CN103162966A - 一种柴油机推进系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油机推进系统，所述系统包括：柴油机空车起动模块、空载运行模块、接脱排过程模块、航行及换向模块，其中，所述柴油机空车起动模块、空载运行模块、接脱排过程模块、航行及换向模块分别用来模拟柴油机的运行过程，所述系统通过接口装置与仿真计算机通讯，用来实现对船用装置的调试或测试。本发明所述的系统通过仿真接口装置，可以用于对船用柴油机电子调速器等设备进行实验室测试，该系统具有实时性好，功能丰富，可靠性高的优点。

Description

一种柴油机推进系统

技术领域

本发明属于柴油机技术领域，具体地说更涉及一种柴油机推进系统。

背景技术

目前，船用柴油机调速器大都采用基于软件编程的数字式电子调速器。由于数字控制的引入，必然会带来量化误差、舍入误差和附加时间延迟等所造成的非线性因素。因此，在船用调速器研发和出厂前必须针对柴油机瞬变工况下的动态特性进行联机测试。现有的两种用于电子调速器测试的方法如下：

1、在船用柴油机试车台上直接进行电子调速器的参数整定和性能测试；

2、通过计算机仿真试验装置进行电子调速器的参数整定和性能测试。

第一种测试技术主要问题在于大型柴油机现场测试不便于进行操作，长时间的测试必然造成大量的能源消耗，测试费用较高。第二种测试技术虽然能够解决测试的经济问题，但由于仿真系统模型过于简单，仅能对系统的平均转速变化进行仿真，无法对柴油机真实起动过程和瞬时转速进行模拟，仿真与实际相差较大。因此，需要一种能够反映柴油机推进系统真实工作情况的仿真系统。

发明内容

本发明实施例的目的在于针对上述现有技术中存在的不足，提供一种新的船用柴油机推进系统。

为了达到上述发明目的，本发明实施例提出的一种柴油机推进系统，是通过以下技术方案实现的：

一种柴油机推进系统，所述系统包括：

柴油机空车起动模块、空载运行模块、接脱排过程模块、航行及换向模块，其中，所述柴油机空车起动模块、空载运行模块、接脱排过程模块、航行及换向模块分别用来模拟柴油机的运行过程，所述系统通过接口装置与仿真计算机通讯，用来实现对船用装置的调试或测试；

所述柴油机空车起动模块包括压缩空气起动子模块，起动油量供油子模块，转速调节子模块，其中，所述压缩空气起动子模块采用斜坡函数表示柴油机转速变化情况模拟瞬态转速，所述转速通过以下公式模拟：

$n=\frac{80t}{-0.1p+0.45},p\∈\left[\mathrm{1.2,3}\right].$

式中，p-起动空气压力，t-时间，n-柴油机转速；

所述起动油量供油子模块采用以下公式描述柴油机空载摩擦力矩M_f与柴油机转速n之间关系：

$M_f=(\frac{1}{3}+\frac{2}{3}\×\frac{n}{n_0})\×M_{f_0}$

式中，

-空载柴油机稳定时柴油机的摩擦力矩，n-柴油机空载转速；n₀-为柴油机空载怠速转速；

所述转速调节子模块利用以下公式描述电子调速器的液压执行器：

$G\left(s\right)=\frac{80s+2500}{s^2+80s+2500}$

优选地，所述空载运行模块利用三阶傅里叶级数对柴油机转速曲线进行拟合，柴油机实际转速模拟方程如下：

f(x)＝250.2-3.544cos(ωx)+2.469sin(ωx)+2.671cos(2ωx)+3.448sin(2ωx)+0.7128cos(3ωx)-0.3921sin(3ωx)

其中，ω是系统的转角频率。

优选地，所述接脱排过程模块具体包括摩擦片离合器子模块、轴系子模块、调距浆水动力子模块。

优选地，所述摩擦片离合器子模块的齿轮箱摩擦扭矩传递方程为：

M_出＝(M_入1+M_入2-M_f)·i·η_GB＝M_入·i·η_GB

式中，M_出-齿轮箱输出扭矩，M_入1、M_入2-齿轮箱输入扭矩，M_f-齿轮箱摩擦损失扭矩，η_GB-齿轮箱效率。

优选地，所述轴系子模块轴系传递方程表示为：

其中，M_入为柴油机为轴系输入扭矩，Mf为轴系摩擦力矩，J为轴系的转动惯量，n为轴系转速；

轴系摩擦损失传递方程表示为：

$M_f=(\frac{1}{3}+\frac{2}{3}\·\frac{n}{n_H})\·M_{\mathrm{fH}}.$

式中，n-轴系转速，nH-轴系额定转速，Mf-轴系摩擦扭矩，MfH-在额定转速下的轴系摩擦扭矩。

优选地，所述调距桨水动力子模块结合柴油机转速的实际变化，在接排的瞬间采用能量平衡的原理建立仿真模型，接排瞬间的能量平衡公式如下：

$\frac{1}{2}{J}_1{\left({2\mathrm{\πn}}_1\right)}^2=\frac{1}{2}{J}_2{\left(2{\mathrm{\πn}}_2\right)}^2.$

