动态载荷下发动机动态性能的AMESim仿真分析

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( 1. K ey L aborat ory for Highw ay Construction T echno lo gy and Equipment, M inistr y o f Educat ion, Chang 'an U niversit y, Xi'an 710064, China; 2. Y T O ( L uo yang) Eng ine M achiner y Co. , L td. , Luoy ang 471004, China)
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2011 年
外, 目前对发动机工作过程的性能研究主要集中在 静态性能 , 以施加剧烈波动载荷来研究发动机动态 性能的研究不多 . 随着计算机仿真技术的发展与仿 真软件的开发, 建立各种发动机动态特性的模型与 仿真程序 , 可以大大缩短发动机的开发和优化过程 . AMESim 是当今领先的应用于信号控 制、 机械、 发 动机等领域的系统建模、 仿真及动力学分析软件, 可 以完成涉及多学科领域的复杂系统建模, 并进行仿 真和深入分析[ 5 6] . 本研究在 AMESim 环境 下构建 工程机械发动机系统的仿真模型 , 对其加载具有代 表性的推土机作业时的载荷, 探讨发动机系统的主 要参数指标对动力性和经济性的影响, 以期为提高 发动机的综合性能提供理论依据.
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. 但是传统的研究方法不能
实现在没有车辆的情况下对发动机动态性能进行测 试和优化, 也就不能同时进行发动机与车辆的研发, 这样势必延长车辆与发动机联合研发的时间[ 4] . 另
作者简介 : 马登成 ( 1981 ) , 男 , 博士研究生 , 研究方向为工程机械动态性能与作用质量控制. E mail: md c8235@ 163. com 基金项目 : 中央高校基本科研业务费专项资金资助 ( CHD 2010ZY 010) ; 长安大学基础研究支持计划专项基金资助 . 收稿日期 : 2010 10 22; 修回日期 : 2010 12 22
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第2期
马登成等 : 动态载荷下发动机动态性能的 A M ESim 仿真分析
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载进行适应 , 只是这个时间间隔极短 , 当发动机输出 与外部负载适应后就会回到关系曲线上. 从图 3~ 5 中可以看出, 0~ 3 s 内功率都处在 130 kW 以下 , 在 4~ 12s 内功率超过了 150 kW, 这 个时间段正好是外部牵引力较大的时刻 , 到 14 s 以 后功率回到 130 kW 以下 . 显然这样超负荷的工作 状况是不合理的 ( 仿真所采用的柴油机额定功率为 132 kW) . 可见把起始转速设为发动机的额定功率
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F ig . 1
T he eng ine sy st em simulatio n mo del
来自百度文库
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CI 四
冲程、 水冷、 顶置气门、 直喷式六缸柴油机, 具体参数
四冲程、 水冷、 顶置 气门、 直喷式 6 130. 215 2 4 ) 1 850 132. 3
图2
发动机的输出转矩
Fig. 2 T he output tor que of eng ine
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784 12. 17
r
隔设定为 0. 000 1 s. 和转速图. 发动机输出转矩是平均有效压力的函数, 其走势与平均有效压力相同 , 可参考曲线来分析 . 结 合图 2~ 5 可以看出 , 发动机的输出功率、 平均有效 压力随着负载力矩的增减而增减; 而转速变化与负 载力矩的变化相反. 这与真实发动机工作时是一致 的 , 当车辆遇到较大阻力时 , 发动机在提高输出转矩 适应外部阻力的同时转速将降低 .
Sim ulat ion analy sis on t he dynamic char acter istics of eng ine under f luctuant load based on AM ESim
M A Deng cheng , YANG Shi m in , M A Deng hui , JIANG Xiao ming
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仿真结果分析
在仿真 时起始 转速值 设定为 额定转 速 1 850 min- 1 , 仿真时间设定为 20 s, 将仿真计算时间间 图 3~ 5 分别为发动机输出功率、 平均有效压力
标定功率 / kW ( Nm 最大扭矩 / ( 100 r min) - 1 ) 总排量 / L 比油耗 / ( g kW
图5
发动机输出转速
Fig. 5 T he o utput speed o f eng ine
从图 3~ 5 还可以看出发动机在加载瞬时其输 出功率达到 160 kW 、 平均有效压力达到 8. 6 bar, 转 速从开始的 1 850 r m in 降低到 1 600 r
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图6 Fig . 6
不同转速下发动机输出功率对比 T he compariso n o f output pow er of t he eng ine under different speed
2011 年 4 月 第 2 期 135~ 138
甘 肃 农 业 大 学 学 报 JO U RN AL O F G AN SU A GR ICU L T U RA L U N IV ERSIT Y
第4 6卷 双 月 刊
动态载荷下发动机动态性能的 AM ESim 仿真分析
马登成1 , 杨士敏1 , 马登慧2 , 蒋小明2
h
)
251. 7 PT 燃油系 统 24 V 电启动
燃油系统 启动方式
为了建模方便, 结合发动机系统构成, 将柴油机 划分为进气、 气缸、 热交换、 排气、 调速、 供油和外负 载等系统 . 在 AMESim 草图模式下, 运用信号元 件库、 IPF eng ine 元件库和机械元件库构建发动机 系统的仿真模型 ( 图 1) . 选取工程机械中具有典型
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仿真模型的建立与运行
图1 发动机系统的仿真模型
由于水冷直喷四冲程柴油机具有结构紧凑、 热 效率高、 燃料经济性好、 冷却效果好、 使用可靠等优 点, 在公路工程机械中得到了广泛应用. 因此, 仿真 过程中选取具有代表性的康明斯 NH 见表 1.
