陳銘治，郭慧茹，王海燕，張華武

(上海海事大學商船學院，上海 201306)

0 引言

船用二沖程高壓共軌電控柴油機相對于傳統(tǒng)的柴油機具有明顯優(yōu)勢:取消傳統(tǒng)燃油噴射系統(tǒng)，通過附加共軌產(chǎn)生恒定高壓，以電磁閥實現(xiàn)燃油噴射，實現(xiàn)柴油機定時、按人為設(shè)定的最佳速率噴油，以及定時、在線操縱柴油機排氣閥［1］.因此，船用二沖程高壓共軌電控柴油機有取代傳統(tǒng)柴油機的趨勢，對輪機員的船用二沖程高壓共軌電控柴油機操作培訓就顯得愈加重要.由于具有開發(fā)周期短、投入小、可操練實船中不允許的操作等優(yōu)點，輪機仿真模擬器成為各大院校進行輪機操作的首選.船用二沖程高壓共軌電控柴油機的仿真研究凸顯其重要性.為此，在輪機模擬器的建設(shè)中，要求所開發(fā)的船用二沖程高壓共軌電控柴油機仿真系統(tǒng)，有較高精度且能夠反映實際電控主機的工作參數(shù)，以期達到輪機員訓練標準.

1 電控柴油機控制仿真

圖1 共軌壓力與主機負荷的關(guān)系

高壓共軌噴射系統(tǒng)的燃油軌壓、伺服油共軌壓力、噴油起始角度及排氣閥驅(qū)動單元的排氣閥啟閉時刻的設(shè)定值與主機的轉(zhuǎn)速以及負荷相關(guān).圖1為燃油共軌壓力和伺服油共軌壓力與主機負荷的關(guān)系曲線［2］.根據(jù)曲線，可以建立各設(shè)定值與負荷相關(guān)表格，讀入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，采取一維或二維插值方法完成不同轉(zhuǎn)速及負荷下設(shè)定值的獲取.

1.1 燃油共軌噴射系統(tǒng)

高壓油泵排出燃油到燃油共軌，在燃油共軌中產(chǎn)生較高的壓力，在主機每個工作過程中向氣缸中噴油.燃油共軌壓力的模型方程［3-4］:

式中:p為燃油共軌的壓力，MPa;V為燃油共軌及聯(lián)通部分容積，m3;E為燃油彈性模量;Qin為流入燃油共軌的燃油體積流量;Qout為流出燃油共軌的燃油體積流量.

燃油噴射控制單元由燃油共軌電磁閥控制燃油噴射控制閥動作，從而實現(xiàn)噴油起始及其噴油量控制.燃油共軌電磁閥依靠瞬間(1～2 ms)的高電流(50～60 A)動作，動作后只運動0.2 mm.軌閥開啟后，液壓油進入噴射控制閥，控制閥在液壓油驅(qū)動下動作，控制閥動作方程［5］:

式中:m為閥芯的質(zhì)量;k為彈簧彈性系數(shù);f為摩擦力，始終與運動方向相反;A為控制活塞截面積;pso為液壓伺服油壓力;y為控制閥芯位移;δ為黏性阻尼系數(shù).

燃油泵的凸輪有3個凸緣，凸輪每轉(zhuǎn)1圈，高壓油泵供油3次.因為泵的出口有中間蓄壓器，可以采用平均流量計算.油泵的轉(zhuǎn)速為柴油機轉(zhuǎn)速和齒輪傳動比i的乘積.流量控制方式:根據(jù)流量偏差，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)機構(gòu)的設(shè)定位置輸出.流量調(diào)節(jié)機構(gòu)的設(shè)定位置x:0～1.

式中:ne為柴油機轉(zhuǎn)速;Vp為每個泵的額定排量，即流量調(diào)節(jié)機構(gòu)最大時每個行程的排量.

將噴嘴的針閥看作一個開關(guān)，在燃油壓力大于37.5 MPa時開啟，小于 32 MPa時關(guān)閉［6］.

