（控制理论与控制工程专业论文）轮机模拟器的设计与制作.pdf

t 英文摘要 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fm a r i n ee n g i n es i m u l a t o r a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ec a b i nc r e w t r a i n i n gi nt h eu s eo fm a r i n ee n g i n es i m u l a t o r s o f t w a r es t a n d a r d sa r e m a n d a t o r y , t h ei n t e r n a t i o n a l m a r i t i m eo r g a n i z a t i o n ( s t c w ) p r o v i d e sm a r i n ee n g i n es i m u l a t o rs o f t w a r em u s tb ea b l et os i m u l a t et h e o p e r a t i o no fr e l a t e de q u i p m e n to nt h es h i pa n dm e e tt h ep r o v i s i o n so ft h ea c t u a l l e v e lo ft r a i n i n go b j e c t i v e s ，i n c l u d i n ge q u i p m e n tp e r f o r m a n c e ，l i m i t a t i o n sa n d p o s s i b l ee r r o r s r e q u i r e ds i m u l a t o rm u s th a v es u f f i c i e n ts i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ， s ot h a tt r a i n e e sc a na c c e s sa n dp l a yo u tt h et r a i n i n go b je c t i v e so ft h es k i l l s r e q u i r e d ，a l t h o u g hs i m u l a t o rt r a i n i n gc a nn o tc o m p l e t e l yr e p l a c et h er e a ls h i p e x p e r i e n c e ，b u ti td o e sh e l pt oi m p r o v et h er a p i dr e s p o n s ec a p a b i l i t ya n dc a p a c i t y o fs a f eo p e r a t i o ni nr e a ls h i p s t e c h n o l o g y d e v e l o p e di nt h es i m u l a t o lc h i n ai sf a r l e s st h a nw e s t e r nc o u n t r i e s i no r d e rt og e tr i do fw e s t e r nc o u n t r i e s ，a n di m p r o v e t h eq u a l i t yo ft h ec r e w , t h es i m u l a t o rd e v e l o p m e n to fo u ro w ni sn e c e s s a r y t h i sm a r i n ee n g i n es i m u l a t o rs o f t w a r eb a s e do nt h es t c w7 8 9 5i sd e s i g n e d f o rt h eo p e r a t o rt r a i n i n gr e q u i r e m e n t sa n d p r o d u c t i o n t h es y s t e mi sa ni m p r o v e d s e l e c t i o no ft h el a t e s t5 2 5 0s e r i e ss h i p s ，o ro t h e rn e w , a d v a n c e df u l l c o n t a i n e r s h i p sa sm a s t e r - t y p ev e s s e l s ( h o