船用中速柴油机缸压闭环控制技术仿真研究

收稿日期:2018-04-20 修回日期:2018-06-29基金项目:船用低速机工程(一期)研制项目(船工科ʌ2015ɔ510号);设备运行与维护智能系统开发项目(工信部联装函ʌ2016ɔ544号)F u n dP r o j e c t :R e s e a r c h a n dD e v e l o p m e n t o fM a r i n eL o wS p e e dE n g i n e (P h a s e I )(S h i p b u i l d i n g I n d u s t r y D e p a r t m e n t [2015]N O.510);D e v e l o pm e n t o f I n t e l l i g e n tD e v i c e sO p e r a t i o n a n dM a i n t e n a n c e S y s t e m (M i n i s t r y o f I n d u s t r y an d I n f o r m a t i o n [2016]N O .544)作者简介:唐 俊(1994 ),男,研究生,主要研究方向为船舶动力系统监测㊁诊断与智能控制,E -m a i l :j u n t a n g@w h u t .e d u .c n ;余永华(通信作者),男,教授,主要研究方向为船舶动力系统监测㊁诊断与智能控制,E -m a i l :y yh u a @w h u t .e d u .c n ㊂文章编号:1000-0925(2019)01-0072-07400011船用中速柴油机缸压闭环控制技术仿真研究唐 俊1,余永华1,2,王勤鹏1,2,杨建国1,2(1.武汉理工大学能源与动力工程学院,武汉430063;2.武汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重点实验室,武汉430063)S i m u l a t i o na n dA n a l y s i s o fC l o s e d -L o o p C o n t r o l T e c h n o l o g y fo rM e d i u m S p e e dM a r i n eD i e s e l E n g i n e sB a s e do n I n -C yl i n d e rP r e s s u r e T A N GJ u n 1,Y UY o n g h u a 1,2,W A N G Q i n p e n g 1,2,Y A N GJ i a n gu o 1,2(1.S c h o o l o fE n e r g y a n dP o w e rE n g i n e e r i n g ,W u h a nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,W u h a n430063,C h i n a ;2.K e y L a b o r a t o r y o fM a r i n eP o w e rE n g i n e e r i n g a n dT e c h n o l o g y G r a n t e db y MO T ,W u h a nU n i v e r s i t y of T e c h n o l og y,W u h a n430063,C h i n a )A b s t r a c t :T o e l i m i n a t et h e n e g a t i v e e f f e c t s o fc y l i n d e r -t o -c y l i n d e r u n e v e n n e s sa n d c y c l e -t o -c yc l e v a r i a t i o no f m a r i n ed ie s e le n g i n eo ne n g i n e p e rf o r m a n c e ,v i b r a t i o na n dn o i s e ,t a k i ng a6L 16/24-C Rt y pe m e d i u m s p e e d m a r i n e d i e s e le n g i n e a st h e r e s e a r c h o b j e c t ,a ni n -c y l i n d e r p r e s s u r e b a s e d c l