摘 要

大型低速二冲程柴油机在现代船舶中应用十分广泛，它如同船舶的心脏，决定着船舶的动力性能。现代船舶对于性能、安全性以及经济性的要求越来越高，对于柴油机的研究也逐步深入。鉴于使用实机研究的成本较高，耗费大量的时间以及人力物力，且具有一定的危险性，船舶研究领域对于柴油机的建模仿真应运而生，而且发挥着愈发重要的作用。现代电控技术发展中，V型开发模式的使用十分广泛。而硬件在环仿真是V型模式之中非常重要的一部分。硬件在环仿真平台建立的模型具有性能良好，实时性显著的优点。而且能动态的反映系统的变化。因此建立能及时准确的反映船舶柴油机运行状态的实时仿真的模型对柴油机的研究有着广阔的前景和极为重要的意义。本文以大型低速二冲程船用柴油主机为研究对象，以CRUISE M为仿真工具，通过模块化建模，将柴油机划分为气缸模块、涡轮增压器模块等，建立了船用二冲程柴油机实时仿真模型。并对建立的模型进行了仿真计算，与第三方仿真数据作了对比分析。仿真结果表明，模型的性能参数在稳态过程中具有较好的准确性。模型满足精度要求，同时通过对仿真时间的分析，模型也满足实时性的要求。通过建立的实时仿真模型，可以较为清晰的分析和研究船用二冲程柴油机的工作过程，可应用在二冲程柴油机的系统仿真与设计分析，对柴油机的性能分析、控制有着重要的意义。

关键词：二冲程柴油机；实时仿真；模型开发

Abstract

Large low-speed two-stroke diesel engine is widely used in modern ships. It is like the heart of the ship, which determines the dynamic performance of the ship. Modern ships have higher and higher requirements on performance, safety and economy, and the research on diesel engine is also gradually deepened. In view of the high cost, large amount of time, manpower and material resources, and certain risks of using real engine research, the field of ship research comes into being and plays an increasingly important role in the modeling and simulation of diesel engine. In the development of modern electronic control technology, v-type development mode is widely used. Hardware in the loop simulation is a very important part of the v-mode. The model established by hardware in loop simulation platform has the advantages of good performance and significant real-time performance. It can dynamically reflect the changes of the system. Therefore, the establishment of a real-time simulation model that can accurately reflect the running state of Marine diesel engine has a broad prospect and great significance for the research of diesel engine. In this paper, the large-scale low-speed two-stroke Marine diesel engine is taken as the research object, CRUISE M is taken as the simulation tool, and the diesel engine is divided into cylinder module, intercooler module, turbocharger module and so on through modular modeling, and the real-time simulation model of Marine two-stroke diesel engine is established. The model is simulated and compared with the experimental data. Simulation results show that the performance parameters of the model have good accuracy in the steady state process. With an error of less than 2%, the model meets the requirements of accuracy, and the analysis model of simulation time also meets the requirements of real-time performance. Through the establishment of real-time simulation model, the working process of Marine two-stroke diesel engine can be clearly analyzed and studied, which can be applied in the system simulation and design analysis of two-stroke diesel engine, and has important significance for the performance analysis and control of diesel engine.

