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轮机模拟器发动机建模方法研究

唐元元  
【摘要】:智能船舶及低排放是当前全世界船舶工业的发展趋势。轮机模拟器作为一套提升海船船员技能的培训系统,在全世界范围内获得广泛的认可和推广应用。轮机模拟器是船舶机舱的数字化表示,具有良好的热、机、电、气系统机理与控制逻辑,友好的交互界面。网络型轮机模拟器可实现与智能船舶的互通互联,为船舶智能机舱研究提供仿真、验证平台,加速智能船舶的研发进度。发动机是船舶的核心设备,是船舶推进系统、电力系统的能量源。发动机设备的建模方法研究是轮机模拟器的重要研究内容。设计了可实现数据共享的模型计算框架。在以前的轮机模拟器中,机舱系统模型的计算数据封闭,无法实现系统的互连和数据信息的二次挖掘。基于对轮机系统和计算机程序设计技术的掌握,剖出了系统输入输出与模型计算的接口面,实现了系统输入输出和计算模型的实体分离和数据互连。基于计算机单播和组播通信技术,实现了模型计算系统实时计算数据的共享和多系统的连接,提供了数据二次挖掘的接口。采用事件触发机制和轮询机制相结合的方式实现输入输出系统的数据更新:采用MVVM模型结构降低系统UI与数据的耦合强度;采用实时加载框架机制降低计算机计算资源和内存资源的占用。完善了船用二冲程发动机的建模方法。通常,在发动机建模时没有区分二冲程发动机和四冲程发动机建模的区别,而采用统一的组件划分方法。实际上,二冲程发动机在活塞上、下行的过程中会将扫气空气吸入或者排挤出由气缸体及气缸下部组成的空间。在这一过程中,扫气空气会在进入燃烧室前受到气缸壁的加热作用而温度升高,而气缸壁也会在扫气冲程之外的曲轴角时间里受到扫气空气的冷却作用。使用BOOST软件分别计算了考虑此结构和未考虑此结构时发动机的整体性能,发现考虑此结构时模型计算精度更高。精度提高幅度最大的三个参数分别为废气总管温度、主机功率、扫气总管温度,提升的幅度分别为5.52%、4.36%、4.13%。给出了一种提高模拟器中二冲程发动机模型计算速度的建模方法。平均值模型即使在高速机中仍能满足实时计算的要求,零维模型在低速机中基本可以满足实时计算的要求但是计算资源占用非常大,不能在模拟器中直接应用。通过调整平均值气缸模型与零维气缸模型的计算频率,加快了发动机模型的计算速度。使用两条直线代替换气过程的压力曲线,进一步提高了模型的计算速度。在MATLAB中建立了此模型并仿真。稳态条件下,改进模型的计算精度与零维模型的计算精度一样。动态条件下,改进模型的计算精度与计算频率相关。当计算频率为5时,动态过程中爆发压力的相对误差仅为0.363%。改进了内燃机燃烧过程中一氧化氮生成模型中燃烧产物浓度的求解方法。在12种燃烧产物的架构中,根据平衡常数法可得到13个非线性方程求解13个未知数。通常使用的Newton-Raphson迭代法对初值和油气当量比十分敏感,计算结果容易发散,计算精度非常低。通过构建非线性方程组的二范数函数,非线性方程组的迭代求解问题转换为最优化问题。对比分析了粒子群优化算法、扰动粒子群优化算法、遗传算法、信赖域折线法在此优化问题上的性能,发现扰动粒子群算法和信赖域折线法的计算精度可达到10-10以上,其他算法的精度在10-1左右。同时发现信赖域折线法对初值不敏感、具有非常高的收敛速度,计算耗时可低至10-2秒的数量级。给出了可同时描述双燃料发动机燃油模式、燃气模式、燃油EGR模式的发动机建模方法。计算放热率模型通常只针对气体燃料或者液体燃料。Wiebe放热率模型为经验公式模型,对燃料类型不敏感,但是校准的模型参数只能针对一种工况。分别对燃油模式和燃气模式25%、50%、75%、85%、100%、110%负荷时Wiebe放热率模型校准后得出燃烧持续期和燃烧速率分布系数随着供油量或供气量变化的良好线性关系。对燃油EGR模式25%、50%、75、100%负荷,EGR率为10%、20%、30%、40%的燃烧放热率使用Wiebe燃烧模型校准后得不到明显的燃烧始点、燃烧持续期、燃烧速率分布系数随负荷和EGR率的变化规律。使用100%负荷时的值为参考值,结合燃油模式和燃气模式下的线性函数和参考点调整,燃油EGR模式下的二维插值可建立出能够同时描述燃油模式、燃气模式、燃油EGR模式的发动机模型。


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