o s e d -l o o pc o m b u s t i o nc o n t r o ls t r a t e g y w a si n v e s t i g a t ed w i t ht h es o f t w a re -i n -l o o p s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y.F i r s t ,a n e n g i n e r e a l -t i m em o d e lw a s e s t a b l i s h e da n dv e r i f i e d ,w h i c hw a s c a p a b l eo f s i m u l a t i n g t h e i n h o m o g e n e i t y o f a l l c y l i n d e r s a n d c y c l e -t o -c yc l ev a r i a t i o n .T h e f e ed b a c kv a r i a b le s t h a t c o u l d i n d i c a t e t h ec o m b u s t i o ns t a t eof e a c hc y l i n d e rw e r ee x t r a c t e df r o mi n -c y l i n d e r p r e s s u r e ,a n dac l o s e d -l o o p c o m b u s t i o nc o n t r o l s t r a t eg y w a s d e v e l o p e db a s e do n th e d yn a m i c i n t e r a c t i o nb e t w e e n t h e c o m b u s t i o n c o n t r o l v a r i a b l e s a n d f e e d b a c kv a r i a b l e s .N e x t ,a s o f t w a r e -i n -l o o p s i m u l a t i o n p l a t f o r m w a sb u i l t o n t h eb a s eo f t h e e n gi n e r e a l -t i m em o d e l ,f e e d b a c k v a r i a b l e s ,c o m b u s t i o nc o n t r o ls t r a t e g y a n df u e l i n j e c t i o nc o n t r o lv a r i a b l e s .F i n a l l y ,t h es i m u l a t i o no ft h e c l o s e d -l o o p c o m b u s t i o nc o n t r o l s t r a t e g y b a s e do n i n -c yl i n d e r p r e s s u r ew a sc o n d u c t e do nt h e p l a t f o r m.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h ed e v e l o p e dc l o s e d -l o o p c o m b u s t i o nc o n t r o l s t r a t e g y b a s e do ni n -c y l i n d e r p r e s s u r ec a n m e e tt h e c o m b u s t i o n c o n t r o lr e q u i r e m e n t s o f m a r i n e e n g i n e s ,a n d a b o u t 99%o fc y l i n d e r -t o -c y l i n d e r u n e v e n n e s s i s r e s t r a i n e d i n t h e s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t .