s t ：6 s 0 6 m c ) f o rf u l l - f e a t u r e ds i m u l a t i o n d i e s e l e n g i n e sa n dp u s hf o r w a r dt h ee s t a b l i s h m e n to ft h eo w n e r s y s t e m ，s t e e r i n gs y s t e m s ， s t e a ms y s t e m ，f u e ls u p p l ys y s t e m ，o i l s u p p l ys y s t e m ，c e n t r a l i z e dm o n i t o r i n g s y s t e m ，a n do t h e rm a j o rs y s t e m ss i m u l a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e l s w h i c hm e e t t h ea d v a n c e d ，t y p i c a l ，f i t n e s s t r a i n i n gr e q u i r e m e n t s u s i n gm o d u l a rm o d e l i n g m e t h o d ，m a s se n e r g yc o n s e r v a t i o n1 a wa n dt h et h e r m o d y n a m i ct h e o r y , c o n d u c t e d ar i g o r o u sl o g i c a la n a l y s i s a n de s t a b l i s ht h em a r i n ee n g i n es i m u l a t o rm o d e li na c e r t a i ns i m p l i f i e d b a s e do nac o r r e c tm a t h e m a t i c a lm o d e l ，u s i n gm i c r o s o f t sv i s u a lc 撑n e t t o o l sp r o g r a m m i n gt h em a r i n ee n g i n es i m u l a t o rs o f t w a r e f i r s t l y , t h eu s eo f o b j e c t - o r i e n t e di d e a sa n dm e t h o d sw i l lb et h em a i nt a r g e ta n dt h ew h o l es i m u l a t o r s y s t e mi sd i v i d e di n t ov a r i o u ss u b o b j e c t st oa c h i e v eac e r t a i nf u n c t i o n a n du s e v i s u a lc l a n g u a g e ，m a k ea l lc h i l do b je c t sf o rt h ec o r r e s p o n d i n gc l a s s e s ，t h e n p a c k a g i n g ，c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h ec l a s s e sw i l lb ea c h i e v e dt h r o u g ht h e e x t e r n a li n t e r f a c e s t h e n ，u s e n e tl a n g u a g e su n d e rt h eg d i + p r o g r a m m i n g t e c h n i q u e st op r e p a r ear e a l i s t i cs i m u l a t i o no ft h ec o n t r o ls e t ，t ob u i l df lv a r i e t yo f s i m u l a t i o n o p e r a t i o n s a n dr e a l - t i m e d i s p l a y o ft h es i m u l a t i o n i n t e r f a c e , c o m b i n i n ga l lc l a s s e sw em a d ea n dg r a p h i c a li n t e r f a c ec o r r e