当前，船舶行业作为交通运输的一大支柱，其对船舶的性能需求从未中断，在这当中的一大重点则是对船舶的推进系统有极大的性能需求。作为船舶动力装置中的最为重要的组成部分，其主机、传动设备以及螺旋桨的运行特性分析则显得尤为重要。而在传统的设计方案下，采用实验方法进行船舶传动方案的设计，其成本、时间以及工作效率等都需要优化。对船舶的主机即柴油机来说，其压缩比高、换气过程损失少，燃烧也更完全，因而其热效率比汽油机更高。然而，随着日益严格的油耗法规以及严峻的能源危机和环境污染，人们对柴油机的各项性能指标也更加重视，需要在满足排放法规的前提下不断提高热效率，从而推动柴油机的进一步发展。因此，在柴油机领域，各类技术层出不穷，如排气再循环技术（EGR）、高压共轨技术、增压技术和柴油机的电子控制技术等。多种技术的融合使得柴油机的系统更为复杂，各类零部件的组装匹配也更为繁琐，这就使得对于通过实验分析进行柴油机的设计开发这一传统理念思路来说，无疑加大的其开发难度，投资加大而效率也更为低下。所以，对于柴油机的仿真模拟则显得尤为重要。利用计算机对柴油机的工作过程进行数值模拟，利用各种仿真模型对柴油机的各类参数进行优化分析从而得出设计思路和方案这一设计路线已成为柴油机设计及优化的重要手段。因此，通过对柴油机进行数值模拟，在加上船机桨的仿真模型，就能对船舶的推进系统进行合适的模拟设计。

为了对船舶推进系统进行仿真计算，国内外有大量的研究成果。无论从船舶柴油主机的动态过程实时仿真还是在增压柴油机的瞬态过程仿真，都对船用柴油机进行相应的仿真研究。

在传统的船舶柴油机推进形式下，对于柴油机的仿真模拟已有大量的研究。在对大型低速柴油机工作过程建模与仿真中，研究人员采用了容积法建立了大型低速柴油机缸内工作过程的仿真模型，利用实测示功图对不同负荷下Vibe燃烧放热规律进行了数值模拟，并进行台架试验，将所得的试验数据与仿真所得结果进行了数据对比，验证了仿真结果与实验数据基本吻合，计算仿真模型具有良好的精确度，可用于船舶推进系统的动态仿真。

而同样是同样是对大型船用柴油机进行建模与动态仿真，另一组研究人员则采用动态平均值模型进行计算。由于船舶其特殊的运行环境，要求实验仿真模型对瞬态的运行过程有更为精确的反映，这就要求仿真时所采用的模型有足够的精确性。对于传统的仿真模型，有平均值模型、准静态模型和容积模型等，上述仿真实例则是采用容积模型。其中平均值模型兼顾准静态模型和容积模型的优点，是于1989年Hendricks所提出的，但由于其模型没有考虑动态过程中气缸进气量于压气机空气流量的差别，从而导致动态过程中空燃比的相关计算有一定的误差。在这之后则建立了引入容积效率计算气缸进气量的平均值模型，但其模型中直接采用气缸空气流量计算空燃比，忽略了扫气过程中排出的空气，从而导致了空燃比偏大，从而影响了模拟结果。所以此次研究人员则采用的是柴油机的动态平均值模型，优化对空燃比的计算，使得仿真结果更为准确，并作为模型的主要部分，可用于船舶主推进装置动态仿真。

在国外研究中，Cong Guan,Gerasimos Theotokatos和Hui Chen这一研究小组则是采用零维模型来分析二冲程增压柴油机，在研究中，通过使用在MATLAB /Simulink构建的模块化零维发动机模型，彻底研究了不使用涡轮增压器下大型二冲程船用柴油机的运行特性。首先进行的柴油机在稳态情况下的运行仿真，再将其得出的发动机运行参数与试验台架上所获得的实验数据进行比较。实验在10%到50%的负荷下，全面研究了涡轮增压器停止运行对缸内参数的影响，从而的出在部分负荷下涡轮增压器和鼓风机的运行时间，从而节省燃料消耗以及排放。

而Balding F等人则是进行平均值—零维模型这一组合模型的开发及其在大型四冲程船舶柴油机上的应用。其在Matalb/Simulink中建立了一个平均值—零维组合模型。所提出的模型结合了平均值模型和零维模型的优点，使得其在较短的时间内得出发动机的性能参数，因此它可以用于无法使用平均值模型的情况。同时则在稳态运行的情况下进行大型四冲程柴油机的仿真，并与发动机车的试验数据进行验证，同时和相同条件下平均值模型下得到的仿真数据进行比较，并以适当的精度要求来增强平均值模型的预测能力。

而在现今阶段，随着对柴油机的排放及性能要求越来越高，为优化柴油机的燃烧，电控柴油机技术的发展也越来越快。船舶智能柴油机可以在整个工况范围内实现燃油喷射正时、喷油量以及进排气正时的优化控制，相较于传统柴油机，智能柴油机在船舶领域也因此得到越来越广泛的应用，而对于智能柴油机而言，其运行过程中，转速、负荷以及燃油共轨压力的变化都会对柴油机的燃烧质量产生影响，从而影响智能柴油机的各项性能指标，因而建立能准确反映智能柴油机动力装置稳态和瞬态性能的仿真模型是十分重要的。

2. 研究的基本内容与方案

本课题的主要内容是了解内燃机工作过程计算的基本原理，并由此通过Matlab/Simulink对柴油机的工作过程进行仿真模拟，再通过建立合适的船机桨仿真模型，将其与柴油机的仿真模块进行连接，从而构建整个船舶推进系统的仿真模型。之后，是研究推进系统中的某些参数进行改变，如油门、负荷等改变时，转速以及其他参数的动态响应，进而对整个船舶推进系统进行分析。

在进行船舶推进系统的仿真研究时，先是建立船机桨的仿真模型。对机桨进行仿真建模时，对于柴油机则是通过其有效扭矩通过传动设备传递至螺旋桨。之后，在船体航速模型仿真下，计算桨的有效推力和船舶的各项阻力。这其中研究转速与航速的变化情况，通过改变油门开度，从而的出各项参数的响应曲线。

之后则是对柴油机的数字模拟计算，而对柴油机仿真计算时，其计算模型中，除考虑有气缸、排气管、涡轮、压气机、进气管和中冷器系统外，对于瞬态特性的增压柴油机来说，还需增加喷油泵—调速器系统及负载系统。并且由于发动机转速和增压器转速会随时间的变化而变化，所以当计算转速的变化时，必须要考虑增压器、发动机和负载的惯性矩。而在瞬态特性计算中，则对于气缸，进、排气系统，中冷器等子系统的计算则是建立在充满—排空法的准稳定概念基处之上的。