摘要:针对船用柴油机工作不均匀及循环波动对柴油机性能和振动噪声的负面影响问题,以6L 16/24-C R 型船用中速柴油机为对象,使用软件在环仿真技术对缸压闭环控制策略进行仿真分析㊂建立能模拟各缸不均匀性和循环波动的柴油机实时模型,从气缸压力中选取能指示柴油机各缸燃烧状态的反馈变量,根据反馈变量和控制变量之间的动态关系开发缸压闭环控制策略,建立由柴油机实时模型㊁气缸压力反馈变量㊁控制策略和喷油控制变量构成的软件在环仿真平台,在该软件在环仿真平台上对缸压闭环控制策略进行闭环仿真㊂结果表明,开发的缸压闭环控制策略能满足船用柴油机的控制要求,在仿真环境下能改善约99%的各缸不均匀㊂第40卷第1期2019年2月内 燃 机 工 程C h i n e s e I n t e r n a l C o m b u s t i o nE n g i n eE n g i n e e r i n gV o l .40N o .1F e b r u a r y.20192019年第1期内燃机工程关键词:船用中速柴油机;闭环控制;缸压;实时模型K e y w o r d s:m e d i u ms p e e d m a r i n ed i e s e l e n g i n e;c l o s e d-l o o p c o n t r o l;i n-c y l i n d e r p r e s s u r e;r e a l-t i m em o d e lD O I:10.13949/j.c n k i.n r j g c.2019.01.011中图分类号:T K421.6文献标识码:A0概述柴油机加工制造过程中的误差㊁零部件的磨损和老化等容易使柴油机各缸工作不均匀,存在性能优化空间[1]㊂传统柴油机控制系统一般基于试验标定的脉谱图对燃油喷射进行控制,不能随柴油机单缸工作状态的变化修正控制参数㊂气缸压力是柴油机的重要参数,能反映柴油机各缸实际工作状态,利用气缸压力信号中蕴含的丰富信息开发柴油机闭环控制策略,能使各缸工作更均匀,从而优化柴油机的整体性能㊂缸压闭环控制技术最初是为解决均质充量压燃(h o m o g e n e o u s c h a r g e c o m p r e s s i o n i g n i t i o n,H C C I)模式的着火时刻和着火速度难以控制的问题提出来的㊂国内外学者早期针对小型发动机,特别是H C C I 燃烧模式的发动机,进行了缸压闭环控制系统硬件的开发和简单控制策略的实机试验[2-7]㊂随着缸压传感器技术的进步及其成本的降低和人们对柴油机高效㊁可靠和低排放的要求越来越高,船用柴油机也开始探索缸压闭环控制技术的应用㊂同其他类型柴油机控制系统的开发一样,考虑到实机试验的安全性和成本,船用柴油机缸压闭环控制系统在开发过程中也应进行软件在环和硬件在环仿真试验,以验证控制系统的可行性㊂本文以6L16/24-C R型柴油机为对象,开发实时性强㊁功能完善的柴油机实时模型,并与控制策略模块集成,构建船用中速柴油机缸压闭环控制软件在环仿真环境,可为控制策略的可行性研究与验证提供安全㊁高效㊁便捷的平台㊂利用此平台研究船用中速柴油机缸压闭环控制策略对柴油机各缸工作的均匀程度和整体性能的影响规律,为之后的硬件在环仿真和实机试验提供理论依据㊂1柴油机实时模型用于验证缸压闭环控制策略的软件在环仿真系统中,柴油机实时模型极为重要,必须能模拟各缸不均匀性和循环波动,并且在保证实时性的基础上,对喷射脉宽和喷射正时等关键参数的变化做出正确的响应,同时能实时输出各缸缸压等控制量,与缸压闭环控制策略模块形成闭环㊂1.1柴油机系统仿真模型6L16/24-C R型船用中速柴油机主要技术参数见表1㊂柴油机系统仿真模型采用混合控制燃烧模型来预测柴油机的燃烧过程,使用M a r s a g l i a-B r a y 算法模拟循环波动,外加涡轮增压器㊁中冷器㊁进气系统㊁散热系统㊁动力学模块㊁排气系统等模块㊂本文仅对模型中的混合控制燃烧模型和循环波动模拟方法进行介绍㊂表16L16/24-C R型柴油机主要技术参数项目参数缸径/mm160行程/mm240缸数6压缩比15.2标定功率/k W540(1000r/m i n)燃油系统类型高压共轨发火顺序1-2-4-6-5-31.1.1混合控制燃烧模型混合控制燃烧(m i x i n g c o n t r o l l e dc o m b u s t i o n, M C C)模型主要考虑了缸内瞬时燃油质量和湍流动能密度对燃烧放热率的影响,并且描述了预混燃烧阶段㊁燃料喷射㊁壁面效应和燃烧延迟,可根据喷油和换气过程的变化预测柴油机的燃烧放热规律[8-9]㊂燃烧延时阶段考虑到了化学反应和湍流混合过程的时间尺度特性,由A r r h e n i u s公式和M a g n u s s e n 公式共同计算得到㊂之后的预混燃烧阶段反应速率采用式(1)计算㊂d