c t l ya n de v e n t u a l l y c o m p l e t e dt h es i m u l a t o rs o f t w a r ep r o d u c t i o n k e yw o r d s ：m a r i n ee n g i n es i m u l a t o r ；m o d e l i n g ；d i e s e le n g i n e ；s i m u l a t i o n s y s t e m m 8 伽i 舢7m 3 3m 7 舢1肌y ，lr lr kr t， 1l111j， 目录 目录 摘要i i a b s t r a c t 1 目录l 第一章绪论1 1 1 选题的背景和意义1 1 2 相关领域的研究动态2 1 2 1 建模与仿真的研究2 1 2 2 轮机模拟器建模与仿真的研究动念2 1 3 沦文的主要工作：3 第二章轮机模拟器系统概述5 2 1 轮机模拟器系统概况5 2 2 轮机模拟器的组成结构概述5 2 3 轮机模拟器的设计标准6 第三章模拟器主机数学模型的建立7 3 1 船舶柴油机系统建模概述7 3 1 1 柴油机主机仿真建模7 3 1 2 研究对象8 3 2 容积法工作过程模型1 0 3 2 1 容积法模型的皋本原理1 0 3 2 2 气缸内工作过程的计算1 1 3 2 3 气缸工作过程基本方程1 2 3 2 4 气缸1 作容积1 4 3 2 5 燃烧放热规律1 4 3 2 6 气缸周擘的热传导1 6 3 2 7 进排气阀的流量计算1 6 3 3 柴油机主机数学模型建立及求解1 7 第四章模拟器液压舵机系统数学模型的建立2 0 4 1 船舶液压舵机系统概述2 0 4 2 船舶液口i 舵机系统原理和操作2 0 4 2 1 液压舵机系统的原理2 0 4 2 2 液压舵机的操作方式2 0 4 3 液压舵机的数学模型2 1 4 3 1 液压缸中的撞杆运动平衡方程2 1 4 3 2 液压流量平衡方程2 2 目录 4 3 3 油泵的流量2 2 4 3 4 液压缸压力模型2 2 4 3 5 舵叶的水阻力矩与舵角关系分析2 3 4 3 6 模型模块的划分2 4 第五章模拟器辅助系统数学模型的建立2 6 5 1 柴油机主机辅助系统2 6 5 2 滑油系统的温度模型2 6 5 2 1 滑油舱柜2 6 5 2 2 滑油储存柜2 7 5 2 3 滑油沉淀柜2 8 5 3 燃油供油系统的温度模型2 8 5 3 1 燃油供油系统的基本结构2 8 5 3 2 燃油系统的温度建模2 8 第六章轮机模拟器系统仿真软件的设计与实现3 2 6 1 开发环境与设计思想3 2 6 1 1 开发的环境与系统结构3 2 6 1 2 面向对象的设计思想3 3 6 2 仿真软件程序没计与实现3 4 6 3 仿真软件人机界面的设计与实现3 8 6 3 1 仿真界面设计方法3 8 6 3 2 自定义控件库的设计3 8 6 3 2 仿真界面介绍：j 9 第七章总结与展望4 5 7 1 研究总结4 5 7 2 工作展望4 5 参考文献4 7 攻读学位期间的研究成果4 9 附录模拟器软件参数5 l 致谢5 5 学位论文独创性声明5 7 学位论文知识产权权属声明5 7 1 一：1ji11l111 第一章绪论 第一章绪论 计算机仿真技术是利用计算机建立研究对象的模型，并在实验条件下对 模型进行动态仿真的一门综合性科学。计算机仿真技术是计算机科学当中的 典型应用，涉及到当今科学的各个领域。论文的主要设计目标轮机模拟器软 件便是计算机仿真技术在船舶航海领域中的典型应用，它目i j 订己成为培训、 考核船员的有力手段。为了能够节约培训成本，缩短培训时间，以最高效的 方式培训出大量合格的船员，采用虚拟设备代替实船环境，大大增强了培训 过程的灵活程度和可扩展性。模拟器类的仿真系统具备低成本、功能强、更 新迅速等突出优点。事实证明，轮机模拟器系统非常适合各种彳；同条件的船 员培训要求。 1 1 选题的背景和意义 论文所完成的轮机模拟器软件，是利用编程工具将实船上的主要操作系 统、动力系统以及各种正常航行时所必需的辅助系统进行较精确的数学建模 并用w i n d o w s 应用程序加以实现，安装在p c 机内，为受训船员提供了解、 学习、操作机舱设备，判断排除机舱系统故障的现代化教学环境。 通过类似的模拟器仿真训练，能够使船员即使没有上船，也同样可以获 得机舱系统的各种知识【，从而提高船员的训练速度，满足同前高素质船员 的培养需求。由于困际海事组织对于模拟器培洲要求越来越严格，使用轮机 模拟器对轮机人员和在校学生进行机舱设备的培训已成为大的趋势。 目自订国外轮机模拟器系统的实现通常采用面向过程的集中式封闭系统的 建模方法，这利，方法要求模拟器丌发人员对整套机舱系统( 至少某个子系统) 非常熟悉，多专业要求高，丌发周期长、难度大，并且系统维护和功能升级 也不易进行。