船用低速電控柴油機實時仿真模型開發研究

王勤鵬，李 靜，楊建國，余永華

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063；2.武漢理工大學 船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，武漢 430063；3.武漢理工大學 船舶與海洋工程動力系統國家工程實驗室，武漢 430063)

0 概述

硬件在環仿真測試是柴油機電控系統產品化開發過程中的重要的環節，是開展電控系統測試的關鍵步驟[1-2]。由于船用低速機體積大、功率高等特點，利用船用低速機臺架進行電控系統開發的試驗成本相對于中、小型柴油機要昂貴很多，并且長時間的臺架試驗會帶來嚴重的資源浪費，所以利用硬件在環仿真平臺開展船用低速機電控系統的功能測試與控制參數的預標定工作有重要的意義。運行在硬件在環仿真平臺中的低速機實時仿真模型是低速機電控系統測試和預標定試驗成功與否的關鍵，實時仿真模型的功能、精度及實時性對電控系統測試的完整性和準確度有著決定性的影響[3-5]。

船用低速電控柴油機仿真研究工作主要集中在建立多維或準維整機模型開展低速電控柴油機的性能預測與參數優化[6-12]。用于電控系統功能測試和參數標定用的低速機實時仿真建模的研究，多采用平均值模型簡化的方式計算得到低速機多個循環后性能的平均值，或使用零維模型來計算柴油機缸壓變化情況，使用平均值模型來預測柴油機整體性能參數[13-17]。這些研究工作主要關注船用低速機整機的工作過程仿真，建立的仿真模型計算出低速機的轉速、轉矩、排溫、油耗及缸壓等性能參數提供給控制系統，仿真模型并未包含電控系統的受控對象，如燃油噴射系統、排氣系統及輔助風機系統等，所以在進行硬件在環仿真測試時不能開展對應控制功能的測試和標定。另外，由于仿真模型中簡化了低速機缸內工作過程，且仿真模型中有關燃燒過程計算基于商業軟件提供的四沖程柴油機燃燒模型進行，導致低速機實時仿真模型中燃燒放熱率的模擬不能隨燃油噴射和排氣門控制參數的不同而實現精確變化。

本文中以船用低速電控柴油機為對象，建立了低速柴油機缸內工作過程、進排氣過程、渦輪增壓器、中冷器等各個子模型，并將各子模型進行集成完成了船用低速機整機實時仿真模型的開發；基于低速機電控系統的功能需求，在實時仿真模型中分別建立了燃油噴射、排氣門、輔助風機等仿真模型，為電控系統提供了完整的受控對象；基于雙線性插值的方法，利用實測的缸壓數據預測各工況下的放熱率，以實現低速機實時仿真模型計算結果可隨著噴射控制參數變化而精確變化，使實時仿真模型更加接近于真實的低速電控柴油機，為低速機電控系統控制參數基于模型的預標定提供了仿真試驗條件。

1 低速機實時仿真模型總體結構

本文中開發的低速機實時仿真模型以6EX340EF船用低速機為對象，其主要參數如表1所示。

表1 低速機主要參數

根據對低速柴油機電控系統控制功能分析，低速機實時仿真模型要代替真實柴油機作為低速柴油機電控系統的受控對象，除了能夠模擬低速機起動、停車和調速等基本工作過程外，還要響應電控系統發出的控制信號，并將產生響應之后的相關信號反饋給電控系統。因此在本文中開發的低速機實時仿真模型中分別建立了燃燒子模型、燃油噴射子模型、排氣門升程子模型、起動停車子模型、輔助風機子模型等單獨的子模型來完成與電控系統的交互與響應。低速機實時仿真模型與控制系統的信號交互如圖1所示。

