CN104344959B - 单缸机模拟整机的试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单缸机模拟整机的试验方法及装置，包括有：S1、建立仿真模型；S2、运行整机仿真模型得出整机高压指示压力和边界参数；S3、运行单缸机仿真模型，调整单缸机仿真模型的高压指示压力、边界参数至与整机相等；S4、运行待测的实体单缸机，调整高压指示压力与整机相等，调整进气压力调节阀、进气温度加热器、排气背压阀，与S3中记录相等；S5、将实体单缸机的燃烧放热率曲线代入整机仿真模型；S6、判断偏差是否大于设定比例；S7、对实体单缸机的参数进行处理。通过建立整机仿真模型、单缸机仿真模型，在实体单缸机上反复调试进气压力、进气温度和排气背压，得出待模拟整机的合理参数，提升了柴油机等单缸机模拟整机的精度。

Description

单缸机模拟整机的试验方法及装置

技术领域

本发明涉及一种单缸机模拟整机的试验方法及装置。

背景技术

目前，采用单缸机试验预测柴油机整机性能指标可以大幅度减少整机试验工作量，对于降低柴油机开发成本，缩短柴油机开发周期具有重要意义。大型柴油机产量小，生产周期长，柴油机制造成本高，试验费用高，常作为主要试验样机。

单缸机试验准确模拟整机性能指标关键是缸内燃烧阶段作功和燃烧阶段的进排气边界和整机一致。缸内燃烧阶段作功是指缸内气体在压缩和膨胀行程的作功。该阶段作功和燃烧过程和整机功率指标直接相关，相对于整个循环的缸内做功，以缸内燃烧阶段作功为模拟目标可以排除单缸机和整机泵气损失差异对模拟精度的影响。单缸机由于只有一个气缸，不能直接采用整机增压系统结构，也无法考虑整机各缸之间压力波传递影响，需要针对整机气缸的进排气边界参数进行模拟。柴油机燃烧过程进排气边界参数包括过量空气系数、扫气系数、残余废气系数、进气温度、进气涡流等，对于单缸机模拟整机，最主要的为过量空气系数、扫气系数、进气温度。过量空气系数为进气阶段结束后留在缸内的气量和燃烧完全燃烧所消耗的气量之比，扫气系数为进气阶段通过进气阀吸入的总气量和留在缸内气量之比。

现有的单缸机模拟整机方法并未严格以进气量作为单缸机模拟整机边界的标准，依据单缸机和整机进气量一致来确定单缸机进气压力、温度、排气背压等参数，而把整机的进气压力和排气背压直接作为单缸机试验的边界，该方法为充分考虑单缸机和整机进排气流动的差异，往往会使得单缸机和整机性能参数有明显差异。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术成本单缸机模拟整机时误差较大的缺陷，提供一种误差更小、精度更高的单缸机模拟整机的试验方法及装置。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种单缸机模拟整机的试验方法，其特点在于，其包括有以下步骤：

S1、建立一整机仿真模型和一单缸机仿真模型；

S2、运行所述整机仿真模型得出整机高压指示压力和边界参数，其中，所述整机高压指示压力为所述整机仿真模型在压缩和膨胀节点的缸内气体平均指示压力，所述边界参数包括有单缸进气结束缸内进气量、进气结束进气温度和总进气量；

也就是说，先通过整机仿真模型模拟计算出边界参数等参数。

S3、运行所述单缸机仿真模型，调整所述单缸机仿真模型的高压指示压力直至与所述整机高压指示压力相等，调整所述单缸机仿真模型的进气压力、进气温度、排气背压直至所述单缸机仿真模型的边界参数与所述整机仿真模型的边界参数一致后，记录下此时的所述单缸机仿真模型的进气压力、进气温度、排气背压；

也就是说，将单缸机仿真模型中的边界参数与整机仿真的边界参数调整到一致，这时可以得出唯一的进气压力、进气温度和排气背压的数值；

S4、运行待测的实体单缸机，调整所述实体单缸机的扭矩使得所述实体单缸机的高压指示压力与所述整机高压指示压力相等，调整所述实体单缸机的进气压力调节阀、进气温度加热器、排气背压阀，使得所述实体单缸机的进气压力、进气温度、排气背压与S3中记录的所述单缸机仿真模型的进气压力、进气温度、排气背压相等；

