單缸機模擬整機的試驗方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單缸機模擬整機的試驗方法及裝置，包括有：S1、建立仿真模型；S2、運行整機仿真模型得出整機高壓指示壓力和邊界參數(shù)；S3、運行單缸機仿真模型，調(diào)整單缸機仿真模型的高壓指示壓力、邊界參數(shù)至與整機相等；S4、運行待測的實體單缸機，調(diào)整高壓指示壓力與整機相等，調(diào)整進氣壓力調(diào)節(jié)閥、進氣溫度加熱器、排氣背壓閥，與S3中記錄相等；S5、將實體單缸機的燃燒放熱率曲線代入整機仿真模型；S6、判斷偏差是否大于設(shè)定比例；S7、對實體單缸機的參數(shù)進行處理。通過建立整機仿真模型、單缸機仿真模型，在實體單缸機上反復調(diào)試進氣壓力、進氣溫度和排氣背壓，得出待模擬整機的合理參數(shù)，提升了柴油機等單缸機模擬整機的精度。
【專利說明】單缸機模擬整機的試驗方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種單缸機模擬整機的試驗方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，采用單缸機試驗預測柴油機整機性能指標可以大幅度減少整機試驗工作量，對于降低柴油機開發(fā)成本，縮短柴油機開發(fā)周期具有重要意義。大型柴油機產(chǎn)量小，生產(chǎn)周期長，柴油機制造成本高，試驗費用高，常作為主要試驗樣機。
[0003]單缸機試驗準確模擬整機性能指標關(guān)鍵是缸內(nèi)燃燒階段作功和燃燒階段的進排氣邊界和整機一致。缸內(nèi)燃燒階段作功是指缸內(nèi)氣體在壓縮和膨脹行程的作功。該階段作功和燃燒過程和整機功率指標直接相關(guān)，相對于整個循環(huán)的缸內(nèi)做功，以缸內(nèi)燃燒階段作功為模擬目標可以排除單缸機和整機泵氣損失差異對模擬精度的影響。單缸機由于只有一個氣缸，不能直接采用整機增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也無法考慮整機各缸之間壓力波傳遞影響，需要針對整機氣缸的進排氣邊界參數(shù)進行模擬。柴油機燃燒過程進排氣邊界參數(shù)包括過量空氣系數(shù)、掃氣系數(shù)、殘余廢氣系數(shù)、進氣溫度、進氣渦流等，對于單缸機模擬整機，最主要的為過量空氣系數(shù)、掃氣系數(shù)、進氣溫度。過量空氣系數(shù)為進氣階段結(jié)束后留在缸內(nèi)的氣量和燃燒完全燃燒所消耗的氣量之比，掃氣系數(shù)為進氣階段通過進氣閥吸入的總氣量和留在缸內(nèi)氣量之比。
[0004]現(xiàn)有的單缸機模擬整機方法并未嚴格以進氣量作為單缸機模擬整機邊界的標準，依據(jù)單缸機和整機進氣量一致來確定單缸機進氣壓力、溫度、排氣背壓等參數(shù)，而把整機的進氣壓力和排氣背壓直接作為單缸機試驗的邊界，該方法為充分考慮單缸機和整機進排氣流動的差異，往往會使得單缸機和整機性能參數(shù)有明顯差異。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)成本單缸機模擬整機時誤差較大的缺陷，提供一種誤差更小、精度更高的單缸機模擬整機的試驗方法及裝置。
[0006]本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題:
[0007]一種單缸機模擬整機的試驗方法，其特點在于，其包括有以下步驟:
[0008]S1、建立一整機仿真模型和一單缸機仿真模型；
[0009]S2、運行所述整機仿真模型得出整機高壓指示壓力和邊界參數(shù)，其中，所述整機高壓指示壓力為所述整機仿真模型在壓縮和膨脹節(jié)點的缸內(nèi)氣體平均指示壓力，所述邊界參數(shù)包括有單缸進氣結(jié)束缸內(nèi)進氣量、進氣結(jié)束進氣溫度和總進氣量；
[0010]也就是說，先通過整機仿真模型模擬計算出邊界參數(shù)等參數(shù)。