式中，n1-接排前的柴油机转速，J1-接排前的柴油机转动惯量，n2-接排后的柴油机转速，J2-接排后的柴油机系统的转动惯量。

优选地，所述行驶及换向模块根据车令表要求的转速和螺距的对应关系进行螺距比调节。

优选地，所述行驶及换向模块包括采用倒车过程模型、正常换向过程模型、船桨水动力模型和船舶运动模型。

本发明实施例所述船用柴油机推进系统，可实现仿真真实性高、实时性好，测试功能全的仿真测试。通过仿真接口装置，本发明实施例可以用于对船用柴油机电子调速器等设备进行实验室测试，该系统具有实时性好，功能丰富，可靠性高的优点。

附图说明

通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1为本发明实施例柴油机推进系统示意图；

图2为本发明实施例柴油机空车起动第一阶段Simulink图；

图3为本发明实施例柴油机起动油量供油阶段计算过程示意图；

图4为本发明实施例转速调节阶段的调速器示意图；

图5为本发明实施例柴油机空车起动第二和第三阶段的Simulink图；

图6为本发明实施例空车起动逻辑流程图；

图7为采用本发明实施例给出的模拟方法建立的柴油机实际转速模型示意图；

图8为本发明实施例利用傅里叶级数得到的模块与柴油机实际转速的对比曲线图；

图9为本发明实施例带摩擦片离合器的齿轮箱模型示意图；

图10为本发明实施例轴系子模块模型示意图；

图11为本发明实施例考虑能量平衡后的接排仿真模拟曲线和柴油机实测转速输出曲线对比示意图；

图12为本发明实施例脱排过程柴油机转速曲线；

图13为本发明实施例柴油机转速和螺距比按照车令表变化的模型示意图；

图14a-14d为本发明实施例正常换向仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种船用柴油机推进系统，该系统包括空车起动模块、空载运行模块、接脱排过程模块、行驶和换向模块，该系统用以实现模拟柴油机的运行过程，并通过接口装置与仿真计算机通讯，可实现对电子调速器等船用装置的调试和测试。

作为本发明实施的实例，下面以16PC2-6柴油机为例详细介绍本发明所述系统的建立，16PC2-6柴油机的具体参数如下：

型号：HHM-SEMT Pielstick 16PC2-6

缸径：400mm

行程：460mm

冲程数：4

缸数：16

形式：V型(V角45°)

调速器具体参数如下：

型号Woodward PGA70-EG

起动方式：压缩空气双排启动

起动空气压力：3.0MPa～1.2MPa

起动时间：

冷机≤10秒(滑油、淡水的温度20℃～30℃)

热机≤5秒(滑油的温度≥45℃，淡水的温度≥60℃)

最大发火转速：80r/min

1、空车起动模块

柴油机空车起动过程分为三个阶段，各阶段模拟模块如下：

第一阶段：压缩空气起动子模块，用来描述压缩空气起动阶段，此阶段的仿真模型图如图2所示。

在此阶段，主起动阀打开，压缩空气通过空气分配器依次进入柴油机各气缸，推动活塞，主机转速上升，达到发火转速，约为80rpm。

在压缩空气起动过程中，柴油机转速快速上升，本发明实施例采用斜坡函数来表示柴油机转速变化情况。这里，斜坡函数的斜率与起动空气压力有关，当起动空气压力在1.2～3Mpa之间时，柴油机可以在极短时间内达到发火转速80r/min，当起动压力低于1.2Mpa时柴油机起动失败。故该过程可表示为斜坡函数：

n＝f(p，t)

根据实船测试数据，当起动空气压力为3Mpa时，柴油机在0.15s内达到80r/min；当起动空气压力1.2Mpa时，柴油机在0.33s内达到80r/min。因此发火转速时间tk按以下方程计算：

t_k＝-0.1p+0.45，p∈[1.2，3]