1.2 液壓伺服系統(tǒng)

伺服油共軌壓力的模型方程:

式中:p為伺服油共軌壓力，MPa;V為伺服油共軌及聯(lián)通部分容積，m3;E為伺服油彈性模量;Qin為流入伺服油共軌體積流量;Qout為流出伺服油共軌體積流量.

伺服油系統(tǒng)油泵額定排量Vp為0.000048 m3.流入伺服油共軌的體積流量的計算公式:

式中:ne為柴油機轉(zhuǎn)速;x為輸出油量百分數(shù).油泵流量采用脈沖寬度調(diào)制.一個脈寬調(diào)制電流信號作為安裝在油泵上的電磁閥輸入，用來設(shè)定油泵的輸出即輸入到伺服油共軌里的油量.

共軌壓力采用比例積分微分(Proportion Integration Differentiation，PID)控制方法，通過設(shè)定壓力與模擬計算的實際壓力值獲取壓力偏差，調(diào)節(jié)油泵輸出以控制油軌壓力與目標值一致［7］.

排氣閥伺服機構(gòu)的動作過程分為:開啟過程、關(guān)閉過程、其他過程.由于空氣彈簧計算復雜，采用數(shù)據(jù)擬合［8］.依據(jù)擬合數(shù)據(jù)計算排氣閥啟閉時所需的伺服油量，用于計算伺服油共軌壓力.由于電控高壓共軌柴油機的排氣閥啟閉與柴油機轉(zhuǎn)速無關(guān)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)擬合排氣閥升程的開啟或關(guān)閉時間.

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

仿真系統(tǒng)選用AT90CAN128單片機構(gòu)成的微控制器，板內(nèi)集成CAN(Controller Area Net)通信控制器，可用CAN總線與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸，達到實時仿真的要求［9］.在仿真計算機中運用容易入門的面向?qū)ο缶幊陶Z言VB 6.0進行編程，實現(xiàn)電控柴油機的控制仿真.

2.1 仿真系統(tǒng)的硬件設(shè)計

仿真系統(tǒng)由模擬集控室、模擬駕駛室、模擬機旁控制箱以及電控柴油機操縱系統(tǒng)模擬圖解屏組成.系統(tǒng)集控室有1臺仿真計算機，駕駛室有1臺工控機，并有4個C型通用控制器，3個D型通用控制器，其中1個C型通用控制器通過I2C(Inter－Integrated Circuit)通信擴展2個油霧濃度遙測指示面板，圖解屏上1個C型通用控制器通過I2C通信擴展2個AO擴展控制器.另有3個車鐘和4塊帶CAN通信的監(jiān)控面板、10塊帶CAN通信的儀表.集控室的仿真計算機通過PCI9810 CAN卡與下位機進行數(shù)據(jù)通信，共有22個CAN節(jié)點.駕駛室的工控機則通過RS485轉(zhuǎn)232與C型通用控制器2進行數(shù)據(jù)通信，且與仿真計算機通過以太網(wǎng)相連，以傳輸數(shù)據(jù).數(shù)字量、模擬量輸入通過CAN總線采集到仿真計算機的仿真程序，在程序中進行各種邏輯以及仿真模型運算，再將結(jié)果通過CAN總線輸出到下位機［10］.電控柴油機仿真系統(tǒng)的硬件設(shè)計見圖2.

圖2 電控柴油機仿真系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.2 仿真系統(tǒng)的上位機軟件設(shè)計

船用高壓共軌電控柴油機控制仿真系統(tǒng)上位機軟件(簡稱上位機軟件)運行于模擬集控室的主機仿真計算機，它是仿真系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)主機遙控、主機安保、電子噴射控制、排氣閥啟閉控制、柴油機模型等仿真功能.［11］軟件含多個人機界面窗口:主機遙控界面、共軌壓力及噴油時刻監(jiān)控界面、主機操縱系統(tǒng)動態(tài)界面等，實現(xiàn)對主機各參數(shù)的仿真計算、顯示，如柴油機示功圖繪制、打印監(jiān)

測，主機共軌壓力、噴油提前角、排氣閥開啟及關(guān)閉、曲柄轉(zhuǎn)角監(jiān)測，主機排氣溫度、指示功率及其油耗率的打印監(jiān)測［12］.上位機軟件采用改進的主機模型，加入燃油噴射時刻及排氣閥啟閉時刻對燃燒模型的影響.因此，控制模型對主機的影響可較精確地反映在主機仿真模型中.上位機軟件總流程見圖3.

