MATLAB-SIMULINK在涡轮增压器动态特性仿真中的应用-段树林

第卷第期大连铁道学院学报闪比年月文章编号戊一哭刃以一一以入厦在涡轮增压器动态特性仿真中的应用段树林’,欧阳明高,刘峥,大连铁道学院交通运输工程分院,辽宁大连,清华大学,北京摘要采用模块化结构建立了涡轮增压器实验台的涡轮、压气机、燃烧室和转子的数学模型以徽机为基础,在丁尽仆系统仿真环境下实现了出祀往涡轮增压器的动态仿真仿真结果与实脸结果接近,对进一步研究涡轮增压柴油机的动态特性有重要的指导意义关键词增压器数学模型动态仿真柴油机中图分类号文献标识码增压柴油机以其高功率重量比、低燃油消耗率和较好的排放性能在国外应用已相当普遍,几乎应用于所有大中缸径的柴油机,并已向小缸径柴油机扩展川对车用柴油机而言,由于其转速和功率变化范围相当大,因而变工况和动态工况的性能尤为重要然而增压器恰恰在这些工况下响应差,不能很好地适应发动机因此研究涡轮增压器动态特性,进而研究祸轮增压器柴油机的动态特性十分必要数值仿真技术是随着计算机技术不断成熟而发展起来的,特别是近年来微机技术的迅速发展使数值仿真技术在各个领域得到了空前广泛的应用在工程技术领域中,数值仿真技术在新产品设计、产品改型及系统自动化方面有着重要意义以柴油机涡轮增压为例,系统的数值仿真可全面反映出增压系统的特性,从而省去多次试验及反复另外,如果要对涡轮增压柴油机进行电控时,必须进行仿真才能得以实现年代以来,国际控制界出现了尽仿真环境,并不断得到广泛应用,成为最重要也是最有效的仿真手段之一该软件用语言编程,基于研月下工作其最大的特点是所建立的控制系统模型可直接在窗口上画出,用喊提供的强大功能进行仿真,并可在打印机上直接输出仿真结果及图形拷贝本文对整个系统作了合理简化,采用模块化结构,建立了℃涡轮增压器开式实验系统的涡轮、压气机、燃烧室和转子的数学模型该模型以向燃烧室内喷油量为基本控制量,以增压器转速、压比、膨胀比等为输出量以微机为基础,在收稿日期望刹〕一的一基金项目铁道部科技基金资助项目清华大学汽车安全与节能国家重点实脸室开放基金资助项目作者简介段树林一,男,副教授,博士,大连铁道学院学报第卷明系统仿真环境下实现了对系统的动态仿真仿真结果与实验结果十分接近,说明系统仿真结果是可信的涡轮增压器的实验系统图为℃涡轮增压器实验系统简图二空气压缩机将大气加压后送入燃烧室,喷嘴将燃油喷人燃烧室后与空气混合燃烧,高温燃气进人增压器涡轮端,推动增压器旋转做功压气机端从大气中吸人空气,增压后排人大气实验系统可调的参数有涡轮端进气压力、流量、燃烧室燃油量决定涡轮进口温度和压气机流量增压器的转速、各部件的气体流量和温度分别由转速仪、流量仪及热电偶测得系统中的主要元件是涡轮、压气机、燃烧室和传递功率的转子,它们的性能参数与时间的函数将决定系统的动态特性户、】】尤尤》》空压机涡轮增压器流量计燃烧室—测温仪—压力计—压差计—测速仪系统模型图丁涡轮增压器实验系统简图压气机模型由于实验台的涡轮增压系统是一个开式系统,只要确定压气机的出口阀的开度则压气机的流量只取决于增压器转速压气机的质量流量、效率叮与转速。和压比二。有如下关系。二厂,动,叮‘二人伪,二叫—一门根据℃公司提供的涡轮增压器压气机特性曲石田线图,可将这两组曲线整理成二维数组存放在计算机内存中,给出压气机转速和流量,通过调用这两个数组即可得出压气机的压比。和效率由。叮。和二,根据热力学定律和牛顿定律可求出压气机出口温度兀和压气机消耗的扭矩。肉、滋刃!一命。。‘导’一从一生叮式中为气体常数,为气体绝热指数,。·而一今图压气机特性曲线燃烧室模型一。耐导,一本文涡轮增压实验系统采用的是涡轮发动机单管式燃烧室大量实验表明,当燃烧室第期段树林等工为」在涡轮增压器动态特性仿真中的应用中空气燃油比。西时,燃烧效率叮。为定值,为住左右’根据燃烧效率的定义,可得出燃烧室出口的燃气温度兀切。’。均。马式中,城为燃油低热值,马为燃气定压比热,兀为燃烧室进人温度,,为燃气流量,,。,燃烧室中压力损失可表达为凡一助一汽。丫王呱犯式中,人为燃烧室最大截面积,沙。为阻力系数,几为燃烧室出口压力价。几兀兀一了八分别为流阻系数和热阻系数,兀是燃烧室出口的燃气温度由式〔和式可计算出燃烧室出口的燃气温度和压力涡轮模型涡轮的质量流量。、效率叮与转速。和膨胀比,有如下关系。人,二,叮人,二根据泊川滋公司提供的涡轮增压器涡轮特性曲线图,采用与压气机相同的处理方法,即可将这两组曲线整理成二维数组存放在计算机内存中,给出涡轮转速和膨胀比,,通过调用这两个数组即可得出通过涡轮的质量流量礼和效率叮,·由残、爪、、二,和兀,根据热力学定律和牛顿定律,可求出涡轮出口温度兀和燃气对涡轮做功的扭矩‘口‘。刀自洲!兀一叮。一加“』、一兴击‘,,【‘一,,。号图涡轮特性曲线转子模型燃气对祸轮所做的功一部分消耗于压气机增压空气,另一部分则消耗于摩擦损失不计散热损失由牛顿第二定律可得转子扭矩的平衡方程一一、一命祭岭一。,式中,增压器的转动惯量,、为摩擦系数,、、一…、,、。,‘。口、二,,,,二,”。田式刊以有断白涌粗增庄命十衡陈似,峡十妈,丽增压器转速不变当涡轮扭矩增加时,,岭,卑。,增压器转速增加当涡轮扭矩减小时,从从+岭,d凡dt0,增压器转速减小大连铁道学院学报第20卷3系统仿真结果根据前面的数学模型,利用MATLAB尽IMUUNK可以方便地建立系统各部分的仿真模块.