Wartsila RT—flex58TD flex View系統(tǒng)與系統(tǒng)仿真結(jié)果對(duì)比的研究

袁建斌 邱其清

【摘 要】本文針對(duì)Wartsila RT-flex58TDflex View系統(tǒng)結(jié)果與共軌系統(tǒng)仿真結(jié)果展開(kāi)研究。首先，對(duì)Wartsila 5RT-flex58TD新型船用二沖程船用電控柴油機(jī)的伺服油共軌系統(tǒng)進(jìn)行介紹。其次，根據(jù)流體力學(xué)中有關(guān)的控制方程組，對(duì)伺服油共軌系統(tǒng)的組成部分建立數(shù)學(xué)模型，采用Matlab/Simulink完成共軌系統(tǒng)仿真程序的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行仿真；仿真結(jié)果表明本文所建仿真模型基本正確，與flex View系統(tǒng)結(jié)果相吻合。根據(jù)已建的數(shù)學(xué)模型，使用高級(jí)編程語(yǔ)言Visual C#進(jìn)行編程，研發(fā)伺服油共軌系統(tǒng)的仿真界面。

【關(guān)鍵詞】電控柴油機(jī)；共軌系統(tǒng)；系統(tǒng)仿真

中圖分類(lèi)號(hào)： U664.121 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）21-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.001

【Abstract】In this paper，the simulation results of Wartsila RT-flex58TD system and flex View system is taken into study. Firstly， it mainly interprets common rail system of large marine low-speed two-stroke diesel engine.Secondly， basing on hydromechanics control equations， the mathematical models of the system are established in modularized methods. And the Matlab/Simulink software is chosen to be the simulation tool. The results of simulation are verified. The result of simulation shows that this paper built the model of servo oil common rail system is a correct simulation model， and the simulation results consistent with the actual law system.

【Key words】Electronically Controlled Diesel Engine； Common-rail system； System Simulation

0 引言

由于世界工業(yè)的快速發(fā)展，能源消耗日益加大，導(dǎo)致供需比失衡，同時(shí)也給環(huán)境帶來(lái)了巨大污染，空氣質(zhì)量惡化加重，PM2.5升高，另外廢氣的排放導(dǎo)致全球氣溫變暖引發(fā)海平面上升等，這些問(wèn)題有逐漸加重的趨勢(shì)。近年來(lái)人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)逐漸增加，國(guó)際海事組織（IMO）加強(qiáng)了對(duì)柴油機(jī)燃燒產(chǎn)物中氮氧化合物NOx和硫氧化合物SOx的排放的管理。智能柴油機(jī)利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，靈敏的傳感器、單片機(jī)及相關(guān)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)的監(jiān)控和控制?？墒共裼蜋C(jī)在不同工況下可視廢氣排放達(dá)到最低，滿足國(guó)際和國(guó)內(nèi)法律法規(guī)對(duì)船舶排放的要求。本文研究對(duì)象是Wartsila RT-flex58TD新型智能柴油機(jī)，根據(jù)伺服油共軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理和組成，建立數(shù)學(xué)模型，采用Matlab/Simulink軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與flex View系統(tǒng)結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證仿真模型和結(jié)果的正確性。根據(jù)已建的數(shù)學(xué)模型，采用高級(jí)編程語(yǔ)言Visual C#進(jìn)行編程，研發(fā)伺服油共軌系統(tǒng)的仿真界面。

1 5RT-flex58TD柴油機(jī)伺服油共軌系統(tǒng)

伺服油共軌系統(tǒng)的組成包括伺服油泵、伺服油共軌管系、排氣閥控制單元、排氣閥等部分，WECS-9520作為柴油機(jī)的控制系統(tǒng)，通過(guò)控制排氣閥控制單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣閥運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制和監(jiān)測(cè)，具體控制原理圖如上。