[0011]S3、運行所述單缸機仿真模型，調(diào)整所述單缸機仿真模型的高壓指示壓力直至與所述整機高壓指示壓力相等，調(diào)整所述單缸機仿真模型的進氣壓力、進氣溫度、排氣背壓直至所述單缸機仿真模型的邊界參數(shù)與所述整機仿真模型的邊界參數(shù)一致后，記錄下此時的所述單缸機仿真模型的進氣壓力、進氣溫度、排氣背壓；
[0012]也就是說，將單缸機仿真模型中的邊界參數(shù)與整機仿真的邊界參數(shù)調(diào)整到一致，這時可以得出唯一的進氣壓力、進氣溫度和排氣背壓的數(shù)值；
[0013]S4、運行待測的實體單缸機，調(diào)整所述實體單缸機的扭矩使得所述實體單缸機的高壓指示壓力與所述整機高壓指示壓力相等，調(diào)整所述實體單缸機的進氣壓力調(diào)節(jié)閥、進氣溫度加熱器、排氣背壓閥，使得所述實體單缸機的進氣壓力、進氣溫度、排氣背壓與S3中記錄的所述單缸機仿真模型的進氣壓力、進氣溫度、排氣背壓相等；
[0014]也就是說，將S3中得出的進氣壓力、進氣溫度和排氣背壓代入到實體單缸機中，代入的方式就是通過調(diào)整扭矩、進氣壓力調(diào)節(jié)閥等機械手段使得二者一致。
[0015]S5、將測量得出所述實體單缸機的燃燒放熱率曲線代入所述整機仿真模型，得出一組高壓指示壓力和邊界參數(shù)；
[0016]此處，在S5執(zhí)行時，實體單缸機的參數(shù)狀態(tài)決定了實體單缸機的燃燒放熱率曲線。
[0017]S6、判斷所述一組高壓指示壓力和邊界參數(shù)與所述整機高壓指示壓力和邊界參數(shù)的偏差比例是否大于一設(shè)定比例，若是則返回執(zhí)行S2，若否則執(zhí)行S7 ；
[0018]這里，由于實體的整機尚未開發(fā)，整機邊界參數(shù)是不能夠通過實際測量測定，只能通過模擬來計算，可能存在偏差。所以，在試驗中需要通過可以單缸機實測的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)來推導整機邊界參數(shù)，這些可以實測的數(shù)據(jù)就包括有上述的燃燒放熱率、進氣壓力、進氣溫度和排氣背壓，因此，在S5、S6中通過把實體單缸機上測量得到的燃燒放熱率進一步代入整機模型，校準整機運行時的邊界參數(shù)。通過反復的對比兩組整機邊界參數(shù)，最終可以得到待模擬的整機的較為合理的邊界參數(shù)，進而通過較為合理的邊界參數(shù)推導出其他的整機參數(shù)。
[0019]S7、將所述實體單缸機的參數(shù)進行處理得出待模擬的整機的參數(shù)。
[0020]較佳的，所述S7為:將所述實體單缸機上實測的最高燃燒壓力作為待模擬的整機的最高燃燒壓力。
[0021]較佳的，所述S7后還包括有步驟S8:
[0022]通過所述實體單缸機上實測的單缸機實測燃油消耗率、單缸機實測NOx排放值單缸機實測功率和整機單缸功率計算得出待模擬的整機的整機燃油消耗率、整機NOx排放值，計算方法如下:
[0023]整機燃油消耗率=單缸機實測燃油消耗率X單缸機實測功率+整機單缸功率；
[0024]整機NOx排放值=單缸機實測NOx排放值X單缸機實測功率+整機單缸功率。
[0025]較佳的，所述S8后還包括有步驟S9:
[0026]將所述實體單缸機上實測的單缸機煙度實測值作為待模擬的整機的整機煙度值。
[0027]較佳的，所述S9后還包括有步驟SlO:
[0028]將S5中的所述實體單缸機的燃燒放熱率曲線代入所述整機仿真模型，計算得出待模擬的整機的整機排溫值。
[0029]本發(fā)明還提供一種單缸機模擬整機的試驗裝置，其特點在于，其用于實現(xiàn)如上所述的單缸機模擬整機的試驗方法，所述單缸機模擬整機的試驗裝置包括有:一單缸機機體、一進氣管路、一進氣箱、一排氣管和一模擬增壓系統(tǒng)；
[0030]所述單缸機機體的進氣口和排氣口分別與所述進氣箱和所述排氣管連通；[0031 ] 所述進氣管路與所述進氣箱連通；
[0032]所述進氣管路和所述排氣管均與所述模擬增壓系統(tǒng)連通，所述模擬增壓系統(tǒng)用于模擬整機氣缸的進排氣邊界；
[0033]所述進氣箱的容積不小于待模擬的整機的進氣箱的平均容積。