论文所采用的面向对象的建模方法设计制作模拟器软件，是近 年来国内丌始自主研发的新兴手段，可以充分发挥山i 向对象的优点，很人程 度上降低了工作难度，复杂的建模二i ：作可以由多位研发人员分工进行，从而 缩短开发周期，并且由这种模块化建模方法完成的软件，其f 1 后的维护和功 能升级也很容易实现。 船舶机舱内各个子系统的建模仿真是一个相当复杂且专业的工作。但是 开展对包括柴油机主机系统在内的轮机模拟器的建模仿真的研究，自主设计 制作适合培训要求的轮机模拟器足十分必要的。 jr lilr ， il!ilr，ili 青岛人学硕十学伉论文 1 2 相关领域的研究动态 1 2 1 建模与仿真的研究 所谓模? 型就是针对研究对象的某种需要，抽取有关的主要信息，并使之 映射于特定信息空间的抽象集合的形式化描述。而仿真是用一个可以代表所 研究的对象的模型去完成的实验。仿真是在模型建立的罐础上进行的，计算 机仿真则是利用数学形式描述实际系统的运动规律，数学形式通常表达为微 分方程组或差分方程组，然后用计算机来求解这些方程获取所需的数据。 相对国外来说，我国建模与仿真起步较晚，只有4 0 多年的历史，但也耿 得了骄人的进展。上世纪八十年代，我国已经建立了人批具有先进水平的计 算机仿真实验室，应用于科学研究。到了9 0 年代，我国基本与世界同步开展 了包括因特网仿真、分布式交互仿真以及虚拟现实仿真等新兴先进仿真技术 研究等工作。 1 2 2 轮机模拟器建模与仿真的研究动态 国外的轮机模拟器研究可以追溯到上世纪六十年代，十年之内便出现了 较为成熟的产品，在体验到虚拟技术的社会价值后更是从此不断完善。近年 来，由于计算机硬件软件技术的高度发展，无论模拟器软件商品的质黾还是 数量都有了很大进步。总结一下当今世界比较流行的轮机模拟器系统可分为 两种：一种足纯软件的轮机模拟器，在独立的一台或多台p c 机卜运行，操 作人员通过输入键盘和鼠标在操作界面的虚拟平台上进行学习和操作。另外 一种结合了硬、软件，组成了一套更加完善和逼真的虚拟现实环境，这种模 拟器成本较高，但使用周期也相对较长。这类模拟器在p c 软件的支持下， 用硬件全部或部分模拟实船系统的结构以及操作、显示功能【3 】。在外观、结 构和尺寸上与实船控制面板一般无二，非常方便。受训学员可以像操作实际 设备一样使用模拟器，达到高效率的训练f 1 的。 国外的轮机模拟器制作公司以欧洲幽家为主，其中挪康公司的产品最为 著名，目前居于世界领先水平，挪康公司的模拟器，虹品约占当今市场份额的 百分之八十。其标志性优点是仿真的船舶系统对象齐全，计算准确，软件运 行速度快。但是缺点也非常明显，其图形界面逼真度不高，操作不太友好【3 】。 在这一点上，英国船务公司制作的模拟器有突出优点，操作员有较好的沉浸 感。如下图1 1 。 2 1 1 j11i 第一章绪论 曩! 霎? ，? 黝了。甲至里至墨兰雪蜜一。圃堕回鼍 荔童。j 隧躐陛懋已嘞粕蔬勰。赢荔鼯巍施施，确巍咖琥瓣溉蕊二鼬一。，荔轨。增 图1 1 英国船务公司的轮机模拟器系统界面 1 3 论文的主要工作 论文的工作是通过对母船型的柴油机主机、操舵系统等机舱工作系统的 结构功能进行详细的工作机理分析，采用模块化建模方式，在一定的简化条 件下，合理建立各个子系统的数学模型；然后利用面向对象的v i s u a lc 群语言 将各子模型进行代码化实现，并通过接口合理组合，并对比实j | 3 数据运算验 证；最后在数学模型基本正确的前提下，编写模拟器系统的可视化图形界面， 制作成软件包完成模拟器系统的制作。 论文的主要一 作有以下几点： ( 1 ) 建立轮机模拟器各个系统动态过程的数学模型 论文选用5 2 5 0 系列改进型集装箱船或其它新型、先进集装箱船作为仿真 对象( 主机：6 s 0 6 m c ) 进行仿真模拟，在质能守恒的基础上，采用模块化数 学建模方法，建立起柴油机主机系统、液压舵机系统、燃油供油系统、滑油 供油系统等各辅助子系统的动态数学模型。 ( 2 ) 轮机模拟器系统动态特性的计算机仿真 在轮机模拟器系统数学模型基本正确的前提下，通过v i s u a ls t u d i o n e t 编程工具对各个子系统的数学模型进行代码化，并通过接口相互连接并进行 验证运算，将仿真出的主要参数结果与实测数据进行对比，检查仿真模z 弘的 精确度。 ， -rli-厂 i-，ll 青岛人! 学硕十学位论文 ( 3 ) 模拟器仿真系统软件的设计与实现 ， 结合所建立的轮机模拟器系统数学模犁，利用高级仿真支撑软件，设计 了一套仿真系统。该软件使用微软公司的v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 8 编程工具为 丌发平台，利片jc 7 f j 语言4 的g d i + 编程方式，实现了轮机模拟器系统仿真界面 和仿真模型程序的编写，能够仿真船舶机舱基本工作原理及操作过程，达到 了较真实地模拟机舱系统的要求。