仿真系統(tǒng)采用1 ms的步長，以四階龍格庫塔法對電控柴油機控制模型的微分方程進行求解，滿足電磁閥仿真動作快速性的要求，精度較高.［13］

圖3 上位機軟件總流程

電控柴油機的控制模型留有主機遙控系統(tǒng)接口.系統(tǒng)在主機遙控仿真模型運行后，進入控制模型，可以模擬船舶上電控柴油機的起動、停車、換向等遙控操作，之后進行主機模型發(fā)火做功等計算，計算模擬船舶航速、主機轉(zhuǎn)速、增壓器轉(zhuǎn)速等參數(shù).圖4是仿真系統(tǒng)主界面，指示燃油刻度值、主控氣閥狀態(tài)、柴油機運行動畫、主機轉(zhuǎn)速、盤車機狀態(tài)等.

圖4 仿真系統(tǒng)主界面

3 仿真結(jié)果

在集控室手動控制主機時，在120 s內(nèi)將主機由最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速15 r/min逐漸加速到額定轉(zhuǎn)速95 r/min，以時間為橫坐標，作出燃油共軌壓力、伺服油共軌壓力等仿真數(shù)據(jù)的動態(tài)變化曲線.動態(tài)曲線包括燃油共軌壓力、伺服油共軌壓力、燃油泵輸出百分比、主機燃油噴油刻度、主機功率預估量等數(shù)據(jù)曲線.

圖5和6是主機轉(zhuǎn)速n以及主機預估功率與額定功率百分比P/Pe隨時間變化的曲線，可以據(jù)此查詢各仿真時間相對應(yīng)的主機轉(zhuǎn)速及功率.

圖7是燃油共軌壓力以及伺服油共軌壓力隨時間變化的動態(tài)曲線圖.從圖7可見，在主機逐漸加速的過程中，主機的伺服油共軌壓力隨負荷增大而增大，并且有一定的超調(diào)量，而燃油共軌壓力則隨著負荷增大先減小再增大.

圖7 燃油共軌壓力和伺服油共軌壓力隨時間的變化

圖8是燃油共軌壓力執(zhí)行機構(gòu)輸出的百分值以及燃油刻度百分值隨時間的變化曲線.燃油共軌壓力以燃油共軌壓力偏差值進行PID控制，而后調(diào)節(jié)燃油泵的排量來控制油壓.主機轉(zhuǎn)速根據(jù)實際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的偏差值進行PID(PI)控制［12］，通過調(diào)節(jié)燃油刻度控制主機轉(zhuǎn)速.

圖8 燃油共軌壓力執(zhí)行機構(gòu)輸出及燃油刻度百分值隨時間的變化

綜合圖5～8可知，隨著主機轉(zhuǎn)速的逐漸升高，主機負荷增大，燃油共軌壓力首先由70 MPa減少到60 MPa再增大到90 MPa;而伺服油共軌壓力則逐漸上升，在微量的超調(diào)之后穩(wěn)定在18 MPa左右(主機達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，但主機的負荷仍然小于額定負荷，因此伺服油共軌壓力小于20 MPa，燃油共軌壓力小于100 MPa).由此，測出的仿真數(shù)據(jù)曲線與實際中的曲線變化相符，根據(jù)計算機仿真技術(shù)要求，滿足仿真的精度要求［14］.

4 結(jié)束語

船用二沖程高壓共軌電控柴油機控制仿真系統(tǒng)能實現(xiàn)電控柴油機的實時仿真，已成功運用于教學培訓中.該系統(tǒng)的仿真精度較高，充分體現(xiàn)新型柴油機的控制特點.且系統(tǒng)界面美觀、培訓功能強，為船用二沖程高壓共軌電控柴油機的仿真研究打下堅實的基礎(chǔ).

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