基于AMESim的液压挖掘机用柴油机特性仿真.pdf

2 0 1 2年 6月 第 4 0卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS J u n ． 2 0 1 2 Vo 1 ． 4 0 No ．1 1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 1 ． 0 3 9 基于 A M E S i m的液压挖掘机用柴油机特性仿真 黄亮，于兰英 ，昊文海，邓斌 ，柯 坚 西南交通大学机械工程学院，四川成都 6 1 0 0 3 1 摘要 针对某型号液压挖掘机的柴油机，利用 A ME S i m软件的 I F P元件库建立了该柴油机的仿真模型，对柴油机的工 作过程进行仿真研究 ，最终获得该发动机的一些重要特性参数。计算表明仿真结果与厂家实验数据比较吻合，模型的精 度高 ，可应用于挖掘机动力匹配等方面的研究。 关键词 液压挖掘机；柴油机；建模与仿真 中图分类号T K 4 2 文献标识码 A 文章编号1 0 0 l 一3 8 8 1 2 0 1 2 1 1 1 3 2 3 S i mula t i o n o f Hy dr a u l i c Ex c a v a t o r Di e s e l En g i n e ’ S Pe r f o r ma n c e Ba s e d o n AM ES i m HUANG L i a n g，YU L a n y i n g ，WU We n h a i ，D ENG B i n，KE J i a n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t a d i e s e l e n g i n e o f o n e t y p e o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r ， i t s d e t a i l s i mu l a t i o n mo d e l w a s b u i l t u p wi t h t h e I F P e n g i n e l i b r a r y o f AMES i m a n d t h e n t h e w o r k p r o c e s s o f t h e e n g i n e w a s s i mu l a t e d ． S o me i mp o r t a n t p e r f o r ma n c e d a t a o f t h i s e n g i n e w e r e g o t t e n ． T h e c a l c u l a t i o n s h o w t h a t s i mu l a t i o n r e s u l t s a r e t all i e d wi t h t h e t e s t d a t a we l l ，an d t h e s i mu l a t i o n mo d e l h a s h i g h p r e c i s i o n ， wh i c h c a n b e u s e d i n s t u d y i n g p o w e r ma t c h i n g o f t h e h y d r a u l i c e x c a v a t o r ． K e y w o r d s H y dra u l i c e x c a v a t o r ；D i e s e l e n gi n e ； Mo d e l i n g and s i m u l a t i o n 柴油机是液压挖掘机的动力核心，其性能关系到 液压挖掘机应对各种工况的能力 ；同时，液压挖掘机 复杂 的工况直接影 响柴油机 的转速及扭矩输 出。以往 针对挖掘机用柴油机的仿真研究主要集中在利用微分 方程来建立柴油机的数学模型，然后通过传递函数来 实现，不仅参数调节繁琐，而且数据处理困难。 A ME S i m是一款图形化建模仿真软件，提供多种 专业的元件库，所有模型采用模块化处理，调用调试 方便 ，精度高。利用 I F P E n g i n e 元件库可以建立准确 的发动机模型 ，通过设置系统参数便可以进行仿真， 结果以数据或图表形式呈现，给仿真分析带来极大的 便利 。 1 柴油机结构及数学模型 1 ． 1 柴油机的结构 所选 型 号 液 压 挖 掘机 的柴 油 机 主要 由 涡轮增压 机 、中冷器 、 气缸、供油 系统、进 气 总 管、排 气 总 管， 废气 回流系统等子系 统组 成，其结构 图如 图 1所示 。 图 1 某型号液压挖掘 机柴油机结 构图 1 ． 2 数学模型 1 ． 2 ． 1 气缸模型 气缸是柴油机实现能量转换 的场所 ，缸 内气体一 般认为是空气、雾化燃油、废气的混合气体。气缸的 数学模型用于建立燃烧模型、缸壁热交换模型与缸内 压力之间的关系，该子模型是整个系统的核心 ，其表 达式为 p 軎 誓 鲁 r T c 卫 2 pr r Ex r f 3 式中 P为缸 内压力 ，T为缸 内温度 ， id T为温度微 分 n 方 程 ， r 为 燃 油 含 量 ， 考 为 燃 油 含 量 微 分 方 程 ， P 为 混合气体密度， 为密度微分方程。 1 ． 2 ． 2 平均有效压力及扭矩功率模块模型 平均有效压力子模型可用于计算气缸作用在曲轴 上的有效压力 ，与功率、扭矩模块相结合 ，可以获得 柴油机输出的真实扭矩和真实功率，其计算公式为 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 3 0 作者简介黄亮 1 9 8 6 一 ，男，硕士研究生 ，主要从事液压系统及混合动力方面的研究。