，

(1 浙江省海洋開發(fā)研究院，浙江 舟山 316021；2 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

對于柴油機(jī)仿真，目前大多數(shù)研究人員是根據(jù)不同的仿真目的，采用不同的仿真工具和仿真方法，針對某一具體機(jī)型，進(jìn)行建模仿真[1-3]。而當(dāng)仿真目的改變時(shí)，研究人員就不得不重新進(jìn)行仿真建模[4-6]。為實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的快速建模，本文以功能為主要劃分原則，對柴油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行劃分，對劃分后形成的柴油機(jī)子系統(tǒng)建立對應(yīng)的子模型，根據(jù)模塊化思想的要求劃分子模型參數(shù)類型，規(guī)定子模型參數(shù)排列順序，制定模塊命名規(guī)則，形成具有相同模塊構(gòu)建規(guī)則的子模塊。然后利用Matlab/Simulink提供的模塊庫技術(shù)，將子模塊納入模塊庫，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同的仿真目的，調(diào)用不同的子模塊，組成不同機(jī)型進(jìn)行仿真。并且隨著仿真目的的多樣化，研究人員還可以將更多的子模塊加入到模塊庫中，也能對現(xiàn)有子模塊進(jìn)行修改，進(jìn)而完善模塊庫。

1 柴油機(jī)系統(tǒng)模塊化建模

1.1 柴油機(jī)系統(tǒng)子模塊劃分及關(guān)系分析

根據(jù)柴油機(jī)系統(tǒng)的典型功能部件，將其劃分為壓氣機(jī)子系統(tǒng)、中冷器子系統(tǒng)、進(jìn)氣管子系統(tǒng)、柴油機(jī)氣缸子系統(tǒng)、排氣管子系統(tǒng)、渦輪子系統(tǒng)、增壓器轉(zhuǎn)子子系統(tǒng)、調(diào)速器子系統(tǒng)、噴油泵子系統(tǒng)，劃分后形成的子系統(tǒng)最終形成對應(yīng)的子模塊。柴油機(jī)各子模塊之間的主要相互聯(lián)系見圖1。

圖1 子模塊聯(lián)系

圖中T為溫度 ,p為壓力，q為質(zhì)量流量 ，n為轉(zhuǎn)速,M為轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)為噴油泵齒條位置，下腳標(biāo)含義見下文。箭頭方向表示子模塊間主要的輸入、輸出關(guān)系，在用子模塊構(gòu)建柴油機(jī)模型時(shí)要遵循這些基本關(guān)系。由于質(zhì)量流量貫穿大部分子模塊，并且柴油機(jī)的正常工作取決于空氣質(zhì)量流量和燃油質(zhì)量流量的合理配比，因此其是非常重要的輸入輸出關(guān)系。進(jìn)氣質(zhì)量流量由氣缸子模塊決定，其加上燃油質(zhì)量流量等于排氣質(zhì)量流量即渦輪質(zhì)量流量。

1.2 柴油機(jī)系統(tǒng)模塊化建模有關(guān)規(guī)定

原則性規(guī)定要滿足模塊化思想的要求，保證前后形式統(tǒng)一，邏輯關(guān)系明晰，減少不必要的重復(fù)勞動。

1.2.1 模塊命名規(guī)則

模塊均采用英文單詞命名，首字母大寫，單詞間用下劃線“_”連接，同一子系統(tǒng)的子模塊在英文單詞后用數(shù)字1、2、3等區(qū)分。

1.2.2 參數(shù)定義規(guī)則

1) 如沒有相關(guān)說明，參數(shù)均采用國際單位。

2) 為使大量參數(shù)之間關(guān)系明晰，對參數(shù)進(jìn)行如下分類。

(1)傳遞參數(shù)，模塊的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)。作為模塊間的聯(lián)系參數(shù)，為減少在用Simulink進(jìn)行建模時(shí)，模塊間連線的交叉，規(guī)定主要傳遞參數(shù)的優(yōu)先級：溫度T/K、壓力p/Pa、質(zhì)量流量q/(kg·s-1)，轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)、轉(zhuǎn)矩M/(N·m)。同級別的傳遞參數(shù)以下腳標(biāo)數(shù)字1，…，7的順序進(jìn)行排列。其它的傳遞參數(shù)均應(yīng)排列其后。

(2) 結(jié)構(gòu)參數(shù)，這類參數(shù)如進(jìn)排氣管容積，柴油機(jī)總排量，沖程數(shù)，缸徑等。

(3)初始狀態(tài)參數(shù)，這類參數(shù)并不一定都為零，要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行賦值。

