Wartsila RT—flex58TD flex View系統與系統仿真結果對比的研究

袁建斌 邱其清

【摘 要】本文針對Wartsila RT-flex58TDflex View系統結果與共軌系統仿真結果展開研究。首先，對Wartsila 5RT-flex58TD新型船用二沖程船用電控柴油機的伺服油共軌系統進行介紹。其次，根據流體力學中有關的控制方程組，對伺服油共軌系統的組成部分建立數學模型，采用Matlab/Simulink完成共軌系統仿真程序的設計，并進行仿真；仿真結果表明本文所建仿真模型基本正確，與flex View系統結果相吻合。根據已建的數學模型，使用高級編程語言Visual C#進行編程，研發伺服油共軌系統的仿真界面。

【關鍵詞】電控柴油機；共軌系統；系統仿真

中圖分類號： U664.121 文獻標識碼： A 文章編號： 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

由于世界工業的快速發展，能源消耗日益加大，導致供需比失衡，同時也給環境帶來了巨大污染，空氣質量惡化加重，PM2.5升高，另外廢氣的排放導致全球氣溫變暖引發海平面上升等，這些問題有逐漸加重的趨勢。近年來人們環境保護意識逐漸增加，國際海事組織（IMO）加強了對柴油機燃燒產物中氮氧化合物NOx和硫氧化合物SOx的排放的管理。智能柴油機利用計算機網絡技術，靈敏的傳感器、單片機及相關的軟件來實現對柴油機的監控和控制?？墒共裼蜋C在不同工況下可視廢氣排放達到最低，滿足國際和國內法律法規對船舶排放的要求。本文研究對象是Wartsila RT-flex58TD新型智能柴油機，根據伺服油共軌系統的結構原理和組成，建立數學模型，采用Matlab/Simulink軟件對系統進行仿真，仿真結果與flex View系統結果進行分析，驗證仿真模型和結果的正確性。根據已建的數學模型，采用高級編程語言Visual C#進行編程，研發伺服油共軌系統的仿真界面。

1 5RT-flex58TD柴油機伺服油共軌系統

伺服油共軌系統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作為柴油機的控制系統，通過控制排氣閥控制單元，實現對排氣閥運動狀態的控制和監測，具體控制原理圖如上。

2 伺服油共軌系統數學建模

對共軌系統進行合理的抽象和簡化處理，建立數學模型：斜盤式軸向柱塞液壓泵、伺服油共軌管、排氣閥驅動器、排氣閥等部件，并對系統做出如下假設[1-4]：（1）集中容積內，當狀態變化后瞬間即達到平衡狀態；（2）流體運動粘度保持不變；（3）不計管件結構配合面漏泄；（4）忽略由于管路進出口局部引進的能量損失；（5）當地音速取定值或者端值；（6）忽略流動摩擦阻力；（7）流體在流動過程中溫度保持恒定不變；（8）各部件不存在彈性形變。

2.1 伺服油泵單個柱塞腔狀態方程為：

2.2 VCU控制活塞的數學模型

2.3 排氣閥的數學模型

排氣閥運動方程為：

其中，mevr為排氣閥閥桿質量，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壓力，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計

本文對伺服油共軌系統運行仿真時所使用的軟件為MATLAB 2013b。利用MATLAB/Simulink 2013b創建伺服油共軌系統的仿真程序[5-7]。

3.1 仿真模型建立

首先，建立幾大部件的分系統，把各個系統內部復雜的運動模型進行封裝，組成子系統，之后再根據實際情況對各個系統進行連接，使得整個系統更加簡潔明了。其次，對伺服油共軌系統的臨界條件以及一些數值進行初始化，按照柴油機的1-4-3-2-5發火順序在.m文件中對參數進行設置。最后，行仿真運算并對有關結果進行分析。

建模時，首先建立幾大部件的分系統，把各個系統內部復雜的運動模型進行封裝，組成子系統，如圖2所示。再根據實船把伺服油泵模型、伺服油共軌模型、氣缸模型等進行連接，如圖3所示。整個系統更加簡潔明了，很清楚的展示了各部件之間的相互關系。

根據公式（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，通過運行仿真處理，最終得到排氣閥（VCU）控制活塞的流量和位移。

