基于Matlab/Simulink的柴油机系统模块化建模与仿真

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(1 浙江省海洋开发研究院，浙江 舟山 316021；2 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

对于柴油机仿真，目前大多数研究人员是根据不同的仿真目的，采用不同的仿真工具和仿真方法，针对某一具体机型，进行建模仿真[1-3]。而当仿真目的改变时，研究人员就不得不重新进行仿真建模[4-6]。为实现柴油机的快速建模，本文以功能为主要划分原则，对柴油机系统进行划分，对划分后形成的柴油机子系统建立对应的子模型，根据模块化思想的要求划分子模型参数类型，规定子模型参数排列顺序，制定模块命名规则，形成具有相同模块构建规则的子模块。然后利用Matlab/Simulink提供的模块库技术，将子模块纳入模块库，从而实现根据不同的仿真目的，调用不同的子模块，组成不同机型进行仿真。并且随着仿真目的的多样化，研究人员还可以将更多的子模块加入到模块库中，也能对现有子模块进行修改，进而完善模块库。

1 柴油机系统模块化建模

1.1 柴油机系统子模块划分及关系分析

根据柴油机系统的典型功能部件，将其划分为压气机子系统、中冷器子系统、进气管子系统、柴油机气缸子系统、排气管子系统、涡轮子系统、增压器转子子系统、调速器子系统、喷油泵子系统，划分后形成的子系统最终形成对应的子模块。柴油机各子模块之间的主要相互联系见图1。

图1 子模块联系

图中T为温度 ,p为压力，q为质量流量 ，n为转速,M为转矩，F为喷油泵齿条位置，下脚标含义见下文。箭头方向表示子模块间主要的输入、输出关系，在用子模块构建柴油机模型时要遵循这些基本关系。由于质量流量贯穿大部分子模块，并且柴油机的正常工作取决于空气质量流量和燃油质量流量的合理配比，因此其是非常重要的输入输出关系。进气质量流量由气缸子模块决定，其加上燃油质量流量等于排气质量流量即涡轮质量流量。

1.2 柴油机系统模块化建模有关规定

原则性规定要满足模块化思想的要求，保证前后形式统一，逻辑关系明晰，减少不必要的重复劳动。

1.2.1 模块命名规则

模块均采用英文单词命名，首字母大写，单词间用下划线“_”连接，同一子系统的子模块在英文单词后用数字1、2、3等区分。

1.2.2 参数定义规则

1) 如没有相关说明，参数均采用国际单位。

2) 为使大量参数之间关系明晰，对参数进行如下分类。

(1)传递参数，模块的输入参数和输出参数。作为模块间的联系参数，为减少在用Simulink进行建模时，模块间连线的交叉，规定主要传递参数的优先级：温度T/K、压力p/Pa、质量流量q/(kg·s-1)，转速n/(r·min-1)、转矩M/(N·m)。同级别的传递参数以下脚标数字1，…，7的顺序进行排列。其它的传递参数均应排列其后。

(2) 结构参数，这类参数如进排气管容积，柴油机总排量，冲程数，缸径等。

(3)初始状态参数，这类参数并不一定都为零，要根据实际情况进行赋值。

(4)试验特性参数，准稳态模型是以大量稳态试验数据为基础的，因此这类参数是进行公式拟合，插值必不可少的参数。

(5)除传递参数外，其余类型的参数都要进行封装。

3) 传递参数下脚标出现数字1，…，7，表示气体流动所处位置，具体参看图1。同理下脚标c表示压气机；t表示涡轮；tc表示增压器；s表示曲轴；f表示燃油；L表示负载。其它类型的参数下脚标出现i表示进气侧，e表示排气侧。

2 柴油机系统模块库构建与管理

2.1 柴油机系统模块库构建

根据对应的数学模型，结合Matlab/Simulink仿真工具，得到各子系统的子模块，见图2。

图2 子模块方框

为有效管理，方便调用这些功能不同的子模块，需要利用Malab/Simulink提供的模块库技术建立柴油机系统模块库。

2.2 柴油机系统模块库管理

为更方便快捷地调用库模块，并明晰简洁地反映柴油机系统模块库内部层次关系，符合Matlab/Simulink的使用习惯，把柴油机系统模块库导入Matlab/Simulink库浏览器。

当需要增加新的库模块时，首先要保证要添加的模块要遵循前面的规定，与现有库模块保持统一，然后向相应的子模块库添加相应的子模块。

3 典型船舶柴油机系统仿真

3.1 12PA6V柴油机仿真

3.1.1 仿真模型建立

从模块库调用模块，构成两种仿真模型。仿真模型1(见图3)用来对稳态工况和突变载荷，突变喷油量的动态工况进行仿真。仿真模型2(见图4)是在仿真模块1的基础上，加上调速器和喷油泵子模块，对保持柴油机转速不变，突变载荷的调速工况进行仿真。