圖1 實時仿真模型與控制系統信號交互

本文中開發的低速機實時仿真模型總體結構如圖2所示。起動子模型中預先設定了起動轉矩，結合電控系統起動命令和仿真模型的曲軸轉角變化，模擬低速機的起動過程；輔助風機子模型根據電控 系統發出的開啟命令自動激活，提高進入仿真模型的進氣量，以模擬由于廢氣量不足，電控系統啟動輔助風機加大進氣壓力的情況；渦輪增壓器子模型采用全工況脈譜圖的方式模擬各工況下低速機所需的進氣量；掃氣口流量子模型模擬新鮮空氣通過掃氣箱進入氣缸的情況；燃油噴射子模型包含了簡化的燃油泵、燃油軌和噴油器，通過接收電控系統的噴射控制信號，計算得到各缸的噴油量和噴油率；燃燒子模型采用基于雙線性插值的方法，利用實測的缸壓數據預測各工況下的放熱率；排氣門子模型根據電控系統發出的排氣門啟、閉信號，仿真計算出不同的排氣門升程曲線作為反饋信號提供給電控系統；曲軸上止點子模型模擬出電控系統所需的曲軸轉角信號和上止點信號發送給電控系統，并使得仿真計算得到的低速機性能參數以基于曲軸轉角的方式顯示和傳輸；循環波動子模型用來模擬低速機各氣缸之間及循環間的工作波動。

圖2 低速柴油機實時仿真模型

2 低速機實時仿真模型關鍵子模塊開發

2.1 燃燒子模型

為了使實時仿真模型可實現低速機過渡工況的模擬，并使實時仿真模型可隨噴射控制參數不同而改變缸內燃燒情況，在滿足硬件在環測試實時性要求的約束下，本文中的燃燒子模型采用雙線性插值方法對試驗得到各工況燃燒放熱率進行插值，使燃燒子模型仿真計算得到的放熱率曲線可隨噴射控制參數改變而變化[18-19]。應用在燃燒子模型中的燃燒放熱率曲線涵蓋了低速機25%、50%、75%和100%負荷4個工況點的試驗數據，由于篇幅限制，圖3中僅展示了低速機各負荷下不同噴油軌壓的放熱率曲線。由圖3可見，在低速機25%負荷下當軌壓從58 MPa升高到60 MPa時，燃燒前期放熱比例明顯增大，燃燒持續期縮短，表現為燃燒放熱率峰值明顯增大。

圖3 燃燒放熱率曲線

圖4 燃燒放熱率對比

仿真計算得到的燃燒放熱率曲線與試驗結果趨勢一致，最大誤差在4%以內。產生誤差的原因是由于應用于雙線性插值的基礎燃燒放熱率曲線數據較少，可通過增加各工況下不同控制參數的燃燒放熱率曲線數量來降低誤差。

2.2 排氣門升程模擬

由于在實時仿真模型中排氣門流量的計算依賴于排氣門有效流通面積，為了更好地對排氣門啟閉過程進行模擬，本文中在保持排氣門有效流通面積不變的情況下，將排氣門升程曲線擬合成如圖5所示的類梯形升程曲線。

圖5 排氣門升程擬合效果

本文中將擬合的類梯形升程曲線簡化為5個部分,如圖6所示，包括:開啟機械延時階段、液壓開啟階段、完全打開階段、關閉機械延時階段和空氣彈簧關閉階段。當電控系統發出排氣門開啟信號P時，排氣門經過一定的機械延時后才開始動作，在P1點開始打開排氣門，直到排氣門升程曲線到達A點時認為排氣門已正常開啟。利用液壓油驅動的排氣門開啟階段與伺服油軌壓有關，軌壓越大開啟時間越短。排氣門完全打開時，其排氣門升程曲線的高度是一定的，因此只要液壓開啟階段的斜率確定，排氣門完全開啟的時刻就是一定的。排氣門一直保持完全開啟的狀態直到收到電控系統發出的排氣門關閉信號Q，經過一定的機械延時在Q1點排氣門才開始進行關閉動作，在空氣彈簧的作用下排氣門升程曲線的高度逐漸降低，直到B點時認為排氣門已正常關閉。