式中p为起动空气压力。

由此可实现转速模拟，

$n=\frac{80t}{-0.1p+0.45},p\∈\left[\mathrm{1.2,3}\right].$

式中：

p-起动空气压力；

t-时间；

n-柴油机转速。

第二阶段：起动油量供油子模块，用来描述起动油量供油阶段。在此阶段，主起动阀关闭，停止供气，转入起动油量供油阶段，油量恒定(40％满油门位置)。柴油机爆发做功，转速达到起动成功转速，约为250rpm。如图3所示为柴油机起动油量供油阶段计算过程示意图。

一般情况下，柴油机转速达到空载怠速转速时(稳态)，油门位置在20％(其中5％是空行程)；当柴油机转速达到额定转速(约为520rpm)时，油门位置在80％(其中5％是空行程)。

在本发明所描述系统中，柴油机空载摩擦力矩M_f与柴油机转速n之间关系通过下式描述：

$M_f=(\frac{1}{3}+\frac{2}{3}\×\frac{n}{n_0})\×M_{f_0}$

式中，-空载柴油机稳定时柴油机的摩擦力矩；

n-柴油机空载转速；

n₀-为柴油机空载怠速转速。

本系统将空载柴油机描述为：

$G\left(s\right)=\frac{K_2{e}^{-t_{a}s}}{K_1+T_{a}S}$

考虑到16PC2-6型柴油机的延迟，取td＝200ms。因此得到空载柴油机计算方程：

$G\left(s\right)=\frac{e^{-0.2s}}{0.8s+1}$

第三阶段：转速调节子模块，用来描述转速调节阶段，如图4所示为转速调节阶段的调速器示意图。

在此阶段，调速器通过调节供油量来调节转速，使其稳定在操作手柄给定的怠速上，约为250rpm。本方法将柴油机电子调速器的液压执行器描述为：

$G\left(s\right)=\frac{2\mathrm{\ξ}{w}_{n}S+w_n^2}{S^2+2\mathrm{\ξ}{w}_{n}S+w_n^2}$

根据工程设计中常取ξ∈[0.4，0.8]。在这里不妨取ξ＝0.8，误差限为0.02。则根据执行机构的调整时间：

$t_s=\frac{4}{\mathrm{\ξ}{w}_n}\≤0.1s$

求得w_n＝50rad/s。上升时间为

$t_r=\frac{1+1.1\mathrm{\ξ}+1.4{\mathrm{\ξ}}^2}{w_n}$

令t_r＝0.08s，求得由此得到电子调速器的液压执行器的模拟方程为：

$G\left(s\right)=\frac{80s+2500}{s^2+80s+2500}$

因此，如图5所示为根据以上模拟方程建立的柴油机起动第二、第三阶段的柴油机系统仿真模块图，而整个过程的流程图如图6所示。

2、空载运行模块

由现场采集的柴油机正常工作状态下的转速输出波形可知，柴油机转速的变化是在保持一定的平均转速情况下，呈现类似周期性变化。目前已有的柴油机模拟方法都忽略了这一现象。本系统根据柴油机实际转速情况，提出采用傅里叶级数(Fourier series)对船用柴油机实际转速进行模拟。

傅里叶级数可表示为：

$f\left(x\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{F}_n{e}^{\mathrm{inx}}$

其中F_n为复振幅，对于实值函数，函数的傅里叶级数可以写成：

$f\left(x\right)=a_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[a_n\cos \left(\mathrm{nx}\right)+b_n\sin \left(\mathrm{nx}\right)]$

其中a_n和b_n是实频分量的振幅。

利用三阶傅里叶级数对柴油机转速曲线进行拟合，得到柴油机实际转速模拟方程如下：

f(x)＝250.2-3.544cos(ωx)+2.469sin(ωx)+2.671cos(2ωx)+3.448sin(2ωx)+0.7128cos(3ωx)-0.3921sin(3ωx)

其中，ω是系统的转角频率，对于不同速度可以用不同值进行设定。

采用本发明给出的模拟方法建立的柴油机实际转速模型如图7所示，利用傅里叶级数得到的模块与柴油机实际转速的对比如图8所示。由此可见，本发明所提出的方法能够对柴油机实际运行情况进行较好的模拟。