Key words: two-stroke diesel engine；real-time simulation；model development

目 录

摘 要 1

Abstract 2

第1章 绪论 4

1.1课题研究的意义 4

1.1.1行业发展的要求 4

1.1.2课题研究的应用前景 4

1.2国内外柴油机建模的研究现状 5

1.3本文的研究目标和内容 6

1.3.1研究目标 6

1.3.2研究内容 6

1.3.3技术路线 7

第2章 研究对象与工具 8

2.1研究对象 8

2.1.1研究对象 8

2.1.2模型边界 8

2.2仿真工具 8

2.2.1 CRUISE M平台 8

第3章 实时仿真工作过程模型 9

3.1 基本方程的建立 9

3.2气缸模块 9

3.2.1燃烧室 10

3.2.2 燃烧放热规律 10

3.2.3气缸周壁的热传导 10

3.2.4进排气阀 12

3.3进排气系统 14

3.3.1进气系统 14

3.3.2排气系统 14

3.4涡轮增压器 15

3.4.1压气机 16

3.4.2涡轮 17

第4章 实验结果的验证与分析 18

4.1仿真模型 18

4.2实验结果验证与分析 19

4.2.1实验结果的准确性验证 19

4.2.2 实验结果的实时性验证 21

第5章 结论与展望 23

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

1.1课题研究的意义

1.1.1行业发展的要求

由于全球不可再生能源正在逐渐枯竭和环保排放规则的实施，船舶行业已经将节能和环保作为一个重要的问题来考虑。柴油机是船舶推进装置中最重要的一部分，其运行既要尽可能的兼顾良好的工作性能和可接受的燃油的经济性。电控技术能够有效的提高柴油机的性能。在对电控系统的研究中，V型开发模式的使用十分广泛。而硬件在环仿真是V型模式之中非常重要的一部分。硬件在环仿真平台建立的模型具有性能良好，实时性显著的优点。硬件在环仿真为开发电控系统提供了有力的支持，能开发出准确性可靠，实时性良好的柴油机仿真模型，可以为电控系统提供不同的工况环境以便于其完成测试。也能为把作为受控对象的柴油机的真实动态特性呈现给控制系统通过运用电控实时仿真技术，可以把作为受控对象的柴油机在计算机上通过模型实时仿真出来。通过将受控对象虚拟化以达到优化控制器的目的。硬件在环仿真系统作为软硬件集成的实时仿真工具。通过实时处理器来运行仿真模型模拟受控对象的状态，I/O接口与被测得电控单元连接并对之进行全面的测试。在V型开发模式中，使用硬件在环仿真技术，可在发动机没有开发完整时就对它的控制功能和控制策略进行同步验证研究，从而使得研究周期变短。

1.1.2课题研究的应用前景

当前船舶柴油机在船舶动力装置中使用比例非常之高。鉴于其广阔的应用前景，对柴油机的不断研究和改进重要性也不言自明。与传统的方法相比，硬件在环仿真技术可以更好地满足柴油机综合控制需求。在实验室中就能进行相应的实验，无需耗费大量实物即可实验，节能环保。利用计算机建模，降低研发费用和周期。能对系统输入做出灵活实时的调整。并可以对不同工况下的柴油机进行模拟而不会有任何风险。硬件在环仿真为开发电控系统提供了有力的支持，开发出准确性可靠，实时性良好的柴油机仿真模型，可以为电控系统提供不同的工况环境以便于其完成测试。也能为把作为受控对象的柴油机的真实动态特性呈现给控制系统，在实时条件下接受动态信号输入并且实时的反馈输出。因此其在对柴油机的研究领域中，将扮演越来越重要的作用。

1.2国内外柴油机建模的研究现状

国内外的学者对关于船用柴油机的实时仿真建模方面的课题做了大量的研究与探索。钱跃华、龚嫚、朱骏等使用快速仿真计算模块开发了一种 GT-RT 实时仿真模型^[4]，并检验了此模型的精度和实时性，后用此模型测试电控系统，试验结果表明，此模型能很好的接收和反馈控制器指令及柴油机运行参数，满足试验要求。

张元涛、王凤霞、石为人等以某型柴油机为仿真对象，将准稳态模型与容积法模型两种方法融合起来进行仿真建模，介绍了关于二冲程船用柴油机的动态过程实时仿真的平均值模型及建模方法，仿真结果表明，该模型具有较好的准确性和动态特性，可用于柴油机优化控制算法的设计、分析及仿真^[12]。

孙建波、郭晨、张旭、于洪亮等提出了一种兼备精度和实时性的建模方法。模型包括 MAN Bamp;W 10L90MC 柴油机、NA70/T9 增压器、定距桨推进装置以及柴油机控制系统^[10]。经仿真检验，得出动态和稳态工况特性与试航试验数据误差在百分之五以内。孙建波，郭晨利用准稳态、循环平均值等建模方法，给出了包含大型低速二冲程柴油机、轴系、螺旋桨和船体动力学的实时仿真模型^[9]。

哈尔滨工程大学的宋百玲以模块化建模技术，建立了具有完整模型体系的多参数、多输入输出通道的柴油机仿真模型和船舶动力传动系统模型^[1]。该模型可以实时的反映柴油机的状态，也不乏通用性和准确性。

大连海事大学的魏立队以单个部件来进行相应的数值验证，再通过组合连接，建立了一种大型船用柴油机及推进轴系有限元模型的建模方法^[5]。

哈尔滨工程大学的杨俊以平均值法建立了高压共轨柴油机动态仿真数学模型，并以该模型为基础完成了以柴油机模型实时计算程序为核心的高压共轨柴油机仿真平台软件的主体设计。建立的仿真平台能显示出对柴油机动态模型的控制效果，并能为柴油机的标定、测试提供良好的在线仿真环境^[11]。

丁远皓以船用四冲程柴机为对象，以划分模块分别建模的方法，构建了YANMAR8N330L-GW型柴油机的循环平均值模型，UG-25 电子调速器的模型。对模型进行计算后发现，计算结果与实验数据之间的误差在百分之五以内^[7]。

哈尔滨工程大学的李敏清在基于dSPACE柴油机模型半物理实时仿真研究中软件环境下建立了型号柴油机的零维容积法仿真模型^[17]。对建立的实时仿真模型进行离、在线测试实验。测试结果显示搭建的实时仿真模型能够和硬件匹配良好。

褚全红，刘涛，胡勇，李菲菲，姚素娟，杨国华等针对大功率共轨柴油机的控制，提出了新的控制策略，其中包括柴油机的工况判断与切换、喷油控制、油轨压控制^[3]。以实时仿真平台为基础，并对该控制策略进行了优化设计并进行了验证，证明了控制策略的准确性。