[0034]此處，由于單缸機與整機的氣缸排氣邊界存在差異，因此要模擬整機的排氣邊界，需要通過模擬增壓系統(tǒng)。
[0035]較佳的，所述進氣箱內(nèi)設(shè)置有用于測量進氣壓力的進氣壓力傳感器和用于測量進氣溫度的熱敏傳感器。
[0036]較佳的，所述排氣管包括有一排氣總管和一排氣支管，所述排氣總管與所述模擬增壓系統(tǒng)連通，所述排氣支管一端與所述排氣總管連通，另一端與所述排氣口連通；
[0037]所述排氣支管與所述排氣口連通的一端的內(nèi)側(cè)設(shè)置有一用于測量排氣壓力的排氣壓力傳感器。
[0038]較佳的，所述單缸機模擬整機的試驗裝置還包括有一氣缸蓋，所述氣缸蓋蓋設(shè)于所述單缸機機體的進氣口和排氣口上。
[0039]此處，氣缸蓋用于對單缸機機體的部件進行保護并可以支撐連接排氣管和進氣箱等部件。
[0040]本發(fā)明的積極進步效果在于:通過建立整機仿真模型、單缸機仿真模型，在實體單缸機上反復調(diào)試進氣壓力、進氣溫度和排氣背壓，得出待模擬的整機的合理的參數(shù)，大幅提升了柴油機等單缸機模擬整機的精度，大幅度減少整機試驗工作量，提高柴油機研發(fā)效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1為本發(fā)明較佳實施例的單缸機模擬整機的試驗方法的流程圖。
[0042]圖2為本發(fā)明較佳實施例單缸機模擬整機的試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0043]下面通過實施例的方式進一步說明本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實施例范圍之中。
[0044]圖1為本實施例的單缸機模擬整機的試驗方法的流程圖，如圖1所示，本實施例涉及的單缸機模擬整機的試驗方法包括有以下步驟:
[0045]步驟1、建立一整機仿真模型和一單缸機仿真模型。
[0046]步驟2、運行整機仿真模型得出整機高壓指示壓力和邊界參數(shù)，其中，整機高壓指示壓力為整機仿真模型在壓縮和膨脹節(jié)點的缸內(nèi)氣體平均指示壓力，邊界參數(shù)包括有單缸進氣結(jié)束缸內(nèi)進氣量、進氣結(jié)束進氣溫度和總進氣量。
[0047]在多缸整機中，當活塞上行，進氣閥關(guān)閉以后，氣缸內(nèi)的空氣受到壓縮，隨著容積的不斷細小，空氣的壓力和溫度也就不斷升高，壓縮終點的壓力和濕度與空氣的壓縮程度有關(guān)，即與壓縮比有關(guān)，一般壓縮終點的壓力和溫度分別為4?8MPa和750?950K。在本實施例中，進氣量，溫度和濕度等參數(shù)均可以一同在整機仿真模型中進行設(shè)定。
[0048]步驟3、運行單缸機仿真模型，調(diào)整單缸機仿真模型的高壓指示壓力直至與整機高壓指示壓力相等，調(diào)整單缸機仿真模型的進氣壓力、進氣溫度、排氣背壓直至單缸機仿真模型的邊界參數(shù)與整機仿真模型的邊界參數(shù)一致后，記錄下此時的單缸機仿真模型的進氣壓力、進氣溫度、排氣背壓。
[0049]步驟4、運行待測的實體單缸機，調(diào)整實體單缸機的扭矩使得實體單缸機的高壓指示壓力與整機高壓指示壓力相等，調(diào)整實體單缸機的進氣壓力調(diào)節(jié)閥、進氣溫度加熱器、排氣背壓閥，使得實體單缸機的進氣壓力、進氣溫度、排氣背壓與步驟3中記錄的單缸機仿真模型的進氣壓力、進氣溫度、排氣背壓相等。
[0050]步驟5、將測量得出實體單缸機的燃燒放熱率曲線代入整機仿真模型，得出一組高壓指示壓力和邊界參數(shù)。
[0051]計算燃燒放熱率的出發(fā)點可以采用熱力學第一定律。在計算放熱率時，采用零燃燒模型，認為氣缸內(nèi)為均勻分布的混合氣。燃料燃燒放出的熱量一部分用于提高缸內(nèi)氣體的內(nèi)能并用來對外做功，一部分傳給燃燒室壁構(gòu)成散熱損失。燃燒過程中任一瞬時的熱量平衡方程式為:
[0052]Qf = Q+Qw = Δ U+W+Qff ；