2 伺服油共軌系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

對(duì)共軌系統(tǒng)進(jìn)行合理的抽象和簡(jiǎn)化處理，建立數(shù)學(xué)模型：斜盤(pán)式軸向柱塞液壓泵、伺服油共軌管、排氣閥驅(qū)動(dòng)器、排氣閥等部件，并對(duì)系統(tǒng)做出如下假設(shè)[1-4]：（1）集中容積內(nèi)，當(dāng)狀態(tài)變化后瞬間即達(dá)到平衡狀態(tài)；（2）流體運(yùn)動(dòng)粘度保持不變；（3）不計(jì)管件結(jié)構(gòu)配合面漏泄；（4）忽略由于管路進(jìn)出口局部引進(jìn)的能量損失；（5）當(dāng)?shù)匾羲偃《ㄖ祷蛘叨酥?；?）忽略流動(dòng)摩擦阻力；（7）流體在流動(dòng)過(guò)程中溫度保持恒定不變；（8）各部件不存在彈性形變。

2.1 伺服油泵單個(gè)柱塞腔狀態(tài)方程為：

2.2 VCU控制活塞的數(shù)學(xué)模型

2.3 排氣閥的數(shù)學(xué)模型

排氣閥運(yùn)動(dòng)方程為：

其中，mevr為排氣閥閥桿質(zhì)量，Aeva為排氣閥空氣彈簧作用面積，Pas為排氣閥控制空氣壓力，Pas0為排氣閥控制空氣腔初始?jí)毫?，Vas0為排氣閥控制空氣腔初始容積。

3 伺服油共軌仿真程序設(shè)計(jì)

本文對(duì)伺服油共軌系統(tǒng)運(yùn)行仿真時(shí)所使用的軟件為MATLAB 2013b。利用MATLAB/Simulink 2013b創(chuàng)建伺服油共軌系統(tǒng)的仿真程序[5-7]。

3.1 仿真模型建立

首先，建立幾大部件的分系統(tǒng)，把各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行封裝，組成子系統(tǒng)，之后再根據(jù)實(shí)際情況對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行連接，使得整個(gè)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔明了。其次，對(duì)伺服油共軌系統(tǒng)的臨界條件以及一些數(shù)值進(jìn)行初始化，按照柴油機(jī)的1-4-3-2-5發(fā)火順序在.m文件中對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。最后，行仿真運(yùn)算并對(duì)有關(guān)結(jié)果進(jìn)行分析。

建模時(shí)，首先建立幾大部件的分系統(tǒng)，把各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行封裝，組成子系統(tǒng)，如圖2所示。再根據(jù)實(shí)船把伺服油泵模型、伺服油共軌模型、氣缸模型等進(jìn)行連接，如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔明了，很清楚的展示了各部件之間的相互關(guān)系。

根據(jù)公式（2）建立VCU控制活塞位移仿真框圖，如圖4所示。輸入伺服油軌壓、排氣脈寬和Constant，通過(guò)運(yùn)行仿真處理，最終得到排氣閥（VCU）控制活塞的流量和位移。

3.2 仿真結(jié)果分析

從仿真圖5可以看出，排氣閥從開(kāi)始移動(dòng)到全部打開(kāi)以及由全開(kāi)狀態(tài)到全關(guān)閉狀態(tài)所用時(shí)間很短。從flex View系統(tǒng)調(diào)出的排氣閥實(shí)際打開(kāi)和關(guān)閉曲線圖6可以看出，在實(shí)際運(yùn)行中排氣閥打開(kāi)和關(guān)閉所用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，而且開(kāi)啟時(shí)有波動(dòng)。其原因是由多方面造成的，例如管道阻力、流體的彈性模量、運(yùn)動(dòng)部件的摩擦力、氣體作用力、運(yùn)動(dòng)部件自身重量以及慣性力等。不過(guò)從整體上來(lái)看，仿真所得曲線與flex View系統(tǒng)調(diào)出運(yùn)動(dòng)曲線吻合，說(shuō)明建模合理。