软件基于微软f r a m e w o r k 3 0 以上语言平台， 包括数据库在内的功能系统不依赖于任何第三方软件和捅件，可以在任何 w i n d o w s 操作系统的p c 机上安全、高效、稳定的运行。 4 、11j1，rj、一 第一二章轮机模拟器系统概述 第二章轮机模拟器系统概述 2 1 轮机模拟器系统概况 选用了改进型5 4 4 6 集装箱船或其它新型、先进集装箱船作为母型( 主机 采用6 s 0 6 m c ) 进行功能模拟仿真，分别建立了船舶柴油机主机参数模型、 船舶液压舵机系统、尾轴管系统、燃油供油系统、滑油供油系统以及主机工 况检测系统等各主要系统仿真数学模型，符合综合性、针对性、适用性等培 训要求。 一套功能完善的轮机模拟器系统应能与操纵( 航海) 模拟器方便地进行 接口，从而组成一体化的航海一轮机( 驾机合一) 联合仿真系统。 2 2 轮机模拟器的组成结构概述 一个完整的轮机模拟器系统应当包含船舶机舱内所有的设备子系统，包 括动力推进装置、冷却装置、供油供电装置及排污装置等几十个独立而又相 互联系的予系统。但由于工作量过于庞大烦琐，所设计的轮机模拟器对机舱 设备进行简化，假定船舶机舱电站隔离、船舶已经起航并航行在平静的海面 上、淡水及分油系统隔离。模拟器包括船舶柴油机主机、液压舵机、尾轴管 系统、燃油供油、滑油供油及综合监测报警系统。系统简图如图2 1 所示。 图2 1 轮机模拟器系统简化图 1 船舶柴油机主机参数模型是论文设计制作的模拟器软件核心，丌发轮 机模拟器仿真软件之前必须首先根据仿真对象的要求选择好合理的主机参 数，搭建起能够适用于主机各工况下的参数模型，并能满足对模拟器软件高 精度和持续运行的要求，实时计算出各工况下主机的各种热工参数和输出参 数。可以说主机模型的精确稳定运行决定了整个仿真系统的效果，论文也将 重点阐述柴油机主机模型的原理和建模过程。 li， 青岛人学硕十学位论文 2 液压舵机系统应用在j 3 舶上用以保持和改变船舶的航向，起到了方向 盘的作用。船舶液压舵机主要包含液压泵组和推舵机构两部分，液压泵组将 电能转化为液压能，推舵机构再将液压能转化为机械能以保持和改变舵叶的 角度。舵机是模拟器系统中的重要组成部分。它的二 作过程决定了航船是否 能够快速准确的改变航向，同时也是考核船员操作的要点。 3 滑油供油系统是保证主机及尾轴f 常稳定运行的重要辅助系统之一， 动力装置运转时，运动部件在轴承、汽缸内转动滑动，机械部件的接触表面 发生剧烈摩擦，缺少滑油的情况下，干摩擦会很快的导致机械部件损坏引发 故障，滑油供油系统就是对各个机舱动力装置设备供应充足、合乎质黾的润 滑油，使干磨擦变成润滑下的摩擦，大大的减轻部件的磨损。 4 燃油供油系统，顾名思义，是负责主机各种燃料的供给，缺少燃油或 者燃油供给不当，将对船舶同常航行以及费用造成很大困扰。燃油供油是船 舶启动、航速控制不可或缺的组成部分，保证船舶运行的经济性和稳定性。 2 3 轮机模拟器的设计标准 论文设计制作的轮机模拟器系统可以满足以下软、硬件条件： 一、国际海事组织( i m o ) 关于海员培训、发证及值班标准困际公约 ( s t c w 7 8 9 5 ) 规定的“适任评估项目”和“能进行持续熟练程度演示”的要 求【14 1 。 二、中国港监“关于s t c w 7 8 9 5 公约过渡规定的实施办法”中舰定的“自 动化电站的训练”和“自动化系统的训练”的要求。 三、该轮机模拟器可用于进彳j 二轮机员培训及其他通用相关轮机评估项目 的部分训练要求。 四、保证制作的轮机模拟器软件具有先进性、实用性、可靠性和真实、 精确的仿真效果。 血、使用的硬件设备：一台或多台p c 机。 6 第二章船舶柴油机土机数学模型的建立 第三章模拟器主机数学模型的建立 本章重点描述柴油机主机( 6 s 0 6 m c ) 模型的分析建立过程。主机模型 的建立是整个模拟器系统的根本，它的准确程度将直接关系到其他子系统的 仿真精度。采用先物理分析，再数学建模，后软件仿真的思路搭建较为准确 的主机模型。 通过下文的描述将会了解到系统是一个十分庞大的、多回路、多变量以 及多输入输出的复杂系统，如果用传递函数来建立模型将会非常网难而且难 以保证精度，论文采用了代数方程组和微分方程组来等价描述和求解【5 】。 3 1 船舶柴油机系统建模概述 3 1 1 柴油机主机仿真建模 在分析主机物理模型前先首先确定采用何种建模手段。目前建立模型系 统的数学方法有多种，主要包括理论分析法、经验法以及混合模型法等等。 理论分析法也即常说的解析法【3 1 ，即从研究对象的内部工作过程出发， 遵循最基本的物理定律，经过严格的数学公式推导后，最终建立起对象的数 学模型。解析法制作的模型有非常严格的科学依据，非常适合应用于工作机 理相对简单的系统研究建模当中。