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摘 要

随着缸压传感器的技术发展，成本的降低以及对柴油机高效，可靠和低排放的法规日益严格，船用发动机刚刚开始探索缸压闭环控制的技术应用。然而，船用发动机缸压闭环控制技术仍处于科学研究和发展趋势的阶段，必须进行许多实验和科学研究。本文以6L16/24-CR船用高压共轨柴油机为研究对象，并利用AVL CRUISE M实时仿真系统建立了柴油机实时仿真模型。根据缸压闭环控制的要求，对燃油喷射，缸内燃烧，涡轮增压等控制模块进行了优化，并添加了循环波动的仿真，以创建6L16/24-CR电机控制柴油机实时仿真模型，并对模型进行验证。结果表明，所建立的柴油机实时仿真模型的仿真模拟值与检测值之间的偏差在5%以内，其实时始终小于1，满足缸压闭环硬件在环仿真平台的要求。

关键词：船用高速柴油机；缸压闭环控制；实时仿真模型；硬件在环仿真

Abstract

With the development of cylinder pressure sensor technology, the reduction of cost and the increasingly strict regulations on diesel engine's efficiency, reliability and low emission, Marine engine has just begun to explore the technology application of cylinder pressure closed-loop control.However, Marine engine cylinder pressure closed-loop control technology is still in the stage of scientific research and development trend, and many experiments and scientific research must be carried out. This article uses 6l16 / 24-cr high pressure common rail marine diesel engine as the search engine, and uses the AVL CRUISE M real-time simulation system to establish a real-time diesel engine simulation model.According to the requirements of cylinder pressure closed-loop control, the control modules such as fuel injection, in-cylinder combustion and turbocharging are optimized, and the simulation of cyclic fluctuation is added to create a real-time simulation model of 6l16/24-cr motor control diesel engine, and the model is verified. The results show that the difference between the cost and the value obtained for the actual diesel model is less than5 %,and the actual value remains less than 1, which is in line with the real-time requirements. The cylinder is a closed cylindrical measuring platform.

Keywords: Marine high-speed diesel engine;Cylinder pressure closed-loop control;Real-time simulation model;Hardware in loop emulation

目 录

第1章 概述 1

1.1研究的目的 1

1.2研究的意义 1

1.3国内外研究现状分析 2

1.3.1国内研究现状分析 2

1.3.2国外研究现状分析 3

1.4 本文的主要工作及技术路线 5

第2章 缸压闭环控制硬件在环仿真需求分析 6

2.1 硬件在环仿真技术 6

2.2 硬件在环仿真系统的工作过程 7

2.3硬件在环仿真应用中的关键技术 7

2.3.1 硬件构成技术 7

2.3.2 仿真建模技术 8

2.3.3 软件控制技术 8

第3章 发动机实时模型的建立 10

3.1实时仿真建模方法的综述 10

3.2 发动机实时模型建模平台 10

3.3 实时模型仿真对象 11

3.4 缸压闭环控制发动机实时仿真模型 11

3.4.1 燃油喷射模型 12

3.4.2 混合控制燃烧模型 14

3.4.3 循环波动模拟 15

3.4.4 涡轮增压器模型 16

第4章 仿真模型的验证 18

4.1 正常工况的验证 18

4.2 循环波动模拟验证 18

第5章 结论与展望 20

参考文献 21

第1章 概述

1.1研究的目的

内燃机依旧是世界上使用最广泛的，是具有最高热效率的发动机。它普遍用于社会经济和国防部门的各个领域，尤其是在陆路和海上运输以及农用机械中。内燃机的输出功率占世界所有动力系统总输出功率的90％，但它也是环境中主要的污染源之一。

随着社会的发展对发动机合理性，排放性能，安全性能的要求不断提高，发动机也由机械式到电子控制的发展趋势。电控发动机根据内部设置的程序来区分发动机的工作姿态，从而根据当前的运行模式做出决策。它不仅可以精确地控制发动机燃油喷射的整个过程，而且可以改善对发动机进排气整个过程的控制，从而提高发动机的效率并减少能耗。

