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《低速船用柴油机瞬时扭矩预测模型与系统仿真》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、49卷第1期(总第180期)中国造船Vol.49No.1(SerialNo.180)2008年3月SHIPBUILDINGOFCHINAMar.2008文章编号:100024882(2008)01200972006低速船用柴油机瞬时扭矩预测模型与系统仿真12王海燕,张均东(1.上海海事大学轮机工程系,上海200135;2.大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连116026)摘要输出扭矩是柴油机电控和状态观测的一个重要参数。由于非接触式动态扭矩传感器价格高昂,不适合大规模的扭矩测量应用,因此,建立准确的扭矩模型是克服这一困难的捷径,对控制和状态观测都具有重要的意义。在常用于稳态仿真的容积法
2、模型基础上,结合曲柄连杆机的动力学模型,建立了大型低速船用柴油机的扭矩预测模型;采用线性插值法简化燃油燃烧放热规律参数的计算;借助“浓排气”模型提高扫气过程的计算速度;并以6S60MC大型低速船用柴油主机为例,进行了仿真计算。结果显示,仿真示功图与实测图基本吻合,可准确预测多缸柴油机扭矩的变化。关键词:船舶、舰船工程;船用柴油机;扭矩预测;容积法模型;曲柄连杆机构中图分类号:U664.121;TK421文献标识码:A1引言柴油机单缸压力和输出扭矩信息可应用于扭矩跟踪控制、瞬时空燃比调节、喷油正时、怠速控制及[1]气缸不发火、非正常燃烧检测等多个控制和故障诊断问题。船用柴油机推进系统运
3、行环境复杂多变,[2]对应于不同的海况有不同的工作区,这对于研究其合理的自适应控制系统具有重要意义。尽管可以利[3]用非接触式动态扭矩传感器测量扭矩,但因价格太高,不适合大规模应用,因此须要建立准确的柴油机扭矩模型进行控制、状态观测、故障诊断算法的设计、仿真和验证。[4]HENDRICKSE在1989年提出的循环平均值模型,被广泛应用于柴油机非线性控制与状态观[5]测,但未能体现各缸内气体压力的变化,因此无法给出瞬时扭矩信息。容积法模型可准确预测气缸内[6]气体压力的变化,被广泛应用于柴油机稳态工作过程仿真,但因缺少柴油机动力学模型,不能进行动[7]态仿真。SONG建立了多缸柴油机曲
4、柄连杆机构仿真模型,但没有涉及气缸内压力的计算。[8]FALCONEP等人从燃烧模型出发,得到扭矩模型,并进行了仿真计算,但其研究对象是小型机且未包含缸内工作过程。由于现有模型存在上述不足,因此,有必要深入研究,建立完整的柴油机瞬时扭矩预测模型,以便更好地满足现代柴油机控制与状态观测的要求。本文以6S60MC型船用柴油主机为研究对象,对容积法模型做了一些简化,结合曲柄连杆机构动力学,建立了多缸柴油机的扭矩预测模型,并进行了仿真计算。2扭矩预测模型燃油在气缸内燃烧,使气体温度、压力升高,推动活塞运动。作用在活塞上的气体力,通过曲柄连杆机构传递到曲轴,推动曲轴做功,产生输出扭矩。收稿日期
5、:2006203215;修改稿收稿日期:2006208210基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金(项目编号:20030151005,)98中国造船学术论文2.1气缸内瞬时压力的计算假设气缸内工质是理想气体,在任何一个瞬间都混合均匀,各处的工质成分、温度和压力都是相同的,可用三个基本参量,即质量(m)、温度(T)和压力(p)来表示气缸内的气体工质的状态。根据能量和质量守恒及理想气体状态方程把整个工作过程联系起来,得到气缸内工作过程的基本数学模型:d(mzUz)dQfdmsdmedQwdVz=+hs-he--pz(1)dUdUdUdUdUdUdmzdmsdmedV=-+gf(2)dU
6、dUdUdUpzVz=mzRzTz(3)式中mz为气缸内工质质量;Uz为单位质量工质的内能;Qf为喷入气缸的燃油带入的热量;ms为进入气缸的气体质量;hs为扫气气体的比焓;me为排出的废气质量;he为废气的比焓;Qw为冷却介质带走的热量;pz为气缸内气体压力;Vz为气缸容积;gf为单缸单循环供油量;V为已燃烧燃油占总燃油的质量份数;Rz为气缸内工质气体常数;Tz为气缸内气体温度;U为曲轴转角。式(1)为气缸内的能量守恒方程,表示气缸内工质能量的变化率d(mzUz)ödU等于喷入的燃油带入的热流量dQfödU加上进入气缸的气体带入的热流量hsdmsödU,减去由废气和冷却介质带走的热流
7、量hedmeödU和dQwödU及气体对活塞做功功率pzdVzödU,如图1所示。式(2)为质量守恒方程,气缸内工质质量的变化率dmzödU等于扫气过程进入气缸的气体质量流量dmsödU加上燃烧燃油的质量速率gfdVödU减去排出废气的质量流量dmeödU。式(3)为缸内工质的气体状态方程。要计算气缸内气体的压力,一般是先算出温度增量及下一步的缸内气体的温度,再由状态方程算出缸内气体的压力。将式(1)左边部分展开,整理并简化得:dTzdQfdmsdme=+