但对于一个复杂的物理模型，例如本章所 需要建立的柴油机模型，由于汽缸内涉及到复杂的放热散热规律，迄今未能 有精确的数学公式可以描述，并且理论推导下要进行部分理想化假设，可想 而知，由纯粹的解析法搭建主机模型造成误差会比较大。但可用来分析对系 统特性的影响，提出改进方案，因此解析法对于复杂模犁设计仍然有着重要 意义【8 1 。 所谓经验法就是忽略系统运行的：1 二作机理，完全根据实际系统的输入输 出数据，采用回归方程计算而建立模型，也可称为经验法( 黑箱法或者归纳 法) 。采用经验法建立模型的思想比较简单，但需要事先采集大量的实际系统 的运行数据，如果缺少数据会造成模型误差扩大，甚至会导致失真。另外对 于参数略有不同的两组柴油机，就需要重新测得实际数据来得出，可以看出 经验法归纳的模型扩展性差，也不符合系统制作的要求。 总结上述两种方法，? 对于柴油机主机的建模，解析法精度不高，经验法 又局限于单一对象。为建立条理清晰、精度高、可扩展的柴油机模型，论文 采用解析法和经验法相结合建立了主机的混合数学模型，在结构上仍具有明 确的物理意义，可以通过改变参数适用于不同的柴油机类型，又具有较高的 精确度。模型由热力平衡方程、传热方程、质能守恒方程以及一些经验公式 组成，因此论文所要建立的柴油机主机系统是混合模型【3 】。 模型对象：船用二冲程主机( 6 s 0 6 m c ) ，物理结构包括气缸、活塞、 l，r i y rli- 青岛人学硕十。学何论文 涡轮增压器、曲柄连杆、扫气箱、排气箱、冷却系统、燃油喷射系统等各个 相对独立又相互关联的系统和部件。将这些系统和部件的子模型有舰律地结 合就构成了主机系统模型。需要一提的是，车用柴油机还包括e g r ( 废气再循 坏) 装置，而船用柴油机主机由于燃油品质较为恶劣，不需要装配该装置。论 文柴油机模型不能延伸到车用柴油机。船用柴油机原理各子模块关系图如图 3 1 所示。 图3 1 船用柴油机模型组成示意图 主机的工作原理简单描述如下：新鲜空气在进气过程中被吸入气缸，在 压缩过程中被活塞压缩，空气温度升高达到燃油的燃点。当活塞上行到一定 程度时，燃油喷射系统向气缸中喷入定量的燃油，与缸内高温空 e 混合燃烧， 产生高温高压燃气推动活塞，带动曲柄连杆机构克服负载和摩擦对外作功。 冷却系统通过缸壁传热带走高温气体的一部分能量，i 司时气缸与活塞之间的 摩擦做功也会损失一部分能量，大部分能量随着高温废气排到排气管。其中 一部分废气排入到大气中，另一部分驱动涡轮带动压气机工作【3 1 。 模型设计研究工作以6 s 0 6 m c 柴油机主机为研究对象，适当简化模型中 过于复杂的部分，建立起主机的数学模型，并用编程工具进行仿真计算，并 对比实际数据验证模型准确性。 3 1 2 研究对象 ( 1 ) 研究对象 6 s 0 6 m c 型柴油机是废气涡轮增压的船用大型二冲程柴油机，在商船上 得以广泛应用。6 s 0 6 m c 型柴油机的工况图如图3 2 所示：工作范围在两条等 转速线( l 1 l 2 ，l 3 l 4 ) 和两条等平均压力线( l 1 l 3 ，l 2 l 4 ) 之问。l 1 是柴油 rr 第二三章船舶柴油机土机数学模型的建立 机的最大持续工况点。同型号的不同柴油机可工作在由l 1 、l 2 、l 3 及l 4 等四 点确定的四边形区域内。同时表3 3 给出了6 s 6 0 m c 型柴油机各个具体工作点 的数值。 p o w e r 图3 26 5 6 0 m c 柴油机工况图 表3 36 s 0 6 m c 柴油机功率与转速范围 波计点转速( r m i n ) 平均有效压力b a r 功率k w l l1 0 5 1 8 01 2 2 4 0 l 21 0 5 l1 57 8 6 0 l 37 91 8 o9 1 8 0 i a7 91 1 5 5 8 8 0 6 s 6 0 m c 型柴油机匹f l g t p l 8 0 b 1 2 型涡轮增压器，采用定压增压方式。装 配辅助风机，可以在低负荷时启动，改善柴油机主机低负荷时的性能。具体 技术数据如表3 4 所示。 表3 46 s 6 0 m c 型柴油机主要参数 柴油机型号 6 6 s 6 0 m c 发火顺序 1 5 3 4 2 6 缸数6 缸径m m 6 0 0 冲n m m 2 2 9 2冲科数2 压缩比l7 4额定功率k w1 2 2 4 0 曲柄迮卡f | 比 0 4 3 6额定转速1 0 5 6 s 0 6 m c 型柴油机扫气过程采用气阀传动机构，排气阀定时凸轮驱动。 图3 5 为气口气阀正时圆示意图，上止点为0 度曲轴转角，下止点为1 8 0 度曲轴 转角。 9 r ir 。rp 青岛人学硕十学何论文 2 6 4 5 上i 卜点 1 2 1 5 图3 5 气口气阀正时圆图 ( 2 ) 模型边界 模型边界与建模目的密切相关，目的不同，模型边界也不同。建模f 1 的 不是研究缸内燃烧过程，也不以整个柴油机主机系统为研究对象，而是只考 虑与控制和仿真有关的部分【4 1 。