王长林以准稳态的概念为基础建立了一种适用于大型低速二冲程柴油机推进装置的多阶非线性模型^[13]。该模型以试验数据为和工作原理二者相结合，建立的模型不但精度较高，还能反映柴油机的不同状态。

Baldi F , Theotokatos G , Andersson K 等人在Matlab / Simulink的计算环境中使用模块化方法开发组合均值零维发动机模型用于模拟大型船用柴油四冲程发动机，结果与平均值模型的相应结果相当。适用于平均值方法超出其限制的情况^[18]。

Tian Z, Yan X P, Xiong Y P.等人根据涡轮增压二冲程柴油机的工作原理，参考了体积法模型的特点，根据Matlab / Simulink软件平台，组合成一个完整的平均值发动机模型和加速度控制器来控制柴油发动机转速^[19]。根据速度控制规律，观察柴油机各种性能参数的变化和动态特性，达到更好的柴油机使用目的。在平均值发动机模型设计过程中，加入扫气系数和提高过量空气比将提高模拟精度。 通过相关分析，可以确定符合控制要求的柴油发动机模型。

Yum K K , Taskar B , Pedersen E等人提出了一种用于波浪推进的船体 - 螺旋桨轴 - 柴油发动机系统的仿真模型，重点是柴油机的建模。柴油机模型根据稳态性能数据进行了验证，并进行了灵敏度分析研究。仿真结果提供系统响应及其在不同波浪条件下的效率。瞬态仿真的发动机效率仅与发动机负荷的振幅高且平均值低时的稳态估计显着不同值^[20]。

1.3本文的研究目标和内容

1.3.1研究目标

研究船用低速二冲程柴油机实时仿真建模的方法，以低速机为对象，建立实时仿真模型，采用模块化建模方法，细化柴油机整体模型，对各模块逐一建模，建立整体的实时仿真模型；模型搭建之后，对其进行离线仿真试验，利用试验数据进行模型校验。以验证模型的实时性和准确程度，为建立柴油机硬件在环仿真系统提供技术基础。由于相关条件的限制，本文研究中没有第一手的台架实验数据，因此以第三方平台仿真的计算数据作为实验值来对比。下文中提到的实验数据即第三方平台的仿真数值。

1.3.2研究内容

确定柴油机相关数据，并对仿真原理与方法进行介绍及系统的分析；采用模块化建模技术，建立大型低速二冲程柴油机工作过程的模型。建模中针对柴油机控制系统研究的需求。采取适当简化、功能模块划分。模型建立完毕之后，需要满足几个指标：准确性、实时性。准确性，要求模型可以正确地反映柴油机的在运行中各个参数状态。实时性，要求仿真计算的速度与实际运行速度相对应起来。要满足上诉要求需要把建立好的模型进行离线运行，得到各个运行参数以及主要参数的变化曲线。把计算仿真的结果和实验数据进行对比和分析，以验证搭建的模型是否满足要求。

1.3.3技术路线

以模块建模的思想，将柴油机分解为：气缸模块、中冷器模块、进排气管模块以及涡轮增压器模块。本研究以多学科交叉为基础，包括工程热力学、流体力学、控制理论、传热学、计算机的仿真技术等。把数学建模、计算机仿真以及实验验证三者相结合起来完成二冲程柴油机的建模仿真工作。在各位前辈的研究与探索基础上，以船用大型低速二冲程柴油机为研究对象，确定其主要参数如缸径、行程等，把完整的柴油机划分为气缸模块、进排气模块、涡轮增压器模块等，把其余复杂的部分简化等效为边界条件。再利用CRUISE M逐一建模。把建立好的子模型进行连接，构建成完整的仿真模型。在电脑中运行之后将得到的数据同实验数据对比分析，校验其准确性、实时性。

现拟定本研究技术路线如图1.1所示：

选定机型

划分模块

气缸模块、进排气模块、涡轮增压器模块

利用CRUISE M逐一建模

模型搭建，进行离线仿真

与实验数据比较，是否在精度范围内

模型搭建完毕

继续调试

是

否否

图1.1 研究技术路线

第2章 研究对象与工具

2.1研究对象

2.1.1研究对象

本研究的研究对象为大型低速二冲程柴油机。根据研究及建模需要，查找相应参数。

表2.1 柴油机主要参数

2.1.2模型边界

模型边界的建立取决于不同的建模目的，大型低速二冲程柴油机的实时仿真模型的建模目的，是以建模的方法分析柴油机的工作过程以及各动态性能。研究的内容主要为根据船用低速机各部分工作原理，建立船用低速机实时仿真模型，主要包括涡轮增压器模型、进排气系统模型和机缸内工作过程模型，仿真描述出船用低速机运行状态变量随时间的变化。因此，建模时不考虑其他系统如润滑系统、主机遥控系统、燃油供给系统、冷却系统等。而将它们的影响视为边界条件的初始值。此外在建模的过程中，将各运动部件视为理想状态即不考虑其应力形变等因素。另一个重要的影响因素为环境温度和压力。在建模过程中，考虑其在实验室是可以定量化的，建模时可取定值计算。

2.2仿真工具