圖6 排氣門升程模擬過程

在低速機實時仿真模型能使排氣門升程隨著控制參數變化而變化，但是卻無法實時輸出排氣門升程曲線，為控制器提供反饋信號。本文中進一步通過MATLAB/Simulink軟件將排氣門升程信號進行仿真計算，使得低速機實時仿真模型可直接輸出排氣門升程信號提供給電控系統，并使仿真排氣門升程信號可隨排氣門開啟、關閉控制信號及不同伺服液壓油壓力的變化而改變。不同排氣門開啟、關閉信號下的排氣門升程曲線及不同液壓油壓力下的排氣門升程曲線如圖7和圖8所示，可以看出當排氣門開啟、關閉命令改變及液壓油壓力變化時，仿真計算的排氣門升程也會隨之變化。

圖7 不同排氣門開啟關閉信號的升程信號

圖8 不同液壓油壓力的升程信號

2.3 燃油噴射模擬

燃油噴射子模型主要由簡化的燃油泵、燃油軌及噴油器構成，能夠根據不同的噴射正時、噴射脈寬和噴射壓力等控制參數，仿真計算出不同的噴油率曲線和噴油量。在其他條件不變的情況下，不同軌壓、噴射脈寬及噴射正時下的噴油率曲線如圖9～圖11所示。從圖中可以看出燃油噴射子模型可以表征基本的噴油規律，可作為電控系統的受控對象。

圖9 不同軌壓下的噴油率

圖10 不同噴油脈寬下的噴油率

圖11 不同噴油正時的噴油率

燃油噴射子模型不僅考慮了燃油噴射正時、噴射脈寬和軌壓對噴油率的影響，并且考慮了噴油動作的延時，模擬了從噴油控制信號發出到噴油器針閥動作之間的延時情況。圖12為50%負荷工況時的噴油率和噴射信號，從圖12中可以看出仿真計算得到的噴油率曲線與控制命令之間有明顯的延時。

圖12 噴油信號延時

2.4 起動、停車及輔助風機模擬

低速機起動過程是通過打開空氣起動閥向氣缸中充入一定壓力的壓縮空氣使活塞獲得一定的初速度實現的。由于實時仿真模型中無法模擬起動空氣充入氣缸使得活塞運動的這個過程，所以忽略了高壓空氣充入的過程。在實時仿真模型中直接將一個設定的起動轉矩進行加載以模擬低速機的起動過程。在接到電控系統發出的起動命令后，4 s內通過設定的轉矩帶動低速機獲得一定轉速，然后在起動過程中開始增加燃油噴油量，直到達到穩定起動轉速。

當實時仿真模型接收到電控系統發出的停車信號時，模型通過逐漸減少噴油量直至零來實現停車。為了實現正常停車及緊急停車，在實時仿真模型中可以通過調整停車時停油的快慢來區分正常停車與緊急停車。

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低速機在起動過程和25%負荷以下工況時，由于廢氣量不足，渦輪增壓器無法提供低速機工作所需要的足夠的空氣量，因此需要電控系統控制輔助風機運行實現對進氣量的補充。實時仿真模型獲取電控系統發出的輔助風機控制信號，同時向中冷器中充入一定量的新鮮空氣，來模擬輔助風機向低速機進行補氣的過程。

2.5 循環波動子模型

低速機每個循環的工作情況都不是一致的，這種循環波動對于低速機來說是不可避免的。考慮到循環波動對于噴油過程及進氣過程的影響，也為了能夠模擬低速機各個缸之間及循環與循環之間的這種波動，對噴油量和進氣壓力的波動進行了模擬。柴油機的各項燃燒狀態參數均服從高斯分布，通過Marsaglia-Bray算法產生隨機新數列可得到一對相互獨立的標準正態分布的隨機序列，而且 Marsaglia-Bray算法無需使用三角函數，計算速度是Box-Muller方法等的數倍，程序語言更簡單，且需要的儲存空間更少，適用于發動機實時模型的建模[20-21]。

2.5.1 進氣壓力循環波動

對第1缸和第2缸的進氣壓力系數均添加了循環波動，氣缸中的實際進氣壓力為進氣壓力系數與正常進氣壓力的乘積，進氣壓力系數在不添加波動時都為常數1。在第1缸添加了20%的循環波動，在第2缸添加了10%的循環波動后，各缸的缸壓曲線如圖13所示，可以看出第1缸壓縮壓力明顯高于其他氣缸。