因此，建模时不考虑冷却系统、滑油供油系 统，燃油供油系统，这些辅助系统作为模型边界，它们的作用为柴油机模型 初始条件。 3 2 容积法工作过程模型 3 2 1 容积法模型的基本原理 容积法模型是目f j 订柴油机仿真模型的一种，以热力学过程为基础，用来 分析控制变量对进排气体压力和温度的影响。它的基本原理是将柴油机整体 划分为一系列独立的容积进行分析【3 】，包括气缸、排气管、扫气箱和中冷器 等，它们之问通过质能守恒定律相瓦联系，从而建立起整体的容积模型。如 图3 6 所示。 排气阔 气缸 扫气口 涡轮 压气机 中冷器 图3 6 容积法工作过程原理图 制作的主机柴油机容积法模型基于以下假设： 一、主机整体模型中各个容积中的工质均为理想状态下的气体，仅由燃 烧产物和空气组成。忽略液体及固体的体积。 二、在任一瞬间气体都是混合均匀的，而且容积内各处的温度压力相同。 1 0 ， 第二章船舶柴油机土机数! 学模型的建立 三、气缸内气体流动稳定，忽略波动产生的影响。 假没成立后，模型便可以用三个基本参量：工质质量( m ) 、气体压力( p ) 和温度( t ) 来确定各个容积内的工作状念。用能量守恒、质量守恒和气体状态 方程建立联合方程组，便可得到卡机工作的基本数学模型。 3 2 2 气缸内工作过程的计算 主机运行时各个气缸内的工作过程包含了物理、化学、传热等非常复杂 的变化过程，不同工质问的热力学性质有很大差别。因此，必须在进行柴油 机主机模型工作过程仿真自订旨先弄清气体工质的成分及热力学性质。 3 2 2 。1 工质的成分 主机气缸内的工作循环过稃中工质的成分不是一成不变的，而是随运作 时间在不断变化。缸内工质是很多复杂化学成分的混合气体，前文已做假设 将工质看作燃烧产物和空气这两种理想气体的混合气体，由于已知两种气体 各自的物理性质，所以只要计算出两种气体在瞬时i h j 的含量就可以方便的得 到缸内工质的近似热力性质。 普通二冲程主机燃油燃烧产物的分予量约为2 9 1 3 【5 】( 论文取值2 9 1 3 ) 。用 过量空气系数口。来表达工质气体成分。其定义为：某一瞬时气缸内空气量与 缸内的燃烧产物所对应的燃油完全燃烧所需要的空气质量的比，表达为数学 式： 以。：冬竺巫 ( 3 1 ) 以 2 一 l j i j l 0 m f zk 等=去等一历mz2面dzkl m 2 ， d 9 of zkd 9l o mfz ：d 9 式中，m ：为瞬时气缸内= 1 ：质的质量；m ，为每缸的循环供油质量；以为 瞬时缸内气体所龠有的燃烧产物所对应的燃油占循环喷油量的比值；l 。为理 论上每公斤燃油完全燃烧所需要的空气量( 论文柴油机主机所选用的燃油取 值为l 。= 1 4 3 ) ；伊为柴油机曲轴转角( c a ) 。 对主机运行过程经过分析可以轻易得出，气缸燃烧过程中没不存在气体 交换，因此以的变化率，觑。d , 就等于燃油燃烧的速率，即瞬时燃烧的燃 油质量占喷入气缸燃油质量的比值： d z t 肛缈= a z a 早, ( 3 3 ) 在排气过程中，理想下喷入燃油已经完全燃烧，此时以的变化率即为排 出废气中所含燃烧产物比值的变化率，表达为式3 4 ： 盟：x kd i n e ( 3 4 ) d 9 m 7d 9 ii o lr if i l-。-p 青岛人。学硕十学位沦文 其中，d m 。a q , 为排气阀排出的气体流量。 而在压缩和膨胀过程中，即无燃烧也无气体交换，因此以变化率为o 。 3 2 2 2 工质的热力学性质 前文叙述，工质的气体分子量和气体常数利用理想混合气体理论。依据 前人总结，缸内工质气体常数r ，与分子量m ，可以分别写做以过量空气系数 为参数的数学表达式。其近似计算公式： r ：= g 书( 2 9 2 6 4 7 0 0 4 0 2 a ) ( 3 5 ) r n ：= 2 8 9 7 0 5 一o 0 4 0 3 a i ( 3 6 ) 其中，g 为重力加速度，论文取值为9 8 。 根据热力学知识，在理想状念下，气体的绝热指数、定容、定压比热等 参数是气体温度的函数。根据| j 人总结，以温度及过量空气系数为参数町以 得到缸内工质热力学性质的数学公式【3 1 。其中，理想气体瞬时绝热指数k ，的 串山公式为： k ：= 1 4 3 7 3 - 1 318 ) 1 0 4 t + 3 1 2 x1 0 8 t 2 - 4 8 1 0 a 女 ( 3 7 ) 工质气体的定容比热c 。、定压比热c 。分别为： c 。= r ：( 尼：一1 ) ( 3 8 ) c 。= r ：k ：( k ：一1 ) ( 3 9 ) 得到了缸内工质的成分及热力学性质后，就可以按照辛机运动舰律，根 据质能守恒定律列出气缸内的皋本方程。 