電噴柴油機仿真模型在虛擬仿真系統中的應用研究

王賢濤 張均東 吳昌脈 王博喬

(大連海事大學 遼寧 大連 116026)

0 引 言

輪機模擬器自問世以來便伴隨著計算機軟件技術的開發與升級而不斷更新換代，經過半個世紀的發展，現已成為國內外航海事業不可或缺的基石。建模仿真技術的研究對輪機模擬器有著重要支撐作用，鑒于Simulink優異的可視化建模仿真技術，其在輪機模擬器中有著廣泛的應用。柴油機作為船舶設備的核心，準確、有效的柴油機仿真模型是輪機模擬器實用性、普及性的基礎。近十年來，新型的電控共軌柴油機因其燃燒控制的靈活性、經濟性、高控制精度、運行性能好、采用了計算機的智能控制等優點[1]，得到了廣泛運用。文獻[2-3]對RT-flex機型共軌系統進行了仿真研究；在氣缸燃燒方面，文獻[4-5]進行了基于容積法思想的建模研究。但就應用于模擬器而言還缺少二者聯合仿真的整體模型，本文針對這一問題對整體仿真模型進行了深入研究。

隨著軟件技術的不斷開發與升級，輪機模擬器不僅在二維用戶界面更加友好，協同訓練、智能評估等功能也更具智能化。同時，近年來隨著虛擬現實技術的應用與升級，以其高逼真度、交互更具智能化等特點[6]，極大地提高了人們的沉浸感與情景意識。文獻[7-8]結合虛擬現實技術論證了虛擬仿真系統在教學、海事培訓及考核領域具有較高的研究價值和應用前景；文獻[9]對虛擬機艙布局提出了三種設計方案；文獻[10]對二維軟件與三維虛擬實驗室之間的數據傳輸協議進行了研究，致力于減少時延，滿足實時交互需求。

本文在搭建6RT-Flex58T-D電噴柴油機仿真模型的基礎上，介紹了虛擬仿真系統二維端與三維端的設計原理，基于Visual Studio良好的集成開發環境，使用C#語言編寫腳本，利用3DMax對三維實驗室進行幾何建模，在Unity3D引擎下進行設計，基于UDP協議開發柴油機的虛擬仿真系統，驗證了模型在虛擬仿真系統中控制的準確性。

1 模型組成與分析

本文基于容積法建模思想，將以氣缸作為熱力系統核心的氣缸燃燒模型聯合電噴柴油機獨特的共軌系統，進行整體建模。將氣缸燃燒模型所得的柴油機實時轉速作為共軌系統的模型輸入，通過共軌系統相關狀態及運動方程得到燃油循環噴油量、噴油正時、排氣正時等，并反饋給氣缸燃燒模型，構成整體的模型框架，如圖1所示。其中，氣缸燃燒部分聯合了進、排氣系統，空冷器，廢氣渦輪增壓器等主要組成部分，是一個包含物理、化學、流體、傳熱、傳質等的綜合過程，需要對工質成分、氣體常數、比熱容、絕熱指數、內能、比焓等緊隨燃燒過程而發生變化的工質特性參數，基于能量、質量守恒以及工作狀態方程等建模的理論基礎，進行數學模型的搭建，模擬內燃機工作過程[11]。

圖1 模型組成及整體框架

共軌系統(Common Rail)仿真是以液體流動數學方程為建模基礎進行研究的。燃油共軌模型主要由高壓油泵、中間儲油器、燃油共軌管、ICU控制單元、噴油器組成，本文共軌中的油壓維持在50～70 MPa。供油單元由高效的柱塞式增壓泵組成，通過柴油機曲軸輸出端的齒輪驅動。

高壓油泵柱塞腔的連續方程：

(1)

式中：Vpc、Apc分別為柱塞腔容積和截面積;ρ為燃油密度;hpc為柱塞的升程；Epc為柱塞腔的燃油彈性模量；μpi為燃油泵的進口流量系數；Qia_in為進入中間儲油器的流量；α1、α2為階躍函數；下標pc代表柱塞腔，下標pi代表燃油泵進口。

伺服油共軌系統主要由伺服油泵、收集器、伺服油共軌管、VCU控制單元、排氣閥組成。伺服油泵與柴油機輸出端齒輪連接，可將液壓油加壓到20 MPa，然后供給到伺服油共軌管中，最終達到啟閉液壓排氣閥的目的。

受到共軌管中油量變化的影響，共軌管中伺服油的壓力也隨之變化，主要是由伺服油泵的供油量、排氣閥驅動器動作、氣缸注油器動作、閥件泄油等因素共同決定的，共軌管的狀態方程如下：