以下各仿真中,积分步长为20此,积分算法为三阶龙格一库塔法.图4是增压器。一,一”曰、”、†戈†J,‘乙11no芝‘.‘/‘.ƒ一·夕罗„”‘压气机端空气流量、压缩比和温度比(兀/不)随转速变化的仿真值与实测结果的比较.图5是增压器涡轮端气流量、膨胀比和温度比(刀劝随二二二蕊云00。,000户,.,“月护创州口侧...~一一一尸、’”、曰”、曰,:,”气乙1.i.n†OL一-‘一一一勺一一一~一一一.‘-一一—‘一468101214n/(l护r·而n一,)图4压气机仿真结果与实验比较公、N气.‘”‘.ƒ11户罗„、‘468101214川(104r·mjn一’)图5涡轮仿真结果与实验比较转速变化的仿真值与实测结果的比较,几几工工仿真时间t/s图6喷油量突变时增压器实测与仿真曲线从图4、图5可以看出,系统仿真结果与实测结果非常接近,说明仿真是成功的.另外,尽管实验不可能做出增压器全部可能的运行状态,但仿真却能指出主要参数的变化趋势和范围,这正是系统仿真的优势所在.图6是喷油量从0.oo6kg声突降至0.0例kg加时增压器转速变化的实测与仿真曲线.可以看出增压器转速幅值与变化趋势与实测值具有很好的一致性.·Ž„、亡瑕水4结论用MATLAB尽IMULINK仿真软件对涡轮增压器动态过程进行了仿真,仿真结果与实测结果非常接近,说明仿真是成功的,这对进一步进行涡轮增压柴油机动态特性的仿真具有重要的指导意义.参考文献[l1SUGD比ARAH.E价双ofHigh一B以招tTurtx又ha犯eingonCbmb田tiono吸门北山此阴dlmPro明叮gltsLDwEng比SpeedTorq优冈.SAE,1992.冈薛定宇.控制系统计算机辅助设计—MATL妞语言及应用阿].北京:清华大学出版社,1卯6.团西北工业大学.航空燃气涡轮发动机原理阿1.北京:国防工业出版社,1981.(下转第42页)大连铁道学院学报第20卷42[3]新井·杉山学会榆文集久,、,卜卜(B编),l卯5./J、林.夕口久,口一夕,夕内部流扎。可视化七LDV测定旧.日本概械,61(583):%7一973.AStodyonAerodyna而eCharaeteristiesandDIStribUtionofF10WFieldinCr0SSF10WVelodtyFan(1.DePtofTechnologyMeChaniCalSUNLi一qunEngineering,DalianZHAOLiang’,SUGIYAMAZRailwayInstitute,Dalian116028,China;ZMuroranInstituteofofJaPan,HOKAYIDO,JaPan)A加廿.ct:andCafTheinternalflowfieldvisualizationandveloeitydistributionoferossalrconditioningeharaeteristicsWerCstudiedbyusingfanWaslaserlightsheetandLDV.flowfaninfamilyTheregularityofaerodynamie主nerossflowobtainedwhenehangingtheangleofrotorbladesorinstallingtheheatexehanger.Keywords:erossflowfan;visualization;LDV;aerodynamiceharaeteristies刁咖劝令月今刁十月峥闷争呻争月卜,卜川冲月争闷争心十刁咖月争心卜,卜心令,卜心十门令,护月十门护门令月令心个,十,卜门十心十,卜月令心卜月令劝争,卜月咖亏争亏令呻十月今劝令门今月令月中月睁门卜,卜劝奋劝卜门奋闷卜月争月个心介门个叼介叼介叼介月争月争月令门介月卜劝卜闷卜月卜哪卜门中弓介门介门争门卜嘴十呻卜月令心少嘴争心卜月争确争(上接第36页)APPlicationofMATLABISIMULINKin功na而eSimulationofTurboehargerDUANShu一linl,OUYANGMing一gaoZ,LIUZhengZ(l‘DePtBeijingofTransPortationEngineering,DalianRailwayInstitute,Dalian116028,China;2.TsinghuaUniversity,100084,China)Abstraet:Presentsthemathematicalmodeisofturbine,eomPressor,combustionchamberandrotatorofturboehargerontestingbenchwithmodulestrueture.ThedynamicsimulationofGarrett51turboeharger15realizedunderMATLAB/SIMULINKenvironment.TheresultsofsimulationandexPerimentareveryelose,whieh15ofs盆gnificanceforfurtherstudyofthedynamieeharaeteristicsofturboehargedKeywords:dieselengines.turboeharger;mathematiealmodel;dynamiesimulation;dieselengine