3 2 3 气缸工作过程基本方程 无论在任何工作状态下，都可以依据能量守恒( 式3 1 0 ) 、质量守恒( 式3 1 1 ) 和理想气体状态方程f 式3 1 2 ) 来描述缸内气体工质的变化过程，进而得到缸内 工作过程的基本数学模型： 塑世：堕+ 堕办，一堕j i z 。一盟他华 ( 3 1 0 ) d qd ( pd ( p 5 d ( p 。d ( pd 口 、 堕：亟一堕+ 字 ( 3 j1 ) d ( pd ( pd ( p 7 d 、 p ：圪= m ：r ：t z ( 3 1 2 ) 其中，“：为气体工质的内能；q ，为燃油燃烧所释放的热能；m ，为进入 气缸的气体质量；h ，为扫气箱内气体比焙；m 。为排出的废气质量；h 。为废气 气体比焓：q 。为被冷却介质带走的热能；t 为缸内温度；p ：为缸内气压；t 为气缸容积；z 为已经燃烧燃油与循环喷入气缸燃油总量的比值；r ：为缸内 工质气体常数；m 为缸内工质气体分子量。 1 2 ， i 一 j 第二章船舶柴油机土机数学模i ! 的建征 式( 3 1 0 ) 为气缸能量守恒方程，可以理解为：缸内工质能量的变化 d ( m ：“：) d 伊划分为五部分，燃油燃烧释放的热能d q ，d 9 ：进入气缸的空气 带入的热量h 。d m ，a q , ；废气排放及冷却介质带走的热能一h 。d m 。d 汐、 一坦。a q , 与缸内气体对活塞所做的功一p ：d 屹d 缈，其工作过程示意图如图 3 7 所示。 d m ， d 够 图3 7 气缸内能量守恒简图 式( 3 1 1 ) 为缸内质量守恒方程，可以理解为：缸内工质质量的变化 d m ：a q , 划分为三部分，扫气时进入气缸气体的质量锄。d 缈；已燃烧燃油的 质量一g ，a z d 妒；以及排出废气的质量一锄，a q , 。 模型中求解气缸温度和压力有两种思路：一种是先得到压力增量以及下 一步长的缸内压力，再由状态方程求得气体温度；或是先算温度增量和下一 步气体温度，后求解缸内气体压力，后种方法计算相对简瞥，这罩采用先求 温度再求压力的方式。式( 3 11 ) 左半部分展，1 ： 等笋毯等+ 研：薏器+ m ：瓦a u z 瓦d a k c 3 m ， d p 2 d ( p 2 a t ，d 妒 2 a n 。d p 、。 其中锄：c 3 a 。和i 3 u ：a t 可以将整理成工质温度t 和过量空声e 系数a 。的 函数表达式，求解偏导【m 】。模型计算中a 。对内能“，的影响可以忽略不记：即 o u ；a a 。= o 。其中o u ：a t 为工质的定容比热，即c 。= a u ：a t 。可以简化式 。( 3 1 3 ) 为： 警掣- - c v m z r z 要+ m , c v z 要 ( 3 1 4 ) 其中，c 为主机气缸燃烧产物的定容比热。 把式( 3 1 4 ) 代入式( 3 1 0 ) ，合并、移项整理就能得到求解工质温度的数学 公式： 1 3 ji，l-r -_-r，0k r， 青岛人学硕十学何论文 等= c 等+ 等卜等p 等他等t 等，去m c ，5 ， d p、d pd p 5 d d p l2 d p ”z d p 。， 、。 完成了这一步，求解温度变化规律的数学表达式已经确定，不过想要能 最终求解，还远远不够。根据式3 1 5 还必须要得到瞬时燃油燃烧放热规律 d q ，d 缈，进气质量变化率d m ，d q , ，排气质量变化率d m 。d 缈，冷却介质带 走的瞬时热能d q 。d e 以及缸内气体对活塞所做的功p ：d 屹d 缈。下文将对各 个所需参数逐一进行分析。 3 2 4 气缸工作容积 气缸内的体积是随着活塞的运动而不断变化的，它对缸内工质的热力学 性质影响非常大。在已知主机的单个气缸缸径d ，活塞行程s ，连杆曲柄比s 以及气缸压缩比元的日仃提下( 论文主机具体参数值见附录) ，依据几何关系及 曲柄连杆运动学，考虑到缸内余隙，可以得到缸内工作容积，数学表达式写 做式3 1 6 ： 屹= 譬净北卅似蒯7 + 三眄 b 旧 其中妒为瞬时曲柄所处的角度。缈( o 2 x ) 。 对上式( 3 1 6 ) 进行求导，便可以求得缸内容积的变化规律： d t 一万2 d 2 s 刀汐8 18 0s i n ( 焉8 0 妒心 i 护l + 一 i1 2 s i n ( 。磊却 冈 ( 3 1 7 ) 3 2 5 燃烧放热规律 燃烧过程的模拟是模型j 】二作当中最重要的环节，燃烧放热的模拟结果决 定了主机模型的精确程度。而主机气缸内的工质燃烧过程是一个极为复杂的 化学反映过程，以当前的认识水平还不足以用明确的数学公式进行精确地模 拟。事实上，根据前人的研究成果，使用零维模型计算结果的精度并不逊色 于多维模型。论文采用零维建模，可以保证精确度的同时避免了不必要的大 量计算。 二 。 在仿真计算过程中，模型忽略循环喷油的规律，即假定循环过程中燃油 在瞬间全部喷入气缸，而后依据模型中事先设定好的放热规律进行模拟燃烧 放热，来改变缸内工