(2)

式中：ρc2為伺服油彈性模量;Qcr_in、Qcr_out為流入、流出共軌管流量；μc_to_s為減壓閥流量系數；Pccr為控制油軌壓；τ1、τ2為階躍函數；μs_to_c為單向閥流量系數；下標cr表示伺服油共軌、rv表示減壓閥、cv表示單向閥。

本文為了提升模型的適用性與研究性，將電噴柴油機的高壓共軌機構與氣缸燃燒模型進行聯合建模，采用了三韋博(Vibe)半經驗公式，將三條韋博曲線按一定規則疊加起來，模擬內燃機燃燒規律，使結果更接近于實際情況。將燃油共軌系統輸出的循環噴油量作為燃燒份數，根據曲軸轉角區分、界定燃燒過程。

其中擴散燃燒放熱率：

(3)

式中：md和φB為燃燒品質系數和持續期；φ為曲軸轉角；φZd為擴散燃燒角度。

對缸內熱力過程的數學描述還包括氣缸周壁的傳熱、進排氣流量的計算、氣缸實時容積的計算等，另外還需分別對進、排氣系統，空冷器進行熱力過程描述，得到溫度隨轉角的變化關系式，還需建立渦輪機與壓氣機的數學模型，包括渦輪的質量流量與輸出功、壓氣機質量流量與壓縮功等。對共軌系統，還需對高壓油泵、儲油器、共軌管等主要部件建立相關的連續性方程，限于篇幅，本文不再詳細介紹。

2 仿真模型搭建與驗證

2.1 電噴柴油機仿真模型搭建

柴油機氣缸燃燒部分仿真模型如圖2所示，其相關模塊組成與數學模型描述一致。曲軸模塊，通過對氣缸做功、負載、扭矩、發火狀態，組成曲軸轉速的實時計算模塊；空冷器模塊，主要處理同壓氣機與進氣總管的壓力與質量流量的關系；進、排氣系統模塊，處理溫度和壓力隨曲軸轉速的實時變化關系；渦輪增壓器模塊，連接進、排氣系統，處理流量、溫度與做功的問題；氣缸作為熱力系統的核心，根據曲軸轉角，結合進、排氣系統的質量、溫度關系，需要對周壁散熱，燃油燃燒，氣缸內質量、溫度、壓力，壓縮始點壓力，指示功率，過量空氣系數等做出計算。

圖2 柴油機氣缸燃燒部分仿真模型

在共軌系統中存在各部件初始油壓，油泵、針閥位置等諸多初始設定條件。各缸噴油以及排氣閥動作，按1-5-3-4-2-6的發火順序進行。圖3給出了伺服油共軌管內部模型，其組成與式(2)數學模型描述一致。

圖3 伺服油共軌仿真模型

2.2 仿真模型驗證

在聯合共軌系統模型與氣缸燃燒部分的模型時，將由氣缸部分仿真計算出的柴油機實時轉速作為共軌系統的輸入，并與油泵凸輪轉速進行轉速比處理，對整體模型轉角進行統一。在共軌部分的仿真模型中，對噴油脈寬以及排氣脈寬進行插值運算處理，模擬在特定工況下柴油機的噴油、排氣及燃燒過程。圖4-圖6分別給出了在100%負荷工況下的示功圖、氣缸壓力隨容積變化曲線、燃油共軌壓力波動曲線。

圖4 100%負荷下氣缸壓力示功圖

圖5 100%負荷下氣缸壓力隨容積變化曲線

圖6 100%負荷下燃油共軌壓力波動曲線

由軌壓波動曲線可知，隨曲軸轉動進入噴油期時，初期共軌壓力會出現一個小幅度波動，表明噴油開始，隨著噴油過程，軌壓迅速下降至最低點。噴油結束，在高壓油泵和儲油器的作用下迅速將燃油軌壓恢復至設定值。

燃油共軌系統高壓油泵柱塞升程仿真曲線如圖7所示，可以看出高壓油泵升程曲線可隨柴油機轉速比較柔和且穩定地輸出，A、B兩列油泵呈“V”型布置，其三作用凸輪效率更高，符合實際工作情況。

