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, 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, m u0 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; 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Extended Chmela2based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, 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的关系, 在计算时采用简化方法,将涡轮简化成一个当量喷嘴, 其流通能力可以用具有相同流通能力的等效流动截面乘以流量系数来得到, 涡轮流量和效率的计算公式为:

　　式中, μT为涡轮的流量系数; FT为涡轮当量喷嘴面积; ΨT为涡轮的通流函数; PT、TT、RT为涡轮入口的废气压力、温度和理想气体常数; U为工作叶轮平均圆周速度; c0为气体通过涡轮的理想速度; ηTmax为涡轮最高效率。

　　2.9 调速系统模型

　　仿真模型采用的是数字式电子调速器, 它根据机组负荷变化时引起的转速变化, 自动调节供油装置执行器的齿条位移, 以改变高压油泵的每循环供油量, 从而使机组的转速维持在规定的范围内。其调节过程的作用规律系采用双PID闭环调节器, 调速系统的原理如图2所示。

　　图2 调速系统原理图

　　(1) 电磁执行器模型

　　电磁执行器是柴油机的供油执行单元, 它的主要功能是将齿条位置信号转换成油泵齿条的实际位置并输出。它由供油执行环节、执行控制环节、伺服执行环节及反馈环节组成, 按照功能, 可以简化成一个一阶惯性环节。

　　(2) 供油装置模型

　　柴油机每缸的循环供油量与喷油泵的齿条位移和油泵转速(或柴油机转速) 有关, 一般根据大量试验数据的回归曲线或用经验公式来表示。此外, 喷油泵齿条位移改变后, 柴油机的功率和扭矩响应存在延迟, 可通过在调速器输出位置后加一个纯延迟和一个惯性延迟环节来表示。

　　2.10 发电机系统模型

　　仿真模型选用他励直流发电机作为负载电机,通过感应调压器调节励磁电流以控制发电机的电枢电流, 从而可以控制柴油发电机组的负载大小。表示系统动态响应的微分方程如下:

　　式中, Ea为感应电动势; Ia为电枢电流; n为发电机轴上转速; Rd为负载电阻; Ra为电枢回路电阻; La为电枢回路电感; Ce·φ为电动势系数; Cm ·φ =9155Ce·φ,为转矩电流比系数; kφ为磁化曲线对应工作点的斜率; If 为励磁电流;Mm 为发电机电磁扭矩;ML 为发电机轴上扭矩; K为发电机阻尼系数; JL为发电机的转动惯量。

　　2.11 机械损失压力

　　柴油机的机械损失一般用机械损失压力pm表示,主要是由于机械摩擦及驱动所带辅助机械设备(如油泵、水泵等)的摩擦损失压力。迄今为止提出的机械损失的经验公式很多, S.K1陈提出了一个考虑气缸内气体压力和柴油机转速的计算平均机械损失压力的公式:

　　式中: pmax为柴油机单缸最高燃烧压力; n为柴油机的转速; r为曲柄半径。

　　3 仿真模型的建立

　　仿真模型的建立在AMESim软件中完成。首先根据所要仿真的柴油发电机组的结构特点在AMESim的元件库中选择各部分元件, 将其搭接起来, 建立整个柴油发电机组的仿真模型。然后为各个元件选择相应的子模型, 最后在各个元件中输入所需的参数及公式。AMESim中建立的柴油发电机组的仿真模型如图3所示, 机组的主要参数如表1所示。

　　4 仿真结果与分析

　　模型建好以后, 即可对柴油发电机组的稳态过程和动态过程进行仿真。为了对模型中的一些参数和公式进行标定, 首先对额定工况下机组的运行特性进行仿真, 使机组在额定工况下的仿真结果与实际的运行参数相接近, 然后进行动态过程的仿真。100%负荷时机组的主要运行参数的仿真结果与实测结果对比如表2所示, 柴油机缸内的示功图对比如图4和图5所示。

　　图3 AMESim中建立的柴油发电机组仿真模型

　　表1 柴油发电机组的基本参数

　　4.1 稳态过程仿真

　　模型标定好后, 对机组在其它工况下的稳态过程进行仿真。表2所示为机组在50% , 75%和100%负荷机组主要运行参数的仿真结果与实测结果对比。其中仿真和试验时的环境压力为0.1MPa,环境温度为20 ℃, 中冷器冷却水温度为20 ℃, 机组的工作转速为1450 r /min。

　　图4 100%负荷时柴油机的p -φ图

　　图5 100%负荷时柴油机的p 2V图

　　表2 不同负荷时的稳态仿真结果与实测结果

　　4.2 动态过程仿真

　　在稳态仿真的基础上对机组负荷突卸时的动态过程进行仿真。首先调节调速器模型的P、I、D参数, 使机组的瞬态调速率和过渡时间在所要求的范围之内且机组的转速变化与实测结果相接近。然后用调节好的P、I、D参数仿真100%负荷突卸时机组性能参数的变化规律, 并与试验结果进行对比, 如图6所示。

　　图6 负荷突卸时机组性能参数变化曲线

　　通过负荷突卸时的仿真结果与试验结果对比可以看出: ①负荷突卸时发电机功率和电流变化的仿真结果与实测结果基本一致; ②通过调节调速器模型的P、I、D 参数可以使负荷突卸时机组转速的变化与实测结果相接近, 并且此时齿条位移的变化也和实测结果较为接近, 证明仿真模型具有较高的仿真精度; ③100%负荷时增压压力比实测结果偏大, 空载时涡轮的转速比实测结果偏低, 说明计算的涡轮效率和流量曲线还有一定的误差, 需进一步修正。

　　5 结论

　　(1) 从稳态过程和动态过程仿真结果与实测结果的比较可以看出, 所建立的柴油发电机组仿真模型具有较高的精度, 可以用来对机组在各种工况下的动态运行特性进行分析和研究。

　　(2) 利用AMESim软件对柴油发电机组的工作过程进行仿真具有界面友好、调整灵活、数据处理方便等优点。