圖13 進氣壓力循環波動的缸壓

2.5.2 噴油量循環波動

將噴油量的循環波動直接加到噴油器的流量系數上，通過添加的波動參數可改變噴油器流量系數進而改變噴油量。樣在第1缸和第2缸分別添加20%和10%的循環波動，結果如圖14所示。可看出添加波動的第1缸和第2缸明顯與其他4個缸的缸壓不同，并且第1缸的缸壓峰值明顯高于其他氣缸。

圖14 噴油循環波動的缸壓

3 實時仿真模型集成與精度驗證

實時仿真模型通過信號接口實現與硬件在環平臺的信息交互，接受來自電控系統的控制信號并將模擬的低速機性能參數反饋給電控系統。硬件在環軟硬件配置系統流程如圖15所示。

圖15 硬件在環軟硬件配置系統流程

將開發的低速機實時仿真模型部分使用編譯工具編譯為DLL文件，并下載到NI Veristand平臺。根據需要測試的信號需求配置板卡參數，并根據接線表配置相對應的通道和定義通道的類型，將模型中的信號與板卡的通道相連接，通道連接后進行檢查，檢查無誤后進行軟件在環。在WrokSpace界面上添加信號的相應控件就能監測相應模塊。將單缸控制器接入硬件在環系統中，通過示波器觀測輸入輸出信號。

集成在硬件在環平臺中的低速機實時仿真模型按照低速機推進特性運行，將低速機實時仿真模型計算得到的典型工況點下的性能參數與低速機試車報告的試驗數據進行對比如圖16～圖20所示。可以看出仿真數據與試驗數據誤差在5%以內，壓縮壓力及最高燃燒壓力最大誤差約為3%，排氣溫度的最大誤差為4.7%。仿真模型中針對低速機二沖程掃氣過程采用的是簡化進氣口面積的方式，其流量系數也是理論值，所以壓縮壓力仿真存在誤差；最高燃燒壓力的誤差來源于壓縮壓力的誤差和燃燒子模型的算法誤差；排溫誤差較大是由于缸內傳熱中使用了簡化的傳熱模型，將壁面溫度設為了定值，導致排氣溫度普遍偏高。

圖16 25%工況缸壓對比

圖17 50%工況缸壓對比

圖18 75%工況缸壓對比

圖19 100%工況缸壓對比

圖20 柴油機性能參數仿真值與試驗值對比

低速機實時仿真模型起動過程中轉速變化情況及仿真模型中燃油消耗量的變化如圖21所示。前4 s通過模型中的電機帶動低速機獲得一定轉速，在低速機達到起動轉速之前不噴油，低速機加速過程中噴油量增加，當8 s后低速機運轉平穩了，燃油消耗量也逐漸穩定，故實時仿真模型可完成低速機的起動模擬。

圖21 低速機實時仿真模型起動過程

低速機實時仿真模型可跟隨電控系統發出的設定轉速及燃油控制命令實時計算得到當前的低速機轉速，如圖22所示。

圖22 低速機實時仿真模型轉速變化過程

為了給電控系統模擬一個真實的測試環境，必須在保證仿真模型精度的同時確保其實時性。本文中使用實時因子(即仿真模型在處理器上的計算耗時與仿真設定時間步長之比)作為實時性判別的標準。當實時因子小于1時，表示實時仿真模型計算速度比真實柴油機實際工作更快。將低速機實時仿真模型在硬件在環實時仿真機運行，得到的實時因子變化如圖23所示，實時因子小于1。

圖23 仿真模型運行時的實時因子

4 結論

(1)基于低速機電控系統的功能需求，開發了船用低速電控柴油機實時仿真模型，實時仿真模型計算的低速機性能參數可隨燃油噴射和排氣門控制參數變化而變化。

(2)開發的低速機實時仿真模型計算得到的典型工況下仿真數據與試驗數據最大誤差在5%以內，運行在實時仿真機中的實時因子小于1，即仿真模型計算速度比真實柴油機實際工作更快，可作為受控對象開展低速機電控系統硬件在環測試仿真試驗。