3、接脱排过程模块

船舶接脱排过程模块需建立摩擦片离合器、轴系、调距浆水动力子模块：

(1)摩擦片离合器子模块

摩擦片离合器接合后，不允许产生打滑现象，因此无相对滑动，故其输入等于输出。摩擦片离合器脱开后，输入与输出无关。

由此可利用开关量函数对其进行模拟：

齿轮箱转速传递模型方程为：

G(s)＝K

式中，K＝i(齿轮箱速比)。

齿轮箱摩擦扭矩传递方程为：

M_出＝(M_入1+M_入2-M_f)·i·η_GB＝M_入·i·η_GB

式中：

M_出-齿轮箱输出扭矩

M_入1、M_入2-齿轮箱输入扭矩

M_f-齿轮箱摩擦损失扭矩

η_GB-齿轮箱效率

其中η_GB可由工厂提供的摩擦损失试验曲线查得。

采用以上方程建立的带摩擦片离合器的齿轮箱模型如图9所示。

(2)轴系子模块

轴系是功率传递的中间环节，轴系模型输入的是转速和扭矩(功率)，输出的也是转速和扭矩(功率)，但轴系中间有许多支持轴系，因而会带来扭矩摩擦损失，轴系子模块中包含摩擦转矩模型。

轴系传递可由以下方程表示：

其中，M_入为柴油机为轴系输入扭矩，Mf为轴系摩擦力矩，J为轴系的转动惯量，n为轴系转速。轴系的摩擦损失与支撑的情况及轴系的状态有关，一般在建模时用经验公式替代。

轴系摩擦损失可按以下经验公式模拟：

$M_f=(\frac{1}{3}+\frac{2}{3}\·\frac{n}{n_H})\·M_{\mathrm{fH}}.$

式中：

n-轴系转速

nH-轴系额定转速

Mf-轴系摩擦扭矩

MfH-在额定转速下的轴系摩擦扭矩。

轴系子模块模型示意图如图10所示。

(3)调距浆水动力子模块

调距桨水动力子模块即为不同螺距下的螺旋桨水动力子模块，对柴油机接排过程，该系统结合柴油机转速的实际变化，在接排的瞬间采用能量平衡的原理建立仿真模型，符合实际情况。

接排瞬间的能量平衡公式如下：

$\frac{1}{2}{J}_1{\left({2\mathrm{\πn}}_1\right)}^2=\frac{1}{2}{J}_2{\left(2{\mathrm{\πn}}_2\right)}^2.$

式中：

n1-接排前的柴油机转速

J1-接排前的柴油机转动惯量

n2-接排后的柴油机转速

J2-接排后的柴油机系统的转动惯量

(其中包括齿轮箱传动部分的折合转动惯量，轴系、螺旋桨以及螺旋桨附连水等的折合转动惯量)

考虑到接排瞬间柴油机的一部分能量传递到轴系，根据能量守恒定律，柴油机转速瞬时下降到160rpm，油门位置也立刻上升。考虑能量平衡后的接排仿真模拟曲线和柴油机实测转速输出曲线对比如图11所示，可见考虑能量平衡的接排过程模型能够真实反映船舶柴油机接排过程的动态特性。脱排过程柴油机转速曲线如图12所示，模型输出同样与实际柴油机运行情况较为接近。

4、行驶及换向模块

为模拟柴油机推进船舶航行和换向时转速变化情况，模块按热机加减速规律，如表1所示，调整柴油机模块转速输出。

再根据此时允许的加、减速速率把主机转速及螺距调节到车令要求的设定值上，同时结合船舶运动模拟模块可以模拟船舶的运动情况。

模拟模块在进行螺距比调节时，根据车令表要求的转速和螺距的对应关系进行调节。该过程所用螺旋桨的螺距比从-100％变化到100％，共需要30秒。柴油机转速和螺距比按照车令表变化的模型如图13所示。

当模块收到由车钟手柄发出的“前进”到“后退”命令时，模拟系统发出“空车”指令，按正常减速速率把主机转速降至“空车”转速，调距桨螺距也随之从正螺距降至零推力螺距。之后再根据此时允许的加、减速速率把主机转速及螺距调节到车令要求的设定值上。

以“前进三”到“后退三”的过程为例，采用本发明所提出方法对船舶的换向过程进行仿真模拟。换向过程中船舶艉轴转速变化、前进距离变化曲线、柴油机转速变化曲线、螺旋桨螺距变化曲线如图14所示。从仿真结果来看，本研究所提出的多个系统模块能够用于对船舶的仿真模拟。基于所述方法，可实现仿真真实性高、实时性好，测试功能全的仿真测试平台设计。