也就是说，将S3中得出的进气压力、进气温度和排气背压代入到实体单缸机中，代入的方式就是通过调整扭矩、进气压力调节阀等机械手段使得二者一致。

S5、将测量得出所述实体单缸机的燃烧放热率曲线代入所述整机仿真模型，得出一组高压指示压力和边界参数；

此处，在S5执行时，实体单缸机的参数状态决定了实体单缸机的燃烧放热率曲线。

S6、判断所述一组高压指示压力和边界参数与所述整机高压指示压力和边界参数的偏差比例是否大于一设定比例，若是则返回执行S2，若否则执行S7；

这里，由于实体的整机尚未开发，整机边界参数是不能够通过实际测量测定，只能通过模拟来计算，可能存在偏差。所以，在试验中需要通过可以单缸机实测的数据作为基础来推导整机边界参数，这些可以实测的数据就包括有上述的燃烧放热率、进气压力、进气温度和排气背压，因此，在S5、S6中通过把实体单缸机上测量得到的燃烧放热率进一步代入整机模型，校准整机运行时的边界参数。通过反复的对比两组整机边界参数，最终可以得到待模拟的整机的较为合理的边界参数，进而通过较为合理的边界参数推导出其他的整机参数。

S7、将所述实体单缸机的参数进行处理得出待模拟的整机的参数。

较佳的，所述S7为：将所述实体单缸机上实测的最高燃烧压力作为待模拟的整机的最高燃烧压力。

较佳的，所述S7后还包括有步骤S8：

通过所述实体单缸机上实测的单缸机实测燃油消耗率、单缸机实测NOx排放值单缸机实测功率和整机单缸功率计算得出待模拟的整机的整机燃油消耗率、整机NOx排放值，计算方法如下：

整机燃油消耗率＝单缸机实测燃油消耗率×单缸机实测功率÷整机单缸功率；

整机NOx排放值＝单缸机实测NOx排放值×单缸机实测功率÷整机单缸功率。

较佳的，所述S8后还包括有步骤S9：

将所述实体单缸机上实测的单缸机烟度实测值作为待模拟的整机的整机烟度值。

较佳的，所述S9后还包括有步骤S10：

将S5中的所述实体单缸机的燃烧放热率曲线代入所述整机仿真模型，计算得出待模拟的整机的整机排温值。

本发明还提供一种单缸机模拟整机的试验装置，其特点在于，其用于实现如上所述的单缸机模拟整机的试验方法，所述单缸机模拟整机的试验装置包括有：一单缸机机体、一进气管路、一进气箱、一排气管和一模拟增压系统；

所述单缸机机体的进气口和排气口分别与所述进气箱和所述排气管连通；

所述进气管路与所述进气箱连通；

所述进气管路和所述排气管均与所述模拟增压系统连通，所述模拟增压系统用于模拟整机气缸的进排气边界；

所述进气箱的容积不小于待模拟的整机的进气箱的平均容积。

此处，由于单缸机与整机的气缸排气边界存在差异，因此要模拟整机的排气边界，需要通过模拟增压系统。

较佳的，所述进气箱内设置有用于测量进气压力的进气压力传感器和用于测量进气温度的热敏传感器。

较佳的，所述排气管包括有一排气总管和一排气支管，所述排气总管与所述模拟增压系统连通，所述排气支管一端与所述排气总管连通，另一端与所述排气口连通；

所述排气支管与所述排气口连通的一端的内侧设置有一用于测量排气压力的排气压力传感器。

较佳的，所述单缸机模拟整机的试验装置还包括有一气缸盖，所述气缸盖盖设于所述单缸机机体的进气口和排气口上。

此处，气缸盖用于对单缸机机体的部件进行保护并可以支撑连接排气管和进气箱等部件。

本发明的积极进步效果在于：通过建立整机仿真模型、单缸机仿真模型，在实体单缸机上反复调试进气压力、进气温度和排气背压，得出待模拟的整机的合理的参数，大幅提升了柴油机等单缸机模拟整机的精度，大幅度减少整机试验工作量，提高柴油机研发效率。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的单缸机模拟整机的试验方法的流程图。

图2为本发明较佳实施例单缸机模拟整机的试验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

图1为本实施例的单缸机模拟整机的试验方法的流程图，如图1所示，本实施例涉及的单缸机模拟整机的试验方法包括有以下步骤：

步骤1、建立一整机仿真模型和一单缸机仿真模型。

步骤2、运行整机仿真模型得出整机高压指示压力和边界参数，其中，整机高压指示压力为整机仿真模型在压缩和膨胀节点的缸内气体平均指示压力，边界参数包括有单缸进气结束缸内进气量、进气结束进气温度和总进气量。