[0053]其中Qf為該瞬時前燃料燃燒放出的熱量；Q為該瞬時前缸內(nèi)氣體吸收的熱量；QW為該瞬時前傳給缸壁的熱量；AU為氣體內(nèi)能變化量;W為從計算始發(fā)點至該瞬時氣體所做的功。
[0054]步驟6、判斷一組高壓指示壓力和邊界參數(shù)與整機高壓指示壓力和邊界參數(shù)的偏差比例是否大于一設(shè)定比例，若是則返回執(zhí)行步驟2，若否則執(zhí)行步驟7。
[0055]步驟7、將實體單缸機上實測的最高燃燒壓力作為待模擬的整機的最高燃燒壓力。
[0056]步驟8、通過實體單缸機上實測的單缸機實測燃油消耗率、單缸機實測NOx排放值單缸機實測功率和整機單缸功率計算得出待模擬的整機的整機燃油消耗率、整機NOx排放值，計算方法如下:
[0057]整機燃油消耗率=單缸機實測燃油消耗率X單缸機實測功率+整機單缸功
[0058]整機NOx排放值=單缸機實測NOx排放值X單缸機實測功率+整機單缸功率。
[0059]步驟9、將實體單缸機上實測的單缸機煙度實測值作為待模擬的整機的整機煙度值。
[0060]步驟10、將步驟5中的實體單缸機的燃燒放熱率曲線代入整機仿真模型，計算得出待模擬的整機的整機排溫值。
[0061]由于實體的整機尚未開發(fā)，整機邊界參數(shù)是不能夠通過實際測量測定，只能通過模擬來計算，可能存在偏差。所以，在試驗中需要通過可以單缸機實測的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)來推導整機邊界參數(shù)，這些可以實測的數(shù)據(jù)就包括有上述的燃燒放熱率、進氣壓力、進氣溫度和排氣背壓，因此，在步驟5、步驟6中通過把實體單缸機上測量得到的燃燒放熱率進一步代入整機模型，校準整機運行時的邊界參數(shù)。通過反復的對比兩組整機邊界參數(shù)，最終可以得到待模擬的整機的較為合理的邊界參數(shù)，進而通過較為合理的邊界參數(shù)推導出其他的整機參數(shù)。
[0062]本實施例還涉及一種單缸機模擬整機的試驗裝置，圖2為本實施例單缸機模擬整機的試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，本實施例涉及的單缸機模擬整機的試驗裝置包括有:
[0063]單缸機機體700、進氣管路100、進氣箱200、排氣總管500、排氣支管400和模擬增壓系統(tǒng)600。單缸機機體700的進氣口和排氣口分別與進氣箱200和排氣管連通。進氣管路100與進氣箱200連通。
[0064]進氣管路100和排氣總管500均與模擬增壓系統(tǒng)600連通，模擬增壓系統(tǒng)600用于模擬整機氣缸的進排氣邊界。
[0065]進氣箱200的容積不小于待模擬的整機的進氣箱的平均容積。
[0066]進氣箱200內(nèi)設(shè)置有用于測量進氣壓力的進氣壓力傳感器和用于測量進氣溫度的熱敏傳感器。
[0067]排氣支管400 —端與排氣總管500連通，另一端與排氣口連通。排氣支管400與排氣口連通的一端的內(nèi)側(cè)設(shè)置有一用于測量排氣壓力的排氣壓力傳感器。
[0068]氣缸蓋300蓋設(shè)于單缸機機體700的進氣口和排氣口上。
[0069]雖然以上描述了本發(fā)明的【具體實施方式】，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應當理解，這僅是舉例說明，本發(fā)明的保護范圍是由所附權(quán)利要求書限定的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明的原理和實質(zhì)的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種單缸機模擬整機的試驗方法，其特征在于，其包括有以下步驟: 51、建立一整機仿真模型和一單缸機仿真模型； 52、運行所述整機仿真模型得出整機高壓指示壓力和邊界參數(shù)，其中，所述整機高壓指示壓力為所述整機仿真模型在壓縮和膨脹節(jié)點的缸內(nèi)氣體平均指示壓力，所述邊界參數(shù)包括有單缸進氣結(jié)束缸內(nèi)進氣量、進氣結(jié)束進氣溫度和總進氣量； 