(4)試驗(yàn)特性參數(shù)，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型是以大量穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，因此這類參數(shù)是進(jìn)行公式擬合，插值必不可少的參數(shù)。

(5)除傳遞參數(shù)外，其余類型的參數(shù)都要進(jìn)行封裝。

3) 傳遞參數(shù)下腳標(biāo)出現(xiàn)數(shù)字1，…，7，表示氣體流動所處位置，具體參看圖1。同理下腳標(biāo)c表示壓氣機(jī)；t表示渦輪；tc表示增壓器；s表示曲軸；f表示燃油；L表示負(fù)載。其它類型的參數(shù)下腳標(biāo)出現(xiàn)i表示進(jìn)氣側(cè)，e表示排氣側(cè)。

2 柴油機(jī)系統(tǒng)模塊庫構(gòu)建與管理

2.1 柴油機(jī)系統(tǒng)模塊庫構(gòu)建

根據(jù)對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合Matlab/Simulink仿真工具，得到各子系統(tǒng)的子模塊，見圖2。

圖2 子模塊方框

為有效管理，方便調(diào)用這些功能不同的子模塊，需要利用Malab/Simulink提供的模塊庫技術(shù)建立柴油機(jī)系統(tǒng)模塊庫。

2.2 柴油機(jī)系統(tǒng)模塊庫管理

為更方便快捷地調(diào)用庫模塊，并明晰簡潔地反映柴油機(jī)系統(tǒng)模塊庫內(nèi)部層次關(guān)系，符合Matlab/Simulink的使用習(xí)慣，把柴油機(jī)系統(tǒng)模塊庫導(dǎo)入Matlab/Simulink庫瀏覽器。

當(dāng)需要增加新的庫模塊時(shí)，首先要保證要添加的模塊要遵循前面的規(guī)定，與現(xiàn)有庫模塊保持統(tǒng)一，然后向相應(yīng)的子模塊庫添加相應(yīng)的子模塊。

3 典型船舶柴油機(jī)系統(tǒng)仿真

3.1 12PA6V柴油機(jī)仿真

3.1.1 仿真模型建立

從模塊庫調(diào)用模塊，構(gòu)成兩種仿真模型。仿真模型1(見圖3)用來對穩(wěn)態(tài)工況和突變載荷，突變噴油量的動態(tài)工況進(jìn)行仿真。仿真模型2(見圖4)是在仿真模塊1的基礎(chǔ)上，加上調(diào)速器和噴油泵子模塊，對保持柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不變，突變載荷的調(diào)速工況進(jìn)行仿真。

圖3 仿真模型1

圖4 仿真模型2

3.1.2 仿真結(jié)果及分析

為檢驗(yàn)仿真模型1動態(tài)特性的準(zhǔn)確性，首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況的仿真。根據(jù)文獻(xiàn)[7]給出的實(shí)測數(shù)據(jù)，給出對應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)，并計(jì)算誤差(誤差等于仿真值與實(shí)測值之差，然后除以實(shí)測值)，結(jié)果見表1。

表1 12PA6V柴油機(jī)仿真參數(shù)對照表

從表1中可以看出，仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果接近，各工況點(diǎn)的誤差的絕對值均小于4%，說明仿真模型1能滿足仿真精度的要求。

應(yīng)用仿真模型1，在仿真100 s內(nèi)，在第20 s時(shí)，負(fù)載由34 193 N·m突卸到28 212 N·m，持續(xù)30 s，在第50 s時(shí)負(fù)載由28 212 N·m突卸到21 532 N·m，持續(xù)30 s，在第80 s時(shí)負(fù)載由21 532 N·m突卸到13 569 N·m；同時(shí)，在20 s時(shí)噴油量由0.205 kg/s突卸到0.156 kg/s，持續(xù)30 s；在50 s時(shí)噴油量由0.156 kg/s突卸到0.106 kg/s，持續(xù)30 s；在80 s時(shí)噴油量由0.106 kg/s突卸到0.053 kg/s，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、中冷進(jìn)氣溫度、氣缸排氣平均溫度隨時(shí)間的變化見圖5。