3.2 仿真結果分析

從仿真圖5可以看出，排氣閥從開始移動到全部打開以及由全開狀態到全關閉狀態所用時間很短。從flex View系統調出的排氣閥實際打開和關閉曲線圖6可以看出，在實際運行中排氣閥打開和關閉所用時間相對較長，而且開啟時有波動。其原因是由多方面造成的，例如管道阻力、流體的彈性模量、運動部件的摩擦力、氣體作用力、運動部件自身重量以及慣性力等。不過從整體上來看，仿真所得曲線與flex View系統調出運動曲線吻合，說明建模合理。

flex View系統只能實時監測柴油機運行參數從而得到一些曲線，若想改變其中的一些參數，觀察運行參數和運動曲線的變化，是個非常負載的過程。通過仿真系統則變得非常簡單，改變模型中的一些參數，再運行仿真，就可以得到不同的仿真曲線，對一組曲線進行分析比較，可以得到不同參數對系統的影響。例如改變伺服油模塊中伺服油泵的輸入轉速，運行仿真，就可以得到多個關于轉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。通過對多個轉速對應曲線的分析得出最優的設計方案。之后在進行機器上進行調整參數進行運行實驗，通過flex View監控系統得到相應曲線，進行對比分析，得出調整方案，使設備運行參數更加優化。

4 伺服油共軌系統仿真器設計

應用Visual C#編程語言以及.net集成開發環境來設計伺服油共軌系統仿真器。伺服油共軌系統仿真是主機仿真的一個重要組成部分，在設計時需要兼顧主機的其他系統，如燃油系統仿真，啟動系統仿真等，為下一步進行主機整體仿真打下基礎。

在設計仿真界面時，要對整個界面進行規劃，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）程序語言在Visual Studio.Net 2010集成開發環境下進行產品研發。為了保證仿真系統運行時的流暢性及準確性，設定合理的刷新頻率。

首先輸入啟動信號，之后判斷主滑油系統油壓是否建立，接收滑油壓力信號之后輸入主機轉速，伺服油泵運轉建立壓力。然后對安全閥的狀態進行判斷，如果安全閥起跳，伺服油流回曲軸箱；如果安全閥沒有起跳，則伺服油進入共軌管。在對共軌電磁閥進行判斷，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，伺服油進入排氣閥控制單元，驅動控制活塞和驅動活塞動作，當排氣閥驅動液壓管中油壓達到規定值時，推動排氣閥動作。在Visual C#程序語言采用的程序控制流程圖如圖8所示。

采用Visual Studio.Net 2010集成開發環境研發伺服油共軌系統仿真器。第一步是對圖形控件的編寫，使用軟件是圖形設備接口技術；接著就是對控件進行合理的分布并設置控件的屬性；最后，編寫代碼完成伺服油系統的調試。

所得伺服油系統仿真主界面如圖9所示，伺服油系統仿真界面如圖10所示。

5 結論

船舶智能柴油機伺服油共軌系統是一個系統結構復雜、科技含量高、包含多學科多領域的復雜系統。對其深入研究需要投入大量的精力和時間，本文僅僅是完成了對其伺服油共軌系統中幾個部件的仿真結果與flex View系統結果簡單對比的研究，在今后的工作中，還需努力去學習控制理論相關的知識，加大對控制方面的研究工作。

【參考文獻】

[1]劉峰.柴油機高壓共軌燃油噴射系統仿真計算研宄：（碩士學位論文）.北京：北京交通大學，2009.

[2]樊艮，王劍平，曹誠等.柴油機高壓共軌系統仿真研宄[J].內燃機，2011.1）：39-40.

[3]楊陽.高壓共軌柴油機電控系統分析與研宄：（碩士學位論文）.上海：上海交通大學，2007.

[4]Seykens X L J，Somers L M T and Baert R S G.Detailed modeling of common rail fuel injection process.MECCA，III，2005：30-39.

[5]Marco Ganser. New Common Rail Systems suited for Diesel Engines from 1 to 5Megawatt： modeling simulations and hardware results. CIMAC Congress 2007.

[6]Coppo M， Dongiovanni C， Negri C. Numerical analysis and experimental investigationof a common-rail type diesel injector，J. Eng. Gas Turb. 2004 （126）：874 - 885.

[7]Zhang Z，Sun Z.Rotational angle based pressure control of a common rail fuel injection system for internal combustion engines， in： Proceedings of the 2009 American Control Conference， St. Louis， MO， 2009：2690-2695.