本发明实施例所述船用柴油机推进系统，可实现仿真真实性高、实时性好，测试功能全的仿真测试。通过仿真接口装置，本发明实施例可以用于对船用柴油机电子调速器等设备进行实验室测试，该系统具有实时性好，功能丰富，可靠性高的优点。

本发明所属领域的一般技术人员可以理解，本发明以上实施例仅为本发明的优选实施例之一，为篇幅限制，这里不能逐一列举所有实施方式，任何可以体现本发明权利要求技术方案的实施，都在本发明的保护范围内。

需要注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在本发明的上述指导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种柴油机推进系统，其特征在于，所述系统包括：

柴油机空车起动模块、空载运行模块、接脱排过程模块、航行及换向模块，其中，所述柴油机空车起动模块、空载运行模块、接脱排过程模块、航行及换向模块分别用来模拟柴油机的运行过程，所述系统通过接口装置与仿真计算机通讯，用来实现对船用装置的调试或测试；

所述柴油机空车起动模块包括压缩空气起动子模块，起动油量供油子模块，转速调节子模块，其中，所述压缩空气起动子模块采用斜坡函数表示柴油机转速变化情况模拟瞬态转速，所述转速通过以下公式模拟：

$n=\frac{80t}{-0.1p+0.45},p\∈\left[\mathrm{1.2,3}\right].$

式中，p-起动空气压力，t-时间，n-柴油机转速；

所述起动油量供油子模块采用以下公式描述柴油机空载摩擦力矩M_f与柴油机转速n之间关系：

$M_f=(\frac{1}{3}+\frac{2}{3}\×\frac{n}{n_0})\×M_{f_0}$

式中，-空载柴油机稳定时柴油机的摩擦力矩，n-柴油机空载转速；n₀-为柴油机空载怠速转速；

所述转速调节子模块利用以下公式描述电子调速器的液压执行器：

$G\left(s\right)=\frac{80s+2500}{s^2+80s+2500}$

2.根据权利要求1所述的柴油机推进系统，其特征在于，所述空载运行模块利用三阶傅里叶级数对柴油机转速曲线进行拟合，柴油机实际转速模拟方程如下：

f(x)＝250.2-3.544cos(ωx)+2.469sin(ωx)+2.671cos(2ωx)+3.448sin(2ωx)+0.7128cos(3ωx)-0.3921sin(3ωx)

其中，ω是系统的转角频率。

3.根据权利要求2所述的柴油机推进系统，其特征在于，所述接脱排过程模块具体包括摩擦片离合器子模块、轴系子模块、调距浆水动力子模块。

4.根据权利要求3所述的柴油机推进系统，其特征在于，所述摩擦片离合器子模块的齿轮箱摩擦扭矩传递方程为：

M_出＝(M_入1+M_入2-M_f)·i·η_GB＝M_入·i·η_GB

式中，M_出-齿轮箱输出扭矩，M_入1、M_入2-齿轮箱输入扭矩，M_f-齿轮箱摩擦损失扭矩，η_GB-齿轮箱效率。

5.根据权利要求3所述的柴油机推进系统，其特征在于，所述轴系子模块轴系传递

其中，M_入为柴油机为轴系输入扭矩，Mf为轴系摩擦力矩，J为轴系的转动惯量，n为轴系转速；

轴系摩擦损失传递方程表示为：

$M_f=(\frac{1}{3}+\frac{2}{3}\·\frac{n}{n_H})\·M_{\mathrm{fH}}.$

式中，n-轴系转速，nH-轴系额定转速，Mf-轴系摩擦扭矩，MfH-在额定转速下的轴系摩擦扭矩。

6.根据权利要求3所述的柴油机推进系统，其特征在于，所述调距桨水动力子模块结合柴油机转速的实际变化，在接排的瞬间采用能量平衡的原理建立仿真模型，接排瞬间的能量平衡公式如下：

$\frac{1}{2}{J}_1{\left({2\mathrm{\πn}}_1\right)}^2=\frac{1}{2}{J}_2{\left(2{\mathrm{\πn}}_2\right)}^2.$

式中，n1-接排前的柴油机转速，J1-接排前的柴油机转动惯量，n2-接排后的柴油机转速，J2-接排后的柴油机系统的转动惯量。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的柴油机推进系统，其特征在于，所述行驶及换向模块根据车令表要求的转速和螺距的对应关系进行螺距比调节。

8.根据权利要求7所述的柴油机推进系统，其特征在于，所述行驶及换向模块包括采用倒车过程模型、正常换向过程模型、船桨水动力模型和船舶运动模型。

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