圖7 高壓燃油泵柱塞升程曲線

根據模型計算得到的各工況仿真數據與柴油機臺架實驗理論參數的對比如表1所示，可以看出誤差基本保持在5%以內，模型精度滿足要求可應用于輪機模擬器虛擬仿真系統。

表1 各典型工況下的仿真數據對比

在柴油機整體模型中，如壓氣機圖譜、軌壓與工況匹配關系等相關數據處理問題上，依靠實驗數據作為特征點值，采用了分段低次插值方法獲取連續的一維或二維圖譜值。

3 虛擬仿真系統的構成

以仿真模型為核心構建輪機模擬器虛擬仿真系統，分為二維模擬軟件和三維虛擬實驗室，采用Socket的方式建立數據通信管道，主要由客戶端、服務端、管理端和仿真模型端組成，系統框架如圖8所示。

圖8 虛擬仿真系統軟件結構

客戶端要求用戶界面功能豐富、美觀和實用，能自適應不同的分辨率大小的窗口。

服務端作為平臺核心，提供統一平臺的基礎支撐數據，如在線用戶、當前狀態等實時數據，并可實時保存當前操作數據和加載歷史保存操作數據，提供場景的初始狀態，同步各客戶端的狀態數據，轉發客戶端之間的通信數據等。

管理端完成對所在計算機上的模型、二維和三維的管理。

仿真模型端基于船舶機艙人-機-環境系統工程理論，建立了數學邏輯與幾何模型庫。

4 虛擬仿真系統開發

4.1 二維模擬軟件結構

仿真程序采用簡單的三層應用程序結構，主要表現為用戶界面層、數學邏輯層(模型層)、數據層，如圖8二維端所示。用戶界面層負責響應用戶操作、監視模型運行狀態，包括兩個主機控制界面(主機本地控制與遙控界面)以及兩個共軌高壓油控制界面。邏輯模型層負責模型的數值與邏輯運算，包括一個主機模型，兩個共軌模型。數據層用于存儲模型運行數據和狀態數據。

在Visual Studio良好的集成開發環境下，首先在.NET Framework平臺上，采用WPF程序結構開發程序界面，使用C#編程語言實現仿真程序的開發，充分發揮.NET Framework的性能。在實際開發中，一些WPF提供的類無法直接滿足要求，需要用自定義類繼承系統提供的類，以添加自己需要的功能，通過XAML實現UI設計和邏輯代碼編寫的真正分離。在編譯時，XAML文件中的代碼也會被編譯成二進制文件嵌入到程序集中。圖9為根據仿真模型制作的二維模擬器顯示界面。

圖9 主機部分二維模擬軟件界面

圖10為主機運行狀態監控界面，也是軟件實現的驗證界面，該界面以曲線圖的形式對主機的各個性能參數進行監視。從運行結果可知，仿真模型在二維端運行良好，與仿真模型驗證階段曲線保持一致。

圖10 主機運行狀態監控界面

4.2 三維虛擬實驗室的搭建

輪機虛擬實驗室是海事教育工作中的重要組成部分，三維虛擬機艙以高擬真度再現機艙環境，為船員培訓機構節省大量成本，極大地提高了航海類學員的實船感，增強了學員的情景意識與感性認識[12]。

由于Unity的開發腳本基于MONO，因此同樣可以使用C#語言進行編寫以滿足與模型端的良好銜接。選取3DMax進行幾何建模，聯合Unity 3D引擎開發三維實訓機艙，可進行自動漫游和通過鼠標鍵盤等輸入接口在場景中手動漫游，手動漫游過程中系統可進行實時碰撞檢測。在三維視景中有實船機艙的真實光照、材質、陰影、碰撞等，具有如材質貼圖疊加、透明、漫反射、環境反射等特效，具備良好的立體顯示效果。利用多種貼圖優化技術來實現模型細節部分的真實顯示效果，使最終的船舶虛擬實驗室在保證具有足夠的真實感的基礎上，同時具有令人滿意的加載速度、畫面平均幀率、內存占有率、交互延遲時間[10]。

虛擬三維視景仿真實驗室的搭建是一個龐大的工程，其制作步驟如圖11所示。

圖11 三維虛擬實驗室搭建流程

資料基礎：依靠現場測量、拍照取材、產品資料等對母型船進行精確的整體結構建模。

模型資源庫的建立：針對具體設備，如閥門、管系、報警燈柱、單元熱加熱器等，建立模型庫，對模型進行標準化設計與管理。

系統布置：按照真實機艙各管道、設備等原理圖，嚴格復原實船系統布置[13]。

漫游設計：主要包含自動漫游與手動漫游，需要對較集中的交互進行分組處理以及增加交互視角、路徑規劃以及碰撞檢測等。

人機交互：進行交互實體行為建模與選擇，通過三維拾取實現對設備的操作和管理，豐富交互內容(如閥門、開關、儀表、觸摸屏等)實現用戶友好的交互功能。

場景優化方案：在充分現實和沉浸的基礎上，采取使虛擬場景圖形平滑和加載速度滿意的方法，對建立的三維模型進行優化處理。主要依靠的優化技術有：模型端的優化技術(功能節點優化、紋理映射優化、實例化建模優化)、編程優化技術(LOD優化技術)等。

