低速船用柴油機瞬時扭矩預(yù)測模型與系統(tǒng)仿真

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1、49卷第1期(總第180期)中國造船Vol.49No.1(SerialNo.180)2008年3月SHIPBUILDINGOFCHINAMar.2008文章編號:100024882(2008)01200972006低速船用柴油機瞬時扭矩預(yù)測模型與系統(tǒng)仿真12王海燕,張均東(1.上海海事大學(xué)輪機工程系,上海200135;2.大連海事大學(xué)輪機工程學(xué)院,遼寧大連116026)摘要輸出扭矩是柴油機電控和狀態(tài)觀測的一個重要參數(shù)。由于非接觸式動態(tài)扭矩傳感器價格高昂,不適合大規(guī)模的扭矩測量應(yīng)用,因此,建立準確的扭矩模型是克服這一困難的捷徑,對控制和狀態(tài)觀測都具有重要的意義。在常用于穩(wěn)態(tài)仿真的容積法

2、模型基礎(chǔ)上,結(jié)合曲柄連桿機的動力學(xué)模型,建立了大型低速船用柴油機的扭矩預(yù)測模型;采用線性插值法簡化燃油燃燒放熱規(guī)律參數(shù)的計算;借助“濃排氣”模型提高掃氣過程的計算速度;并以6S60MC大型低速船用柴油主機為例,進行了仿真計算。結(jié)果顯示,仿真示功圖與實測圖基本吻合,可準確預(yù)測多缸柴油機扭矩的變化。關(guān)鍵詞:船舶、艦船工程;船用柴油機;扭矩預(yù)測;容積法模型;曲柄連桿機構(gòu)中圖分類號:U664.121;TK421文獻標識碼:A1引言柴油機單缸壓力和輸出扭矩信息可應(yīng)用于扭矩跟蹤控制、瞬時空燃比調(diào)節(jié)、噴油正時、怠速控制及[1]氣缸不發(fā)火、非正常燃燒檢測等多個控制和故障診斷問題。船用柴油機推進系統(tǒng)運

3、行環(huán)境復(fù)雜多變,[2]對應(yīng)于不同的海況有不同的工作區(qū),這對于研究其合理的自適應(yīng)控制系統(tǒng)具有重要意義。盡管可以利[3]用非接觸式動態(tài)扭矩傳感器測量扭矩,但因價格太高,不適合大規(guī)模應(yīng)用,因此須要建立準確的柴油機扭矩模型進行控制、狀態(tài)觀測、故障診斷算法的設(shè)計、仿真和驗證。[4]HENDRICKSE在1989年提出的循環(huán)平均值模型,被廣泛應(yīng)用于柴油機非線性控制與狀態(tài)觀[5]測,但未能體現(xiàn)各缸內(nèi)氣體壓力的變化,因此無法給出瞬時扭矩信息。容積法模型可準確預(yù)測氣缸內(nèi)[6]氣體壓力的變化,被廣泛應(yīng)用于柴油機穩(wěn)態(tài)工作過程仿真,但因缺少柴油機動力學(xué)模型,不能進行動[7]態(tài)仿真。SONG建立了多缸柴油機曲

4、柄連桿機構(gòu)仿真模型,但沒有涉及氣缸內(nèi)壓力的計算。[8]FALCONEP等人從燃燒模型出發(fā),得到扭矩模型,并進行了仿真計算,但其研究對象是小型機且未包含缸內(nèi)工作過程。由于現(xiàn)有模型存在上述不足,因此,有必要深入研究,建立完整的柴油機瞬時扭矩預(yù)測模型,以便更好地滿足現(xiàn)代柴油機控制與狀態(tài)觀測的要求。本文以6S60MC型船用柴油主機為研究對象,對容積法模型做了一些簡化,結(jié)合曲柄連桿機構(gòu)動力學(xué),建立了多缸柴油機的扭矩預(yù)測模型,并進行了仿真計算。2扭矩預(yù)測模型燃油在氣缸內(nèi)燃燒,使氣體溫度、壓力升高,推動活塞運動。作用在活塞上的氣體力,通過曲柄連桿機構(gòu)傳遞到曲軸,推動曲軸做功,產(chǎn)生輸出扭矩。收稿日期

5、:2006203215;修改稿收稿日期:2006208210基金項目:高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(項目編號:20030151005,)98中國造船學(xué)術(shù)論文2.1氣缸內(nèi)瞬時壓力的計算假設(shè)氣缸內(nèi)工質(zhì)是理想氣體,在任何一個瞬間都混合均勻,各處的工質(zhì)成分、溫度和壓力都是相同的,可用三個基本參量,即質(zhì)量(m)、溫度(T)和壓力(p)來表示氣缸內(nèi)的氣體工質(zhì)的狀態(tài)。根據(jù)能量和質(zhì)量守恒及理想氣體狀態(tài)方程把整個工作過程聯(lián)系起來,得到氣缸內(nèi)工作過程的基本數(shù)學(xué)模型:d(mzUz)dQfdmsdmedQwdVz=+hs-he--pz(1)dUdUdUdUdUdUdmzdmsdmedV=-+gf(2)dU

6、dUdUdUpzVz=mzRzTz(3)式中mz為氣缸內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量;Uz為單位質(zhì)量工質(zhì)的內(nèi)能;Qf為噴入氣缸的燃油帶入的熱量;ms為進入氣缸的氣體質(zhì)量;hs為掃氣氣體的比焓;me為排出的廢氣質(zhì)量;he為廢氣的比焓;Qw為冷卻介質(zhì)帶走的熱量;pz為氣缸內(nèi)氣體壓力;Vz為氣缸容積;gf為單缸單循環(huán)供油量;V為已燃燒燃油占總?cè)加偷馁|(zhì)量份數(shù);Rz為氣缸內(nèi)工質(zhì)氣體常數(shù);Tz為氣缸內(nèi)氣體溫度;U為曲軸轉(zhuǎn)角。式(1)為氣缸內(nèi)的能量守恒方程,表示氣缸內(nèi)工質(zhì)能量的變化率d(mzUz)?dU等于噴入的燃油帶入的熱流量dQf?dU加上進入氣缸的氣體帶入的熱流量hsdms?dU,減去由廢氣和冷卻介質(zhì)帶走的熱流

7、量hedme?dU和dQw?dU及氣體對活塞做功功率pzdVz?dU,如圖1所示。式(2)為質(zhì)量守恒方程,氣缸內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量的變化率dmz?dU等于掃氣過程進入氣缸的氣體質(zhì)量流量dms?dU加上燃燒燃油的質(zhì)量速率gfdV?dU減去排出廢氣的質(zhì)量流量dme?dU。式(3)為缸內(nèi)工質(zhì)的氣體狀態(tài)方程。要計算氣缸內(nèi)氣體的壓力,一般是先算出溫度增量及下一步的缸內(nèi)氣體的溫度,再由狀態(tài)方程算出缸內(nèi)氣體的壓力。將式(1)左邊部分展開,整理并簡化得:dTzdQfdmsdme=+