在多缸整机中，当活塞上行，进气阀关闭以后，气缸内的空气受到压缩，随着容积的不断细小，空气的压力和温度也就不断升高，压缩终点的压力和湿度与空气的压缩程度有关，即与压缩比有关，一般压缩终点的压力和温度分别为4～8MPa和750～950K。在本实施例中，进气量，温度和湿度等参数均可以一同在整机仿真模型中进行设定。

步骤3、运行单缸机仿真模型，调整单缸机仿真模型的高压指示压力直至与整机高压指示压力相等，调整单缸机仿真模型的进气压力、进气温度、排气背压直至单缸机仿真模型的边界参数与整机仿真模型的边界参数一致后，记录下此时的单缸机仿真模型的进气压力、进气温度、排气背压。

步骤4、运行待测的实体单缸机，调整实体单缸机的扭矩使得实体单缸机的高压指示压力与整机高压指示压力相等，调整实体单缸机的进气压力调节阀、进气温度加热器、排气背压阀，使得实体单缸机的进气压力、进气温度、排气背压与步骤3中记录的单缸机仿真模型的进气压力、进气温度、排气背压相等。

步骤5、将测量得出实体单缸机的燃烧放热率曲线代入整机仿真模型，得出一组高压指示压力和边界参数。

计算燃烧放热率的出发点可以采用热力学第一定律。在计算放热率时，采用零燃烧模型，认为气缸内为均匀分布的混合气。燃料燃烧放出的热量一部分用于提高缸内气体的内能并用来对外做功，一部分传给燃烧室壁构成散热损失。燃烧过程中任一瞬时的热量平衡方程式为：

Q_f＝Q+Q_W＝ΔU+W+Q_W；

其中Q_f为该瞬时前燃料燃烧放出的热量；Q为该瞬时前缸内气体吸收的热量；Q_W为该瞬时前传给缸壁的热量；ΔU为气体内能变化量；W为从计算始发点至该瞬时气体所做的功。

步骤6、判断一组高压指示压力和边界参数与整机高压指示压力和边界参数的偏差比例是否大于一设定比例，若是则返回执行步骤2，若否则执行步骤7。

步骤7、将实体单缸机上实测的最高燃烧压力作为待模拟的整机的最高燃烧压力。

步骤8、通过实体单缸机上实测的单缸机实测燃油消耗率、单缸机实测NOx排放值单缸机实测功率和整机单缸功率计算得出待模拟的整机的整机燃油消耗率、整机NOx排放值，计算方法如下：

整机燃油消耗率＝单缸机实测燃油消耗率×单缸机实测功率÷整机单缸功

整机NOx排放值＝单缸机实测NOx排放值×单缸机实测功率÷整机单缸功率。

步骤9、将实体单缸机上实测的单缸机烟度实测值作为待模拟的整机的整机烟度值。

步骤10、将步骤5中的实体单缸机的燃烧放热率曲线代入整机仿真模型，计算得出待模拟的整机的整机排温值。

由于实体的整机尚未开发，整机边界参数是不能够通过实际测量测定，只能通过模拟来计算，可能存在偏差。所以，在试验中需要通过可以单缸机实测的数据作为基础来推导整机边界参数，这些可以实测的数据就包括有上述的燃烧放热率、进气压力、进气温度和排气背压，因此，在步骤5、步骤6中通过把实体单缸机上测量得到的燃烧放热率进一步代入整机模型，校准整机运行时的边界参数。通过反复的对比两组整机边界参数，最终可以得到待模拟的整机的较为合理的边界参数，进而通过较为合理的边界参数推导出其他的整机参数。

本实施例还涉及一种单缸机模拟整机的试验装置，图2为本实施例单缸机模拟整机的试验装置的结构示意图，如图2所示，本实施例涉及的单缸机模拟整机的试验装置包括有：

单缸机机体700、进气管路100、进气箱200、排气总管500、排气支管400和模拟增压系统600。单缸机机体700的进气口和排气口分别与进气箱200和排气管连通。进气管路100与进气箱200连通。

进气管路100和排气总管500均与模拟增压系统600连通，模拟增压系统600用于模拟整机气缸的进排气边界。

进气箱200的容积不小于待模拟的整机的进气箱的平均容积。

进气箱200内设置有用于测量进气压力的进气压力传感器和用于测量进气温度的热敏传感器。

排气支管400一端与排气总管500连通，另一端与排气口连通。排气支管400与排气口连通的一端的内侧设置有一用于测量排气压力的排气压力传感器。

气缸盖300盖设于单缸机机体700的进气口和排气口上。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种单缸机模拟整机的试验方法，其特征在于，其包括有以下步骤：

