摘 要

柴油发动机作为当代运输工具中最常见的动力推进装置之一，无论是在陆地车辆还是河海船舶中都发挥着举足轻重的作用。但是由于柴油机的结构较为复杂，其工作过程中也存在许多不可预测性和非线性过程，随着国家对于发动机排放标准规定的不断完善，对柴油机运行更加稳定的要求也不断提高，大量的试验研究表明，柴油机的仿真模拟研究对于整个柴油机领域的不断发展以及技术革新换代，包括一些新技术的结合应用，更好地来达到柴油机控制分析和性能预测的目的，因此进行“基于平均值法的柴油机仿真研究”研究具有一定的理论意义和实际工程应用价值。

论文对于柴油机整机数学模型的建立，采取的方法是根据其工作原理和相关计算经验公式进行总结，采用分模块的建模技术，以MATLAB/SIMULINK软件为仿真平台，分模块进行分析，建立其平均值模型，将一个柴油机整体分为涡轮增压器、中冷器、缸内工作过程、调速器等模块分别建模并封装。选取典型负荷特性曲线，与试验数据进行对比分析，根据仿真结果分析柴油机的负荷特性。研究结果表明：MATLAB/SIMULINK软件对于仿真建模的重要性以及基于平均值法进行柴油机仿真建模研究的可行性，根据柴油机负荷特性仿真数据，将其数据在二维图形上展现出来，并将数据进行对比，试验数据与理论数据的偏差值基本控制在±5%以内，符合工程上的精度要求，验证了本次研究柴油机建模的正确性。

关键词：柴油机；MATLAB/SIMULINK；平均值法；仿真计算

Abstract

Diesel engine is a very popular devices in modern transportation, diesel engine is very yital for both land vehicles and sea ships. While the structure of the engine is very complex, there are also many unpredictability and the working process of the nonlinear process, with the gradual improvement of engine emission standard regulations of the state, also enhances unceasingly to the requirement of the operation of diesel engine is more stable, a large number of experimental study show that the simulation study of diesel engine for the development and technological innovation in the field of diesel engine, including the integrated application of new technology, to achieve better control the purpose of the analysis and performance prediction of diesel engine, thus for diesel engine based on average method "simulation" research has certain theoretical significance and practical engineering application value.

Paper for establishment of mathematical model for diesel engine, the method is based on its working principle and summarizes experience in related calculation formula, USES the points of the module modeling technology, using MATLAB/SIMULINK software for the simulation platform, points module were analyzed, and its average value model is set up, will be divided into a whole diesel engine turbocharger, cold machine, the working process in cylinder, governor modules such as modeling, respectively, and encapsulation. The typical load characteristic curve is selected and compared with the test data. The load characteristic of diesel engine is analyzed according to the simulation results. The research results show that the MATLAB/SIMULINK software for the importance of simulation modeling, and using average method to study the possibility of the diesel engine simulation modeling, according to the diesel engine load characteristic simulation data, the data displayed in the 2 d graphics, compared to the data, test data and the deviation of the basic theory of data control within the plus or minus 5%, conform to the requirements of the engineering precision, validate the correctness of the study in the diesel engine modeling.

KeyWords；Diesel Engine;MATLAB/SIMULINK;Mean Value Method;Simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 容积法模型 1

1.2.2 平均值法模型 2

1.2.3 线性变参数状态空间模型 2

1.2.4 系统辨识法法模型 3

1.3 研究目的及意义 3

1.4 本文主要研究内容和技术路线 3

第2章 柴油机建模的热力学计算 5

2.1 涡轮增压器热力学计算 5

2.2.1 压气机 6

2.2.2 涡轮 8

2.2 中冷器 9

2.3 缸内工作过程 10

2.4 指示扭矩 12

2.5 平均排气温度 12

2.6 调速系统和燃油系统 12

2.7 柴油机实验平台 13

第3章 通过MATLAB/SIMULINK对柴油机建模 16

3.1 MATLAB/SIMULINK建模工具介绍 16

3.2 涡轮增压器仿真模型 17

3.2.1 压气机 17

3.3 缸内工作过程 18

3.3.1 进气模型分析 18

3.3.2 指示转矩模型分析 19

3.3.3 动力学模块 20

3.4 中冷器模块建模 22

3.5 燃油系统和调速系统 22

3.6 建模过程的困难和解决方案 23

3.6.1代数环的运用 23

3.6.2 S-函数的运用 24

第4章 负荷特性仿真结果分析 25

4.1 40%负荷特性 25

4.2 60%负荷特性 26

4.3 75%负荷特性 28

4.4 90%负荷特性 29

4.5负荷特性仿真结果分析 30

第5章 研究结论和前景展望 31

5.1 研究结论 31

5.2 前景展望 31

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪 论

1.1 研究背景

柴油发动机作为现代运输方式中至为重要的一员，在陆地海洋运输事业中都起到了十分关键的作用，扭矩大，经济性能好的优点使柴油机可以更为优异地应用到大型运输设备上。经过一百多年科学家的技术不断完善和各种高新科技的结合运用发展^[1]-[3]，比如电控直喷、共轨柴油机^[2]、柴油机的涡轮增压技术、中冷器应用等高新技术在当代柴油机上的普及运用^[3][4]，很好地改善了柴油机本身的缺点与不足之处，并且节能和二氧化碳排放低的优势这些是柴油机原本就具有的特点，因此柴油机被称为发动机中极为重要的“绿色发动机” 。

1.2国内外研究现状

目前来看，国外的柴油机研究机构从1970年左右开始就开始做了大量柴油机仿真研究^[11][12]，国内的研究机构是从1980年左右才逐渐起步，国内研究机构最初是进行的舰船领域的仿真技术研究，但发展较为缓慢。平均值模型是一种非线性模型，这种模型是基于准稳态，在研究中，研究者将涡轮增压柴油机划分涡轮增压器，其中涡轮增压器包括两部分，分别是压气机和涡轮，其余的不同模块为中冷器、调速器等，对于研究中较为复杂的气缸工作过程选择忽略和曲柄连杆机构动力学的计算，对较为简便易懂的过程采用不同的数学方程来表示，利用已知的经验公式表示研究中较为繁琐的过程，或根据已知的实验室的数据进行插值计算其中比较复杂的过程，在计算中不考虑循环波动，而是重于对柴油机随时间变化的状态变量的平均值进行描述^[4]-[6]。

近几年来，虽然国内外的研究机构对于柴油机的性能测试和柴油机各种机械结构设计等方面的研究得到了比较快速的发展，比如缸内膨胀的剩余功吸收系统、电子控制油泵、电控喷油定时以及涡轮增压器的研究等都取得了很大的成就。但是对于主机控制系统方面的仿真模型却相对不多，并且发展缓慢^[8]。