53、運行所述單缸機仿真模型，調(diào)整所述單缸機仿真模型的高壓指示壓力直至與所述整機高壓指示壓力相等，調(diào)整所述單缸機仿真模型的進氣壓力、進氣溫度、排氣背壓直至所述單缸機仿真模型的邊界參數(shù)與所述整機仿真模型的邊界參數(shù)一致后，記錄下此時的所述單缸機仿真模型的進氣壓力、進氣溫度、排氣背壓； 54、運行待測的實體單缸機，調(diào)整所述實體單缸機的扭矩使得所述實體單缸機的高壓指示壓力與所述整機高壓指示壓力相等，調(diào)整所述實體單缸機的進氣壓力調(diào)節(jié)閥、進氣溫度加熱器、排氣背壓閥，使得所述實體單缸機的進氣壓力、進氣溫度、排氣背壓與S3中記錄的所述單缸機仿真模型的進氣壓力、進氣溫度、排氣背壓相等； 55、將測量得出所述實體單缸機的燃燒放熱率曲線代入所述整機仿真模型，得出一組高壓指示壓力和邊界參數(shù)； 56、判斷所述一組高壓指示壓力和邊界參數(shù)與所述整機高壓指示壓力和邊界參數(shù)的偏差比例是否大于一設(shè)定比例，若是則返回執(zhí)行S2，若否則執(zhí)行S7 ； 57、將所述實體單缸機的參數(shù)進行處理得出待模擬的整機的參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的單缸機模擬整機的試驗方法，其特征在于，所述S7為:將所述實體單缸機上實測的最高燃燒壓力作為待模擬的整機的最高燃燒壓力。
3.如權(quán)利要求2所述的單缸機模擬整機的試驗方法，其特征在于，所述S7后還包括有步驟S8: 通過所述實體單缸機上實測的單缸機實測燃油消耗率、單缸機實測NOx排放值單缸機實測功率和整機單缸功率計算得出待模擬的整機的整機燃油消耗率、整機NOx排放值，計算方法如下: 整機燃油消耗率=單缸機實測燃油消耗率X單缸機實測功率+整機單缸功率； 整機NOx排放值=單缸機實測NOx排放值X單缸機實測功率+整機單缸功率。
4.如權(quán)利要求3所述的單缸機模擬整機的試驗方法，其特征在于，所述S8后還包括有步驟S9: 將所述實體單缸機上實測的單缸機煙度實測值作為待模擬的整機的整機煙度值。
5.如權(quán)利要求4所述的單缸機模擬整機的試驗方法，其特征在于，所述S9后還包括有步驟SlO: 將S5中的所述實體單缸機的燃燒放熱率曲線代入所述整機仿真模型，計算得出待模擬的整機的整機排溫值。
6.一種單缸機模擬整機的試驗裝置，其特征在于，其用于實現(xiàn)如權(quán)利要求1?5中任一項所述的單缸機模擬整機的試驗方法，所述單缸機模擬整機的試驗裝置包括有:一單缸機機體、一進氣管路、一進氣箱、一排氣管和一模擬增壓系統(tǒng)； 所述單缸機機體的進氣口和排氣口分別與所述進氣箱和所述排氣管連通； 所述進氣管路與所述進氣箱連通； 所述進氣管路和所述排氣管均與所述模擬增壓系統(tǒng)連通，所述模擬增壓系統(tǒng)用于模擬整機氣缸的進排氣邊界； 所述進氣箱的容積不小于待模擬的整機的進氣箱的平均容積。
7.如權(quán)利要求6所述的單缸機模擬整機的試驗裝置，其特征在于，所述進氣箱內(nèi)設(shè)置有用于測量進氣壓力的進氣壓力傳感器和用于測量進氣溫度的熱敏傳感器。
8.如權(quán)利要求7所述的單缸機模擬整機的試驗裝置，其特征在于，所述排氣管包括有一排氣總管和一排氣支管，所述排氣總管與所述模擬增壓系統(tǒng)連通，所述排氣支管一端與所述排氣總管連通，另一端與所述排氣口連通； 所述排氣支管與所述排氣口連通的一端的內(nèi)側(cè)設(shè)置有一用于測量排氣壓力的排氣壓力傳感器。
9.如權(quán)利要求5?8中任一項所述的單缸機模擬整機的試驗裝置，其特征在于，所述單缸機模擬整機的試驗裝置還包括有一氣缸蓋，所述氣缸蓋蓋設(shè)于所述單缸機機體的進氣口和排氣口上。
【文檔編號】G01M15/05GK104344959SQ201410494824
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月24日
【發(fā)明者】王新權(quán), 諶祖迪, 仲杰, 閆萍, 張文正 申請人:中國船舶重工集團公司第七一一研究所