Q p r ed t=C p r e㊃λ㊃l0㊃m f,p r e2V m i x㊃H u㊃e-k2㊃T A T㊃(t-t i g n)2(1)式中,Q p r e为预混燃烧阶段的热量;C p r e为预混燃烧放热标定参数;λ为过量空气系数;l0为化学计量空燃比;m f,p r e为预混阶段燃料质量;V m i x为燃料喷射体积;H u为燃料低热值;k2和T A为A r r h e n i u s放热模型常数;T为缸内温度;(t-t i g n)为燃料引燃后的时间长度㊂㊃37㊃内 燃 机 工 程2019年第1期在柴油机的主要燃烧阶段,即扩散燃烧阶段,模型考虑了燃料质量和湍流动能强度等因素的影响㊂用函数拟合了燃料喷射产生的壁面效应影响因子曲线,用来描述燃料碰壁产生的燃烧延迟㊂通过假设氧气质量浓度和燃烧放热率线性相关,根据燃烧始点缸内的氧气质量浓度计算得到废气再循环对燃烧的影响因子,如式(2)所示㊂d Q d i f f d t =C c o m b ㊃a -b 1+e -φ-φw a l l a r c t a n (α)+b éëêêùûúú㊃λs o cλr e f ㊃H u ㊃m f ,d i f f ,n e t ㊃k3V c yl (2)式中,Q d i f f 为扩散燃烧阶段的热量;C c o m b 为扩散燃烧放热标定参数,需要通过试验来标定,其随转速增加而减小;a ㊁b ㊁α为壁面效应影响因子曲线拟合函数的系数;φ为发动机曲轴转角;φw a l l 为喷雾贯穿距决定的碰壁时刻的曲轴转角;λS O C 为燃烧始点缸内的氧气质量浓度;λr e f 为新鲜工质的氧气质量浓度;m f ,d i f f ,n e t 为扩散燃烧阶段燃料质量;k 为湍流动能强度;V c yl 为气缸容积㊂1.1.2 循环波动模拟方法由于柴油机的各项燃烧状态参数均服从高斯分布[10],本文采用M a r s a g l i a -B r a y 算法对喷油和换气过程等直接影响燃烧状态的边界条件和初始条件做高斯分布处理,模拟柴油机运行过程中的随机波动㊂该方法由B o x -M u l l e r 算法改进而来,最后可简单表示为式(3)㊂Y =v 1[-2l n (v 12+v 22)/(v 12+v 22)]1/2(3)式中,Y 为生成的服从高斯分布的随机数;v 1㊁v 2为一对相互独立的在[0,1]上均匀分布的随机数,且要求v 1+v 2小于1㊂该方法无需使用三角函数,计算速度是B o x -M u l l e r 方法的两倍,程序语言实现更简单,且需要的储存空间更少[11]㊂1.2 模型验证图1为1000r /m i n 各负荷下缸压仿真计算值和实测值的对比㊂除在低压部分测试数据本身因为传感器的限制存在一定测量误差外,其余仿真值和测试值的误差均在5%以内,因此该实时模型能够较好地反映柴油机各项性能㊂为了保证控制器在每个步长后都能获得更新后的数据,且被控对象能对控制信号及时作出响应,需要保证柴油机模型的实时性㊂采用实时因子作为实时性判别的标准㊂实时因子是指C P U 运算所花时间与模型仿真设定时间的比值,其值小于1,表示模图1 1000r /m i n 不同负荷下缸压仿真计算值和实测值对比型计算比真实柴油机实际工作更快㊂所开发模型在标定转速下的实时因子如图2所示,最大值为0.812,平均值为0.665,均小于1,满足控制策略验证的实时性要求㊂本研究中仿真计算机C P U 配置为X e o n2.3G H z㊂㊃47㊃2019年第1期内 燃 机 工程图2 标定转速下实时模型的实时因子2 反馈变量和控制变量气缸压力信号中能提取出很多燃烧状态指标㊂从中选取的用于柴油机燃烧控制的反馈变量,一方面要尽可能地反映缸内燃烧过程全貌,最好能与柴油机的动力性㊁经济性和排放直接相关;另一方面,承载的信息也要具有可靠㊁易获得㊁精度高等特点[12]㊂平均指示压力(I M E P )能直接指示燃烧的动力性和经济性,因此控制I M E P 能减少各缸做功的不均匀性[13],且I M E P 计算过程中采用了积分运算,能减少随机误差带来的影响,数据可靠性高㊂50%燃烧放热量相位(C A 50)是柴油机燃烧过程中十分重要的相位参数,该参数距离上止点的位置对循环热效率㊁压力升高率和最高燃烧压力等燃烧状态参数都有着重要影响[14],不少研究还发现C A 50与排放之间存在关联㊂C A 50的计算方法有很多,本文以发动机燃烧净放热量达到50%时的曲轴转角为C A 50㊂燃烧净放热量计算见式(4),由每度曲轴转角的燃烧净放热量积分得来,数据稳定性好,且计算精度高㊂选择C A 50作为指示缸内燃烧相位的闭环反馈量㊂Q =ʏd Q d θd