 9 ) = q + 足 ( 3 2 0 ) 弘苦一专 2 1 ) 对于缸内工质的气体常数足的计算可采用如下两种方法： 一种是忽略气体压力和温度对r 的影响，则 足2 硒8 3 丽1 4 + 蒜驯 慨2 2 ) 式中，m o 为纯空气的分子量，以为纯燃烧产物的分子量 另一种是根据k e e n a n & k a y e 气体表，采用最小二乘法求出以为参量的r 的 计算式： 足：9 8 l ( 2 9 2 6 4 7 0 0 。4 0 2 ) 1 0 。3 驯姆k ( 3 2 3 ) 。 。 由于当h c 在0 1 5 , - - - , 0 1 6 范围内时，足的误差在0 1 之内，故用上式计算 基于s i m u l h l k 的8 k 9 0 m c - c 柴油机串联废气发电系统的建模与仿真 的足精确度能够满足要求，本文便是采用上式对足进行计算。 缸内气体的分子量用下式计算： 丝：_ 8 3 - 1 4 ( 3 2 4 ) 尼 3 3 缸内热力过程计算的边界条件 3 3 1 瞬时气缸工作容积 在进行缸内热力过程计算时，柴油机的主要结构参数，如缸径d 、行程s 、 压缩比占以及曲柄连杆比兄等将作为已知数据输入。根据以上参数可得瞬时气缸 工作容积的表达式为： k = 竽高小吒螺1 ( 一阿 2 5 ) 式中：d 缸径，mo s _ 行程，m m ； 形瞬时气缸工作容积，m 35 s 压缩比； z 曲柄连杆比； 伊瞬时曲轴转角，单位为c a o ，从曲柄在上止点时缈= o 算起。 对上式求微分得瞬时气缸工作容积的变化率为： 等爿似扣办 ( 3 2 6 ) 3 3 2 燃烧放热规律 燃烧放热规律是指单位时间或者单位曲轴转角，燃油燃烧所放热量的变化规 律。由此，可得出燃烧放热率的表达式为： 等嘶g ，面d x ( 3 2 7 ) 式中：吼叫油低热值，驯堙； 第3 章二冲程船舶柴油机缸内热力过程的数值分析 掣燃烧速率； d 缈 因式式中g r 和既是已知量，所以对燃烧放热率孥的求解便转化成了对 “ 譬的计算，而譬的计算与柴油机结构参数、燃烧过程等诸多因素有关，目前主 d 妒d 缈 要有如下几种计算方法乜1 瑚洲： ( 1 ) 利用实测示功图 ， 该方法是指由能量守恒原理计算出燃烧放热规律，并作为已知数据输入进行 计算。此方法比较准确，但是需要有精确的实测示功图及相关的参数。 ( 2 ) 建立燃烧模型 该方法是指从实际的燃烧过程出发，建立燃烧模型。此方法考虑了燃烧过程 的中间细节，因而能与实际的燃烧过程更接近。但是该模型十分复杂，花费的时 间和费用均较多，因此，难以在实际中得到推广。 ( 3 ) 燃烧模拟函数 该方法是指利用数学函数或半经验公式模拟实际的放热规律，不把燃烧过程 本身作为判断结果的标准，而是使模拟函数的计算结果( 如油耗率，功率，最高 爆发压力等) 与实测值基本符合乜1 删，该方法使用起来比较方便。 通常在下列两个方面逼近实际燃烧过程 模拟函数的总放热量等于实际燃烧的总放热量； 模拟函数的放热过程和