輔助功能的設計與開發：機艙設備的導航、系統狀態的保存和加載功能、設備文件管理、故障設置、交互實體信息的實時顯示、虛擬小地圖的展示等，為了適應培訓的需求，還可開發滿足使用的智能評估系統。

資源庫以及主機部分最終渲染效果如圖12所示。

圖12 主機部分三維虛擬實驗室渲染效果

5 虛擬仿真系統的實現

由于虛擬仿真系統的數學與邏輯模型通常集成在二維仿真軟件中，目前主流的輪機模擬器，其配套的機艙虛擬三維視景仿真實驗室一般需與二維仿真軟件通過網絡連接方可實現，因此如何實現二、三維端的實時通信就成為了仿真系統實現的關鍵。

二、三維端以用戶的輸入作為驅動程序的接口，在獲取用戶的輸入操作后，通過模型端的邏輯運算響應并改變程序中模型的狀態，模型狀態改變后，根據底層控制及渲染機制，進一步對二、三維端視圖層進行刷新，反饋用戶。虛擬仿真系統狀態改變基于事件流，采用事件發布-訂閱的軟件框架設計，其邏輯處理流程為事件產生→事件分發→事件處理→狀態更新[10]。

為滿足人機交互的及時性，采用組播的方式在整個系統中實現數據傳輸。數學和邏輯模型端作為服務端，將實時計算的仿真數據發送給所有客戶端，包括同一組播中的二維端、三維端，進行更新交互實體的狀態。同時將來自每個客戶端的操作信息發送回數學和邏輯模型，以人為地插值進行數學和邏輯模型的計算，使其從新狀態運行[6]。

二維模擬軟件與三維虛擬場景之間的傳輸層協議采用的是用戶數據報協議(UDP協議)，UDP協議提供的是一種無連接的數據傳輸服務，其在傳輸數據時無須建立和釋放連接，省去了TCP協議中的3步“握手”過程，從而減少了數據傳輸的開銷和時延，提高了數據傳輸的實時性，滿足實時交互需求[10]。

UDP通信協議的實現由客戶端和服務端組成，二維軟件與三維虛擬實驗室間的通信框架如圖13所示。

圖13 二維端與三維端實時通信框架

通過協議，客戶端對數據報進行打包封裝，通過調用Bind()方法，配置遠程主機IP及端口號，調用Send()方法發送數據報，等待服務器端響應；服務器端對客戶端數據報進行綁定，并調用Recvfrom()方法解析信息，并作出回應，響應客戶端。

無論是三維還是二維界面客戶端，接收服務器信息的方法都是一致的。從服務器接收的狀態信息經過解碼后存儲在CDistributedNetData類中，其中各個成員字段代表了各個節點的狀態，主要分為bool、int和float三種狀態類型，用于記錄開關、多位旋鈕和顯示儀表等多種元器件的狀態變化[14]。三維端主要負責虛擬機艙場景的實時渲染和人機交互，通過實時更新虛擬場景中交互實體的狀態，接收從數學和邏輯模型端發送的實時仿真數據,通過通信協議實現輪機二維軟件與三維虛擬機艙的連接[6]。

6 結 語

本文針對電噴柴油機缺少整體仿真模型而在虛擬仿真系統控制方面存在缺陷這一問題，利用MATLAB/Simulink軟件搭建了電噴柴油機的整體仿真模型，以仿真模型為邏輯控制核心開發了主機部分的虛擬仿真系統。在Visual Studio的集成開發環境下，利用C#語言開發了可視化的二維模擬器軟件，并基于3DMax和Unity3D引擎，開發了主機部分三維虛擬實驗室，實現了基于UDP協議的虛擬仿真系統的實時通信。文章闡明了虛擬仿真系統開發過程的許多關鍵技術問題，仿真簡化了共軌系統相關精密閥件(諸如安全閥、調節閥等)的控制機制，與實機運行存在一些差異，同時由于虛擬仿真環境構筑可能存在的不完整性，在極限區間或特殊情況下可能會出現仿真數據缺失的問題。但就應用于虛擬仿真系統，在反復的調試過程中未出現該極端情況，仿真模型在二維和三維端運行良好，極大地提高了用戶的情景意識。