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1、基于AMESim的柴油发电机组建模与仿真 1前言 某些特殊用途的柴油发电机组常在变工况下运行,须对其动态过程进行研究,以确定机组的瞬态响应特性能否满足系统的要求。而对柴油发电机组进行试验研究的工作量大、成本高且受试验条件的限制,因此有必要对其进行仿真研究。随着仿真技术和仿真方法的不断发展和改进、柴油发电机组建模理论的不断完善,目前可以建立精度较高的柴油发电机组仿真模型,对机组进行仿真研究,以弥补试验研究的不足。 长期以来,对柴油发电机组工作过程的仿真,大多是建立其用微分方程表示的数学模型,然后编制程序并运行,这
2、样做可以得到较高的仿真精度但是编程调试的工作量很大,仿真结果的分析也比较麻烦。本文对柴油发电机组的仿真是利用系统建模与仿真软件AMESim来实现的,用AMESim对柴油发电机组进行仿真既不需要建立微分方程也无需编程,仿真结果的分析也很方便,可以动态显示每一个参数的变化,同时还可以将仿真结果存为数据文件。 2仿真计算理论 2.1系统划分 将柴油发电机组划分为气缸、进排气系统、中冷器、涡轮增压器、调速器、供油装置和发电机负载等系统,如图1所示。 图1柴油发电机组模型 2.2工质的物理属性 对液态工质即柴油
3、,用C12H26代表其成分,计算时假设其物理属性在工作过程中不发生变化,即柴油的低热值、密度、汽化潜热和汽化温度等都作为已知条件输入。 气态工质是空气、气态燃油和已燃废气的混合物,其工作过程中的物理属性与每种气体各自的属性和所占的质量分数有关。计算时假设:各容积中气体的混合是均匀的,工质是理想气体,每种气体的物理属性都只与温度有关,是温度的二次多项式函数,即: 以上各式中:ΔT=T-T0,T0为设定温度,T为实际温度;μ为绝对黏度,mu0为设定温度下的绝对黏度;cp为比定压热容,cp0为设定温度下的比定压热容
4、;λ为热传导率,lam0设定温度下的热传导率;r为理想气体常数;ρ为气体密度;cV为比定容热容;其余变量为系数。 2.3燃烧放热规律 燃烧放热规律决定了柴油机气缸内气体压力与温度的变化,对柴油机整个热力过程有重大影响。建模时选用AMESim提供的ExtendedChmela2based燃烧放热模型。 燃烧过程中的燃烧放热率为: 式中:Cmode为燃烧放热系数;mf为燃烧室中的燃油质量;Crate为燃烧混合率;V为气缸容积;Ediss,kin为燃烧过程所消耗的能量;mgas为缸内气体的总质量;nnozzle
5、为喷嘴上的喷孔数量;Snozzle为每个喷孔的面积;ρf为燃油的密度;dminj/dt为喷油率;Cdiss为系数。 2.4气缸周壁传热 气缸周壁传热的计算选用AMESim提供的Woschni(1967)模型,其计算公式为: 式中:p、T为缸内气体的压力和温度;B为气缸直径;Vc为单缸容量;vpist为活塞速度;p0为没有燃烧时缸内气体的压力;p1、T1、V1为燃烧刚开始之前缸内的压力、温度和体积;Twall为壁面温度;Swall为热交换面积;C1、C2为沃希尼系数,其中C1有两个值:第一个值用于进排气行程,
6、第二个值用于压缩、燃烧和膨胀行程;C2也有两个值,第一个用于燃烧和膨胀行程,第二个用于其它阶段。 2.5进、排气流动 工质流经进、排气门的质量流量与几何流通截面积和流量系数有关,其中几何流通截面积是随气门升程而变化的,气门的升程可以从凸轮的升程曲线插值后再乘以摇臂杠杆比计算得到,凸轮的升程曲线可由厂家提供。 进、排气门的流量系数可以用气门升程(或升程与气门直径的比值)作为参数来描绘,在没有试验数据的情况下,可根据经验公式计算,其一般形式为: 式中:hv为气阀升程;Dv为气阀直径;a、b、c都为常数,一般取
7、值范围分别为0.8～1、1～4、1～2,具体值根据不同的机型来确定。 2.6进排气系统模型 进、排气系统的热力过程计算采用容积法,即将进气系统和排气系统都简化成容积。其中进气系统容积包括气缸盖的进气道、进气歧管、进气总管等;排气系统容积包括气缸盖排气道、排气支管、排气总管和废气涡轮进气涡壳等容积。 2.7中冷器换热量的计算 选用效能—传热单元法(ε-NTU法)计算传热量,其计算公式为: 式中,Cmin=min{dmc·cpc,dmh·cph};dmc、dmh为冷却介质和增压空气的质量流量;cpc,cph
8、为冷却介质和增压空气的比定压热容;Tci、Thi为进入中冷器前的冷却介质和增压空气温度;ε为效能,表示热交换器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比,ε=NTU为传热单元数。 2.8涡轮增压器性能参数 增压器的通用特性曲线由厂家提供,给出流量、转速、压比和效率之间的关系。涡轮的通用特性曲线厂家无法提供,需按经验公式计算流量和效率与转速和压比