S1、建立一整机仿真模型和一单缸机仿真模型；

S2、运行所述整机仿真模型得出整机高压指示压力和边界参数，其中，所述整机高压指示压力为所述整机仿真模型在压缩和膨胀节点的缸内气体平均指示压力，所述边界参数包括有单缸进气结束缸内进气量、进气结束进气温度和总进气量；

S3、运行所述单缸机仿真模型，调整所述单缸机仿真模型的高压指示压力直至与所述整机高压指示压力相等，调整所述单缸机仿真模型的进气压力、进气温度、排气背压直至所述单缸机仿真模型的边界参数与所述整机仿真模型的边界参数一致后，记录下此时的所述单缸机仿真模型的进气压力、进气温度、排气背压；

S4、运行待测的实体单缸机，调整所述实体单缸机的扭矩使得所述实体单缸机的高压指示压力与所述整机高压指示压力相等，调整所述实体单缸机的进气压力调节阀、进气温度加热器、排气背压阀，使得所述实体单缸机的进气压力、进气温度、排气背压与S3中记录的所述单缸机仿真模型的进气压力、进气温度、排气背压相等；

S5、将测量得出所述实体单缸机的燃烧放热率曲线代入所述整机仿真模型，得出一组高压指示压力和边界参数；

S6、判断所述一组高压指示压力和边界参数与所述整机高压指示压力和边界参数的偏差比例是否大于一设定比例，若是则返回执行S2，若否则执行S7；

S7、将所述实体单缸机的参数进行处理得出待模拟的整机的参数。

2.如权利要求1所述的单缸机模拟整机的试验方法，其特征在于，所述S7为：将所述实体单缸机上实测的最高燃烧压力作为待模拟的整机的最高燃烧压力。

3.如权利要求2所述的单缸机模拟整机的试验方法，其特征在于，所述S7后还包括有步骤S8：

通过所述实体单缸机上实测的单缸机实测燃油消耗率、单缸机实测NOx排放值、单缸机实测功率和整机单缸功率计算得出待模拟的整机的整机燃油消耗率、整机NOx排放值，计算方法如下：

整机燃油消耗率＝单缸机实测燃油消耗率×单缸机实测功率÷整机单缸功率；

整机NOx排放值＝单缸机实测NOx排放值×单缸机实测功率÷整机单缸功率。

4.如权利要求3所述的单缸机模拟整机的试验方法，其特征在于，所述S8后还包括有步骤S9：

将所述实体单缸机上实测的单缸机烟度实测值作为待模拟的整机的整机烟度值。

5.如权利要求4所述的单缸机模拟整机的试验方法，其特征在于，所述S9后还包括有步骤S10：

将S5中的所述实体单缸机的燃烧放热率曲线代入所述整机仿真模型，计算得出待模拟的整机的整机排温值。

6.一种单缸机模拟整机的试验装置，其特征在于，其用于实现如权利要求1～5中任一项所述的单缸机模拟整机的试验方法，所述单缸机模拟整机的试验装置包括有：一单缸机机体、一进气管路、一进气箱、一排气管和一模拟增压系统；

所述单缸机机体的进气口和排气口分别与所述进气箱和所述排气管连通；

所述进气管路与所述进气箱连通；

所述进气管路和所述排气管均与所述模拟增压系统连通，所述模拟增压系统用于模拟整机气缸的进排气边界；

所述进气箱的容积不小于待模拟的整机的进气箱的平均容积。

7.如权利要求6所述的单缸机模拟整机的试验装置，其特征在于，所述进气箱内设置有用于测量进气压力的进气压力传感器和用于测量进气温度的热敏传感器。

8.如权利要求7所述的单缸机模拟整机的试验装置，其特征在于，所述排气管包括有一排气总管和一排气支管，所述排气总管与所述模拟增压系统连通，所述排气支管一端与所述排气总管连通，另一端与所述排气口连通；

所述排气支管与所述排气口连通的一端的内侧设置有一用于测量排气压力的排气压力传感器。

9.如权利要求6～8中任一项所述的单缸机模拟整机的试验装置，其特征在于，所述单缸机模拟整机的试验装置还包括有一气缸盖，所述气缸盖盖设于所述单缸机机体的进气口和排气口上。