Em a rl h l 一 6 4 6 4 1 6 3 ． c o n。 第 1 1期 黄亮 等基于 A ME S i m的液压挖掘机用柴油机特性仿真 1 3 3 Ⅳ p。 ． 5 7等 式中N o 为功率 ；P 为平均有效压力 ； r n为转速 ；V为发动机排量 。 、 2建模 ， 根据该柴油机结构，在 A M E S i m的图形化建模环 境中，调用对应模型组建系统 ，最终模型如图 2所 为扭 矩 ； 示 。 图2 某型号液压挖掘机用柴 3 参数设置 系统功率、扭矩模块依据公式 4 、 5 进行 设定 ；燃烧模型、喷油泵模型、涡轮增压机数据调用 A M E S i m自带数据文件，其他关键参数如表 1 所示。 。 表 1 某型号液压挖掘机柴油机主要参数 一。 发动机类型 点火顺序 缸径 冲程 压缩 比 进气阻力 进气管直径 排气管直径 供油提前角 中冷器容积 直列 6缸4冲程 15 3624 q , l o 7 m m1 2 4 m m 1 7． 2l 2 ． 4 4 9 k P a 1 o 0 mm 75 mm 2 5 。 1 ． 4 L 4 仿真结果分析 4 ． 1 额 定 工况仿 真 仿真基本参数 如下 环境温 度 2 5℃ ，环境压 强 0 ． 1 MP a ，进气 阀开度 1 0 0 ％，废 气 回流 阀开度 5 ％ ，转速 2 0 0 0 r ／ m i n ，采样间隔 0 ． 0 0 0 1 S ，仿真 时间 1 0 S 。该工况下进气歧管流 向各缸的气体流速 变化曲线如 图 3 ，气缸 中温度、压力变化曲线如 图 4 、5所示 。 ， 』 l ＼ l ＼ ／6 缸 36． 0 O 3 6． 2O 36． 4 O 36． 6 0 曲轴 转角， 1 0 ℃A 图 3 2 0 0 0 r ／ mi n时进 气歧管气体流速 出 麦 图 4 2 0 0 0 r ／ m i n时缸 1 中的温度变化 图 5 2 0 0 0 r ／ mi n时缸 1 中 的压力变化 可以看出各缸进气的顺序与设定的点火顺序一 致 ，气缸中压力 与温度 的变化情况符合公式 1 一 3 所述 。 4 ． 2扭矩及功率特性 其他参数与额定工况下一致 ，对发动机转速进行 1 3 4 机床与液压 第 4 0卷 批处理。不考虑负载的情况下发动机输出的扭矩、功 率仿真结果与厂家提供的实验数据对比如图6和7所 示，表2为厂家提供的实验数据。 盲 ● 邑 囊 眉 图6 转速 一扭矩曲线 仿真与实验对比 1 O 0 9 0 8o 喜7 0 槲6 0 5 O 4 0 3 0 0 ． 8 1 ． 2 1 ． 6 2 ． 0 转速， 1 o r rai n 。 图7 转速 一 功率曲线 仿真与实验对比 表 2 发动机厂家的扭矩 、功率 实验数据 通过对比可以得出 1 仿真结果与厂家实验 数据基本一致，该模型具有可信性； 2 由于仿真 部分参数使用系统默认参数，仿真结果与实验数据存 在合理误差 。 4 ． 3废 气回 流 阀开度 对 系统的 影响 将转速分别设置为 1 0 0 0 、1 4 0 0 、2 0 0 0 ，每个转 速下废气回流阀开度均设置5 ％、1 5 ％、3 0 ％，其他参 数 与额定工况下一致。获 得不 同转速下废气 回流 阀开 度对气缸压力的，影 响分别如 图 8 1 0所示。各转速下 不同废气回流阀开度所对应的峰值压力如表3 所示。 21． 9 0 21 ． 94 21 ． 9 8 22． 0 2 曲轴 转角， x 1 0 。 ℃A 图 8 8 0 0 r ／ mi n时各开度 下气缸压力对 比 21 ． 90 2l_ 94 21． 98 22． 02 曲轴转角， 1 0 ℃A 图9 1 4 0 0 r ／ m i n时各开 度下气缸压力对比 星 ．R 出 图1 0 2 0 0 0 r ／ m i n时各开度下汽缸压力对比 表 3 各 转速下不同开度所对应的峰值压力 对 比可知 1 在 同一 转速下 废气 回流 阀开 度 增大 ，气缸中的压力会有所下降 ； 2 在低 转速 下 ，废气回流阀开度对柴油机 的影响 比高转速下更 明显 。 5 结束语 1 利用 A M E S i m可以方便地建立柴油机的仿 真模型 ，为建模研究提供了极大的便利。 2 仿真结果具有较高的准确度 ，能够客观反 映柴油机 的工作规律 。 3 不同的转速下，应合理调节废气回流阀开 度以维持柴油机的性能。 参考文献 【 1 】 韩同群． 汽车发动机原理[ M] ． 北京 北京大学出版社 ， 2 00 7． 【 2 】 付永领 ， 祁晓野． A M E S i m系统建模与仿真 [ M] ． 北京 北 京航 空航 天大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 3 】李永堂， 雷步芳． 液压系统建模与仿真 [ M] ． 北京 冶金 工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 4 】刘永长． 内燃机热力过程模拟[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 1 ． 【 5 】E n g i n e P e r f o r m a n c e D a t a F R 9 1 6 3 6 [ R ] ． 2 0 0 6 ． 【 6 】陈金涛， 赵同宾 ， 冯明志， 等． 基于 A M E S i m的柴油发电 机组建模与仿真[ J ] ． 柴油机， 2 0 0 8 ， 3 0 1 5 9 ． 【 7 】 王兴元， 李丽． 进口挖掘机电喷柴油机结构原理与维修 [ M] ． 沈阳 辽宁科学技术出版社 ， 2 0 1 0 ． 一