圖5 變化曲線

由100%負(fù)荷逐步過渡到75%，50%，25%，在20、50、80工況突變時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、中冷進(jìn)氣溫度、氣缸排氣平均溫度，都應(yīng)會出現(xiàn)下降趨勢。從圖5a)、b)、c)可見，由4個(gè)工況間逐步過渡時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、中冷進(jìn)氣溫度、氣缸排氣平均溫度的變化趨勢符合預(yù)期，并且直線段的數(shù)值與穩(wěn)態(tài)的數(shù)值相吻合。其中柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、中冷進(jìn)氣溫度在工況過渡時(shí)，是平滑過渡。氣缸排氣平均溫度在20 s時(shí)是平滑過渡，在50 s、80 s時(shí)出現(xiàn)了突變，并且80 s時(shí)突變更明顯。這是因?yàn)闅飧着艢馄骄鶞囟扔煽杖急群筒裼蜋C(jī)轉(zhuǎn)速決定，在低轉(zhuǎn)速工況過渡時(shí)，空燃比變化劇烈，因此氣缸排氣平均溫度會出現(xiàn)突變。從圖5的a)、b)、c)可見，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、中冷進(jìn)氣溫度、氣缸排氣平均溫度的穩(wěn)態(tài)數(shù)值及變化趨勢符合實(shí)際，從而說明仿真模型1動態(tài)特性是準(zhǔn)確的。

應(yīng)用仿真模型2，在仿真100 s內(nèi)，第30 s時(shí)負(fù)載由30 000 N·m突加到32 000 N·m，調(diào)速器調(diào)速保持柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化情況見圖5d)。

在30 s時(shí)突加負(fù)荷的調(diào)速工況下，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)出現(xiàn)由下至上的收斂性波動，最終變成一個(gè)恒定值，從而調(diào)速過程完成。從圖5d)可見，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化趨勢符合調(diào)速過程的特點(diǎn)，并且調(diào)速過程不超過10 s，符合調(diào)速過程的要求。

3.2 TBD620V16柴油機(jī)仿真

3.2.1 仿真模型建立

采用12PA6V所建仿真模型1，修改相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行仿真。

3.2.2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)《TBD620系列柴油機(jī)銷售技術(shù)手冊》給出的實(shí)測數(shù)據(jù)，給出對應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)，見表2。

表2 TBD620V16柴油機(jī)仿真參數(shù)對照

從表2可見，仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果接近，各工況點(diǎn)的誤差的絕對值均小于2%，說明模型1能滿足仿真精度的要求，并且具有通用性，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)形式相似的機(jī)型進(jìn)行仿真。

3.3 MAN B&W6S35MC柴油機(jī)仿真

3.3.1 仿真模型建立

本模型在12PA6V所建仿真模型1的基礎(chǔ)上，更換了中冷器子模塊和氣缸子模塊，見圖6。

3.3.2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)文獻(xiàn)[8]給出的實(shí)測數(shù)據(jù)，給出對應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)，見表3。

圖6 仿真模型

參數(shù)項(xiàng)負(fù)荷/%25實(shí)測仿真誤差/%50實(shí)測仿真誤差/%75實(shí)測仿真誤差/%100實(shí)測仿真誤差/%功率/kW1 1291 1582.62 2312 2792.23 3323 311-0.64 4354 4861.1柴油機(jī)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)1151182.61391422.1159158-0.61731751.2輸出轉(zhuǎn)矩/(N·m)93 76793 7670.0153 299153 2990.0200 153200 1530.0244 850244 8500.0掃氣溫度/K306304-0.7307306-0.3309305-1.3314311-1.0氣缸排氣平均溫度/K564559-0.95735760.55976010.7646641-0.8

從表3中可以看出，仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果接近，各工況點(diǎn)誤差的絕對值均小于3%，說明模型能滿足仿真精度的要求。本機(jī)型的仿真模型是在已有的仿真模型的基礎(chǔ)上通過更換若干構(gòu)件子模塊得到的，由此可見模塊化建模可以提高建模效率，快捷地進(jìn)行建模仿真。

[1] 丁鐘江,王永生.相繼增壓柴油機(jī)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)建模及仿真研究[J].中國造船,2004,45:215-220.

[2] 隋 琳,張維競.CODAD推進(jìn)系統(tǒng)尊穩(wěn)態(tài)建模方法及運(yùn)行性能分析[J].船舶工程,2004,26(1):34-36.

[3] 孫建波,郭 晨.大型低速二沖程柴油機(jī)動力裝置的尊穩(wěn)態(tài)仿真[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2006,24(4):351-356.

[4] 孫建波,郭 晨,張 旭,等.大型船舶動力裝置的建模與仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007,19(3):465-469.

[5] 王海燕,張均東,任 光.大型船用柴油機(jī)建模與動態(tài)仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007,18(9):2638-2675.

[6] 張維競．船舶動力裝置系統(tǒng)仿真[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社，2006.

[7] 陳華清，敖晨和.艦船推進(jìn)系統(tǒng)仿真中的柴油機(jī)數(shù)字模型[J].船舶工程，2000(5):33-37.

[8] 姚黎明.船舶柴-燃聯(lián)合主動力推進(jìn)裝置及其控制系統(tǒng)的建模與仿真研究[D].大連:大連海事大學(xué),2008.