flex View系統(tǒng)只能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柴油機(jī)運(yùn)行參數(shù)從而得到一些曲線，若想改變其中的一些參數(shù)，觀察運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)動(dòng)曲線的變化，是個(gè)非常負(fù)載的過(guò)程。通過(guò)仿真系統(tǒng)則變得非常簡(jiǎn)單，改變模型中的一些參數(shù)，再運(yùn)行仿真，就可以得到不同的仿真曲線，對(duì)一組曲線進(jìn)行分析比較，可以得到不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。例如改變伺服油模塊中伺服油泵的輸入轉(zhuǎn)速，運(yùn)行仿真，就可以得到多個(gè)關(guān)于轉(zhuǎn)速和供油之間相互影響的曲線，如圖7所示，速度越大供油速度越快，供油頻率增加，供油量也越大。通過(guò)對(duì)多個(gè)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)曲線的分析得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。之后在進(jìn)行機(jī)器上進(jìn)行調(diào)整參數(shù)進(jìn)行運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)flex View監(jiān)控系統(tǒng)得到相應(yīng)曲線，進(jìn)行對(duì)比分析，得出調(diào)整方案，使設(shè)備運(yùn)行參數(shù)更加優(yōu)化。

4 伺服油共軌系統(tǒng)仿真器設(shè)計(jì)

應(yīng)用Visual C#編程語(yǔ)言以及.net集成開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)設(shè)計(jì)伺服油共軌系統(tǒng)仿真器。伺服油共軌系統(tǒng)仿真是主機(jī)仿真的一個(gè)重要組成部分，在設(shè)計(jì)時(shí)需要兼顧主機(jī)的其他系統(tǒng)，如燃油系統(tǒng)仿真，啟動(dòng)系統(tǒng)仿真等，為下一步進(jìn)行主機(jī)整體仿真打下基礎(chǔ)。

在設(shè)計(jì)仿真界面時(shí)，要對(duì)整個(gè)界面進(jìn)行規(guī)劃，管系布局合理、組成元件形狀大小適宜以及整體顏色給人舒適感。使用Visual C#和GDI+（Graphics development interface pulse）程序語(yǔ)言在Visual Studio.Net 2010集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)。為了保證仿真系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的流暢性及準(zhǔn)確性，設(shè)定合理的刷新頻率。

首先輸入啟動(dòng)信號(hào)，之后判斷主滑油系統(tǒng)油壓是否建立，接收滑油壓力信號(hào)之后輸入主機(jī)轉(zhuǎn)速，伺服油泵運(yùn)轉(zhuǎn)建立壓力。然后對(duì)安全閥的狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果安全閥起跳，伺服油流回曲軸箱；如果安全閥沒(méi)有起跳，則伺服油進(jìn)入共軌管。在對(duì)共軌電磁閥進(jìn)行判斷，若電磁閥斷電，則工作在下位，伺服油流回曲軸箱；若電磁閥通電，則工作在下位，伺服油進(jìn)入排氣閥控制單元，驅(qū)動(dòng)控制活塞和驅(qū)動(dòng)活塞動(dòng)作，當(dāng)排氣閥驅(qū)動(dòng)液壓管中油壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，推動(dòng)排氣閥動(dòng)作。在Visual C#程序語(yǔ)言采用的程序控制流程圖如圖8所示。

采用Visual Studio.Net 2010集成開(kāi)發(fā)環(huán)境研發(fā)伺服油共軌系統(tǒng)仿真器。第一步是對(duì)圖形控件的編寫(xiě)，使用軟件是圖形設(shè)備接口技術(shù)；接著就是對(duì)控件進(jìn)行合理的分布并設(shè)置控件的屬性；最后，編寫(xiě)代碼完成伺服油系統(tǒng)的調(diào)試。

所得伺服油系統(tǒng)仿真主界面如圖9所示，伺服油系統(tǒng)仿真界面如圖10所示。

5 結(jié)論

船舶智能柴油機(jī)伺服油共軌系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、科技含量高、包含多學(xué)科多領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)。對(duì)其深入研究需要投入大量的精力和時(shí)間，本文僅僅是完成了對(duì)其伺服油共軌系統(tǒng)中幾個(gè)部件的仿真結(jié)果與flex View系統(tǒng)結(jié)果簡(jiǎn)單對(duì)比的研究，在今后的工作中，還需努力去學(xué)習(xí)控制理論相關(guān)的知識(shí)，加大對(duì)控制方面的研究工作。

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