表1 T ab. 1 NH 220 CI 柴油机参数表 220 CI diesel eng ine NH 220 CI T he parameter o f N H 柴油机型号 形式 缸数 缸径冲程 / mm 标定转速 / ( r mim
速、 输出功率与平均有效压力. 仿真结果见图 6~ 9. 图 6 是发动机的功率曲线图 , 曲线 1~ 14 分别 对应起始转速从 1 150~ 1 800 r 加 . 转速为 1 150 r 1 800 r m in- 1 的发动机输 出功率 . 可以看出输出功率随着起始转速升高而增 min 时, 发动机的功率有 65 % 在 120 kW 以下 , 不能充分利用发动机功率. 转速为
图4 Fig . 4 发动机平均有效压力
min- 1 时, 发动机功率有近 50 % 在 140 kW
T he aver ag e effect ive pressure of engine
之上, 超过了额定功率造成发动机长时间超负荷运 转 , 影响发动机使用寿命. 理想的调速起始转速应该 使发动机既能充分发挥其功率, 又不会使发动机长 期处在超负荷运行的状态之下, 而且可以兼顾到发 动机转速始终围绕调速起始转速附近波动 .
Abstract: According t o the study on t he operat io n process of t he const ruct ion machinery engines under fluct uant load, t he simulat ion mo del w as est ablished based on AM ESim soft w are, and t he ef f ect s of m ain paramet er s o f t he syst em on t he pow er and eco no my w ere analyzed. T he sim ulat ed engine's pow er out put, av er ag e eff ect ive pr essure and speed, and fuel co nsum pt ion under f luctuant load w ere obt ained. T he r esults show ed that t he engine's po w er out put and fuel consumpt io n increased w it h t he increasing of f luct uant load, but t he engine speed reduced w hen t he engine load increased. It w as reasonable to set eng ine speed at 85 % of t he rated speed. It w as also show ed t hat t aking the AM ESim as a sim ulat ion so ft w are t o sim ulat e the dynamic perf ormance o f the engine was eff ect ive. Key words: A MESim; f luct uant lo ad; eng ine; sim ulat ion; dy namic charact erist ics; econom ic 工程机械往往在剧烈波动负荷下工作, 这样就 需要先进的发动机技术使其热效率、 输出功率、 平均 有效压力、 输出转速等经常处于最佳状态, 才能有效 降低发动机的油耗, 提高其动力性和燃油经济性. 因 此, 有必要对发动机在波动负荷下的动态工作性能 进行研究 . 目前 , 国内部分学者通过理论分析与试验 研究, 较系统的探讨了发动机在非稳定工况下的缸 内工作过程 , 以及对发动机在动态工况下的动力性、 经济性进行试验研究
图3 Fig. 3 发动机输出功率
转速处并不合理, 这样做虽然能够提高发动机的输 出功率 , 但却使发动机经常工作在超负荷的状态下. 因此有必要将转速从 1 150~ 1 800 r r min
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T he output po wer of eng ine
min - 1 以 50
为间隔来进行仿真 , 分析最合适的起始转
代表的推土机工作时的负载转矩信号对发动机进行 模拟加载[ 8 9] , 发动机负载转矩见图 2. 在参数模式 下 , 根据发动机参数确定模型 参数, 包 括燃料参数 ( 燃料的密度、 低热值、 比热、 气化潜热等) , 气缸的参 数 ( 数量、 排列形式、 缸径、 冲程、 连杆长度、 热交换模 型等) , 进排气门的参数 , 以及喷油器参数等.
( 1. 长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室 , 陕西 西安 动力机械有限公司 , 河南 洛阳 471004) 710064; 2. 中国一拖 ( 洛阳 )
摘要 : 通过对动态载荷下工程机械发动机的 工作过程进行研究 , 并基于 A M ESim 软件 平台构建 发动机系统 的 仿真 模型 , 研究系统主要参数指标对动力性和经济性的影 响规律 , 得出在动态载荷 下发动机的 输出功率、 平均有 效 压力、 转速和燃油消耗的仿真结果 . 结果显示 : 在负载增大 时发动机的输出功率增大、 耗油量增 加 , 同 时发动机转 速 降低 ; 起始转速的提高会导致耗油量增加 , 而且增幅逐渐增大 ; 发 动机工作 转速设 定在额 定转速 的 85 % 左右是 合 理的 , 用 A M ESim 仿 真软件对发动机进行动态性能仿真研究是可靠的 . 关键词 : A M ESim; 波动负荷 ; 发动机 ; 仿真 ; 动态性能 ; 经济性 中图分类号 : T P 391. 9 文献标识码 : A 文章编号 : 1003 4315( 2011) 02 0135 04