图3 仿真模型1

图4 仿真模型2

3.1.2 仿真结果及分析

为检验仿真模型1动态特性的准确性，首先进行稳态工况的仿真。根据文献[7]给出的实测数据，给出对应的仿真数据，并计算误差(误差等于仿真值与实测值之差，然后除以实测值)，结果见表1。

表1 12PA6V柴油机仿真参数对照表

从表1中可以看出，仿真结果和实测结果接近，各工况点的误差的绝对值均小于4%，说明仿真模型1能满足仿真精度的要求。

应用仿真模型1，在仿真100 s内，在第20 s时，负载由34 193 N·m突卸到28 212 N·m，持续30 s，在第50 s时负载由28 212 N·m突卸到21 532 N·m，持续30 s，在第80 s时负载由21 532 N·m突卸到13 569 N·m；同时，在20 s时喷油量由0.205 kg/s突卸到0.156 kg/s，持续30 s；在50 s时喷油量由0.156 kg/s突卸到0.106 kg/s，持续30 s；在80 s时喷油量由0.106 kg/s突卸到0.053 kg/s，柴油机转速、中冷进气温度、气缸排气平均温度随时间的变化见图5。

图5 变化曲线

由100%负荷逐步过渡到75%，50%，25%，在20、50、80工况突变时，柴油机转速、中冷进气温度、气缸排气平均温度，都应会出现下降趋势。从图5a)、b)、c)可见，由4个工况间逐步过渡时，柴油机转速、中冷进气温度、气缸排气平均温度的变化趋势符合预期，并且直线段的数值与稳态的数值相吻合。其中柴油机转速、中冷进气温度在工况过渡时，是平滑过渡。气缸排气平均温度在20 s时是平滑过渡，在50 s、80 s时出现了突变，并且80 s时突变更明显。这是因为气缸排气平均温度由空燃比和柴油机转速决定，在低转速工况过渡时，空燃比变化剧烈，因此气缸排气平均温度会出现突变。从图5的a)、b)、c)可见，柴油机转速、中冷进气温度、气缸排气平均温度的稳态数值及变化趋势符合实际，从而说明仿真模型1动态特性是准确的。

应用仿真模型2，在仿真100 s内，第30 s时负载由30 000 N·m突加到32 000 N·m，调速器调速保持柴油机转速稳定，柴油机转速随时间的变化情况见图5d)。

在30 s时突加负荷的调速工况下，柴油机转速应出现由下至上的收敛性波动，最终变成一个恒定值，从而调速过程完成。从图5d)可见，柴油机转速的变化趋势符合调速过程的特点，并且调速过程不超过10 s，符合调速过程的要求。

3.2 TBD620V16柴油机仿真

3.2.1 仿真模型建立

采用12PA6V所建仿真模型1，修改相应的参数进行仿真。

3.2.2 仿真结果及分析

根据《TBD620系列柴油机销售技术手册》给出的实测数据，给出对应的仿真数据，见表2。

表2 TBD620V16柴油机仿真参数对照

从表2可见，仿真结果和实测结果接近，各工况点的误差的绝对值均小于2%，说明模型1能满足仿真精度的要求，并且具有通用性，能够对结构形式相似的机型进行仿真。

3.3 MAN B&W6S35MC柴油机仿真

3.3.1 仿真模型建立

本模型在12PA6V所建仿真模型1的基础上，更换了中冷器子模块和气缸子模块，见图6。

3.3.2 仿真结果及分析

根据文献[8]给出的实测数据，给出对应的仿真数据，见表3。

图6 仿真模型

参数项负荷/%25实测仿真误差/%50实测仿真误差/%75实测仿真误差/%100实测仿真误差/%功率/kW1 1291 1582.62 2312 2792.23 3323 311-0.64 4354 4861.1柴油机转速/(r·min-1)1151182.61391422.1159158-0.61731751.2输出转矩/(N·m)93 76793 7670.0153 299153 2990.0200 153200 1530.0244 850244 8500.0扫气温度/K306304-0.7307306-0.3309305-1.3314311-1.0气缸排气平均温度/K564559-0.95735760.55976010.7646641-0.8

从表3中可以看出，仿真结果和实测结果接近，各工况点误差的绝对值均小于3%，说明模型能满足仿真精度的要求。本机型的仿真模型是在已有的仿真模型的基础上通过更换若干构件子模块得到的，由此可见模块化建模可以提高建模效率，快捷地进行建模仿真。

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