传统的电控发动机通常根据测试校正后的数据进行开环控制，并根据环境因素、温度和进气口工作压力的变化来调整自动控制系统的重要关键参数，从而改善发动机性能。但是，目前发动机的工业生产精度不能达到100％，因此加工厂中相同类型的发动机会有一些个体差异。此时，基于闭环控制的发动机电控系统似乎非常关键，在具有高热效率和低排放的均质充量压燃（HCCI）技术下，开环控制的缺点更加突出^[3]。因此，基于缸压数据中包含的丰富内容，根据电子控制系统，对发动机的缸压反馈系统进行科学的研究，通过闭环控制改善发动机的各种特性，对下一代船用发动机电控系统的开发与设计具有关键的现实意义。

随着计算机技术的发展，硬件在环实时仿真系统的研究已成为发动机实时仿真系统研究的热点。硬件在环仿真系统可用作集成硬件和软件的一组实时仿真工具。在调试过程中，它直接连接到ECU系统作为虚拟引擎的载体，并为ECU提供引擎的实时运行状态，从而相对减少了台架测试，调试工作以及各种不必要的人力和物力。此外，由于HILS系统^[18]基于编制软件来完成各种信息的传输，因此可以为操作人员提供方便、友好的调试来观察环境，从而大大提高了ECU调试全过程的可靠性，消除一些实验因素引起的危险。

1.2研究的意义

传统的电控发动机通常根据测试校准数据执行开环控制，并根据环境因素，机油温度，水温和吸气压力的变化通过更改控制系统的关键参数来更改发动机性能。但是，当前的工业生产精度低于100％，因此，相同型号的发动机出厂时会有细微的差别。而且，随着发动机工作时间的增加，工作条件已经改变，但是开环控制的主要参数不能立即改变，并且发动机的性能降低。这时，基于闭环控制的发动机电子控制系统至关重要，尤其是随着高热效率和低排放均质压燃（HCCI）技术的发展趋势，开环控制方法的缺点更加明显。

近年来，柴油机的排放法规越来越严格，现有的柴油机电控是基于实验标定图进行的，喷油参数可以实时调整，实际上电控是对燃烧过程的开环控制。但对于燃油更换、部件退化等超出标定条件的情况，不能实现最优控制。另一方面，随着被控对象的增加，电子控制系统变得复杂，精确控制变得更加重要，闭环控制是实现这一目标的有效方法。由于缸内燃烧情况决定了柴油机的性能和排放，因此燃烧过程参数为温度、压力和放热。缸压包含了燃烧条件的一些信息，利用现代手段可以方便、可靠地获取。因此将缸压反馈引入柴油机控制中，为缸内燃烧提供实时信号，有利于缸内燃烧的闭环控制，缸压闭环控制为柴油机电控提供了一条新的途径，减少了对标定的依赖。

此外，发动机的燃烧效率和排气性能受许多因素影响，仅控制空燃比以优化发动机的整体性能还不够。因此，根据电控系统，缸压数据中包含的大量信息内容以及发动机操作实体模型的融合被用于科学地研究发动机缸压闭环控制系统软件，以改善闭环循环控制船舶的发动机性能。对于下一代船用发动机电子控制系统的开发和设计至关重要。

现有船舶发动机电控系统的开发过程是一个顺序结构，因此在开发过程中遇到的困难如下：①船用工作台很复杂，配件很多，电子控制系统也很复杂。因此，实验调试既费时又昂贵；②传统的发展模式不能在多个阶段运作，控制策略也不能灵活改变，开发周期长，人工成本高，难以适应发动机的当前发展要求。

船用发动机的工作模式复杂，对控制系统的要求也很高，因此对气缸压力闭环控制方法进行研究非常重要。目前，卡特彼勒（MAK）和瓦锡兰（Wärtsilä）已对缸压闭环控制方法进行了研究，缸压闭环控制方法是船舶发动机中寻求高效率，可靠性，低排放和低噪音的关键技术。随着船用发动机缸压测试技术成本的降低和缸压闭环控制方法的成熟，缸压闭环控制器将得到推广并应用于船舶发动机。

1.3国内外研究现状分析

1.3.1国内研究现状分析

在中国，发动机气缸的燃烧反馈控制的发展相对较晚。 2012年，南开大学的周能辉基于单片机的CAN总线开发了HCCI发动机^[3]分散式自动控制系统。主要参数是CA50和IMEP，它们依次控制HCCI发动机的燃烧阶段和负载。测试结果表明，基于气缸压力的自动控制系统可以清除气缸压力的运行规定。

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