θ=ʏ(γγ-1㊃p d V d θ+1γ-1㊃V dp d θ)d θ(4)式中,Q 为燃烧净放热量;θ为发动机的曲轴转角;γ为比热比,一般取为常数1.37;p 为当前曲轴转角下对应的缸压;V 为当前曲轴转角下对应的气缸容积㊂喷射脉宽和喷射正时是电控柴油机的基本控制量,且每缸都可以单独控制㊂控制参数中的喷油脉宽与I M E P 的大小直接相关,喷油正时的变化也直接影响到C A 50的大小,因此选择发动机的喷射脉宽和喷射正时作为缸压闭环控制系统的控制变量㊂3 缸压闭环控制策略通过采集和处理系统,能从柴油机各缸的气缸压力中实时提取出反映各缸不同工作状态的实际I M E P 和实际C A 50㊂但是实际I M E P 和喷射脉宽之间的关系比较复杂,并且随工况和喷射正时等的不同而变化,特别是在瞬态工况下,实际C A 50也同时受到喷射脉宽和工况的影响,因此提取到的反馈变量不便于直接用于柴油机控制㊂研究表明,当喷射正时在一个较小的范围内波动时,对I M E P 的影响较小,可将原本耦合的I M E P 和C A 50简化为两个独立的控制系统[6]㊂因此C A 50的控制采用前馈的方法使喷射正时在喷射正时前馈脉谱图的标定值附近波动,实现I M E P 和C A 50控制的解耦,也能满足瞬态响应的要求㊂各缸缸压闭环控制策略结构如图3所示㊂I M E P的控制首先采用转速P I D 控制器控制喷射脉宽,以减少柴油机实际转速和目标转速之间的稳态误差,也解决了瞬态工况下实际I M E P 和喷射脉宽之间关系复杂㊁难以控制的问题㊂然后各缸根据实际I M E P 和特征参数目标脉谱标定的I M E P 使用P I D 控制器对转速P I D 控制器确定的喷射脉宽进行修正㊂C A 50的控制中,首先通过目标转速和上一个循环的修正后的喷射脉宽查询喷射正时前馈脉谱图,得到喷射正时,再根据特征参数目标脉谱图标定的C A 50和实际C A 50使用P I D 控制器对前馈脉谱图确定的喷射正时进行修正,使每缸都工作在标定值附近㊂在该控制策略中,若图3中①所示的喷油脉宽由于柴油机转速P I D 控制器故障而数据异常,此时柴油机瞬态工况性能会受到影响,但是仍可由缸压闭环控制正常运行;当图3中②和④所示的喷射修正量由于气缸压力传感器损坏或者I M E P 和C A 50的P I D 控制器故障等而输出异常时,柴油机可仅由转速闭环控制运行㊂缸压闭环控制和转速闭环控制两种控制模式互为冗余,可提高控制系统的可靠性和鲁棒性㊂为了实现更好的响应特性,控制策略中的P I D 控制器参数根据工况变化而分段,且没有引入微分值㊂在标定转速75%负荷下,转速㊁I M E P 和C A 50P I D 控制器的比例系数分别为0.005㊁0.010㊁0.100,积分系数分别为0.0011㊁0.0050㊁0.0500㊂根据该型号柴油机设计时对燃烧㊁油耗㊁排放综合分析的结果[15]可知,标定转速75%负荷下,标定喷射正时前馈脉谱图中的值为上止点前10ʎ曲轴转角,特征参数目标脉谱图中的目标I M E P 为1.79M P a,目标C A 50为上止点后21.55ʎ曲轴转角㊂㊃57㊃内 燃 机 工 程2019年第1期图3 各缸缸压闭环控制策略结构4 仿真结果分析4.1 仿真方案各缸的不一致性通过设置不同的喷油器参数㊁进气温度和进排气阀的间隙来模拟,具体参数如表2所示㊂主要包括:通过不同流通系数来仿真喷油器的制造误差㊁老化和积炭引起的各缸不一致;通过不同的进排气管壁温度㊁进排气阀间隙等来仿真各缸进排气管的温度不均匀㊁进排气阀的制造和装配误差造成的各缸换气过程的不一致㊂表2 柴油机各缸不一致参数表项目参数第1缸第2缸第3缸第4缸第5缸第6缸喷油器流通系数0.700.850.900.950.800.90进气管壁温度/ħ27.527.026.526.025.525.0排气管壁温度/ħ310308306304302300进气阀间隙/mm 0.200.190.200.200.210.20排气阀间隙/mm 0.310.300.300.300.300.30循环波动通过喷油和进气过程的波动来模拟㊂即:对每个喷油器喷射质量流量添加10%范围内正态分布的随机波动,模拟循环喷油量波动;对进气压力添加20%范围内正态分布的随机波动,模拟增压与进气过程循环波动㊂图4为75%负荷下各缸气缸压力不一致的仿真结果,各缸之间最高燃烧压力的极差可达0.6M P a㊂图5为75%负荷下第4缸10个循环气缸压力的波动,循环间的最高燃烧压力的极差为0.4M P a ,标准差为0.14M P a ㊂4.2 软件在环仿真结果为了考察控制策略的逻辑功能和控制效果,根据柴油机实时模型㊁气缸压力反馈变量㊁控制策略和图4 75%负荷下各缸气缸压力对比图5 75%负荷下第4缸10个循环气缸压力㊃67㊃2019年第1期内燃机工程喷油控制变量之间的关系建立了软件在环仿真平台,在该平台上对缸压闭环控制策略进行验证试验㊂4.2.1基础控制功能验证4.2.1.1起动和怠速工况图6为起动和怠速工况的瞬时转速和循环喷油量曲线㊂当柴油机转速到达150r/m i n时喷油器开始喷油;当转速到达600r/m i n时起动过程结束,进入怠速工况㊂从柴油机起动到以怠速平稳运行,耗时5.5s,且从起动工况到怠速工况过渡平稳,怠速工况下转速波动率小于㊂图6起动和怠速工况4.2.1.2突加和突减负荷工况如图7所示,在标定转速空载时,转速稳定在1001r/m i n;在分别突加50%负荷后,突卸100%负荷,柴油机仍能稳定在1000r/m i n,且稳态调速率㊁瞬态调速率和稳定时间符合船级社对船舶柴油机的转速控制要求㊂4.2.2各缸不均匀性控制功能验证以船用柴油机的常用工况,标定转速75%负荷为例,柴油机稳定运行后,第5s之前采用缸压闭环控制模式,第5s之后切换为传统的转速闭环控制模式,采集到的各缸C A50和I M E P如图8所示㊂柴油机在缸压闭环控制模式下工作时,各缸的IM E P 和C A50的离散程度明显小于在转速闭环控制模式下工作,具体标准差变化如表3和表4所示㊂图7标定转速下突加和突减负荷图875%负荷下转速闭环控制和缸压闭环控制各缸燃烧特征参数对比从表3和表4可以看出,两种控制模式下柴油机燃烧特征参数的平均值差别不大,但是当柴油机在缸压闭环控制模式下工作时,C A50的标准差只有转速闭环控制模式下的1%,I M E P的标准差甚至不到转速闭环控制模式下的1%㊂表375%负荷下两种控制模式C A50对比控制模式C A50/(ʎ)第1缸第2缸第3缸第4缸第5缸第6缸平均值标准差转速闭环控制20.80221.55121.79522.04021.30921.79121.5480.442缸压闭环控制21.54821.55421.55721.54721.54721.55221.5510.004表475%负荷下两种控制模式I M E P对比控制模式I M E P/M P a第1缸第2缸第3缸第4缸第5缸第6缸平均值标准差转速闭环控制1.66201.79201.82601.86101.74701.82601.78600.0720缸压闭环控制1.78501.78601.78601.78501.78501.78601.78500.0003㊃77㊃内 燃 机 工 程2019年第1期用标准差和平均值之比,即变异系数来评价柴油机的各缸不均匀的程度㊂图9为柴油机在标定转速下工作,分别使用转速闭环和缸压闭环控制柴油机在不同负荷下运行时,燃烧特征参数变异系数的对比㊂在各个负荷下,采用缸压闭环控制的方法,柴油机各缸C A 50和I M E P 的变异系数均减小了约99%㊂图9 各负荷下转速闭环控制和缸压闭环控制的燃烧特征参数变异系数对比5 结论(1)利用M C C 燃烧模型和M a r s a g l i a -B r a y 算法搭建的柴油机实时模型,除在低压部分外,其余仿真值和测试值的误差均在5%以内,能够较好地反映柴油机各项性能,且实时因子平均值为0.665,均小于1,满足船用中速柴油机缸压闭环控制系统验证需求的精度和实时性㊂(2)缸压闭环控制能满足船用柴油机的逻辑功能,包括起动控制㊁负荷调节控制等,且稳态调速率㊁瞬态调速率和稳定时间均符合船级社对船舶柴油机的转速控制要求㊂(3)船用中速柴油机在各个负荷下,采用缸压闭环控制的方法,能将C A 50和I M E P 的变异系数减小99%左右,大幅改善柴油机的各缸不均匀性㊂参考文献:[1] D I N G S ,Y A N G L ,S O N G E ,e ta l .I n v e s t i ga t i o n so ni n -c y l i n d e r p r e s s u r e c y c l e -t o -c y c l ev a r i a t i o n s i nad i e s e l e n g i n eb yr e c u r r e n c e a n a l y s i s [C /O L ].S A E P a p e r ,2015,2015-01-0875.(2015-04-14)[2018-02-18].h t t p s ://d o i .o r g /10.4271/2015-01-0875.[2] O L S S O NJO ,T U N E 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