1．目的及意义

1.1目的及意义

我国有总吨位居于世界前列的庞大船队，有世界第三的巨大造船能力和船用设备配套能力，船舶工业和航运业己成为国民经济的重要支柱之一[1]。

近年来，环境污染和能源危机等问题加剧，国际海事组织IMO对船舶排放提出了更高的要求，为了达到IMO排放法规和降低油耗率，船舶柴油机在节能减排上需要不断更新技术[2]。我们需要不断地对柴油机的性能进行升级改造，特别是针对ECU的功能，使其不断地提升，由于ECU每次升级功能都会使其需要重新做台架试验，传统的针对ECU的逐步调试过程需要耗费大量的人力、物力和时间，而且在试验的过程中，实验环境是不断变化的，导致实验结果的可重复性就变差了，这样传统的台架试验已经难以满足当代针对ECU系统的快速升级的需求，为此，人们寻求了替代品，虚拟的仿真过程，通过软硬件结合的形式构建一套虚拟的发动机模型与实际的ECU相连，来测定ECU的性能，是否满足要求。所以开发一套柴油机实时仿真系统就显得格外的重要，通过需求性的分析，建立发动机的实时动态模型，并且为以后的进一步的开发做足准备。

1.2国外研究现状

在20世纪70年代早期，美国海军舰船燃气轮机及调距桨等事故的发生，促使美国海军启动了燃气轮机舰船推进控制系统研究和开发计划，对推进系统进行了仿真，并与实船的实验结果进行对比验证[3]。此后，越来越多的学者开始对船舶主动力装置进行建模仿真研究。早期的模型包括Flower J O[4]等人运用伪随机二进制序列的系统辨识方法得到的用传递函数表示的离散模型Kamei E等人实现的线性模型[5]。

从早期的线性模型到如今的非线性模型，柴油机模型更加复杂准确，以满足柴油机控制和仿真的要求。柴油机模型主要包括：零维模型、准维模型和多维模型三种模型[6]。国外最早的零维模型是Borman G L首先提出的，它计算相对简单，应用范围非常广泛，可以用经验公式预测示功图，反过来也可以根据己知的图计算放热率。1985年日本工业大学开发了微机燃烧分析装置，仿真出示工图、示工图、放热率曲线、最高燃烧压力和平均指示压力等参数[7] 。

零维模型中应用最广泛的是Watson等人实现的容积法模型法[8]。1989年，Dudek K P提出了一个用于解决内燃机气缸压力扰动、以及控制气缸压力的模型（COPMs）[9]。HengqingLIU提出了用于柴油机冷启动研究的瞬态[10]和稳态模型。Gregory等人提出了带有可变气阀正时装置的缸内循环过程[11]及模式转变模型。Patrick Kirchen提出了用于喷油正时预测的热力学模型[12]。对于船舶柴油机，Hountalas D T用容积法模型模拟了各类柴油机故障，并分析其故障性能[13]。KyrtatosN P等人建立了容积法模型，用来预测船用柴油机的性能[14]。但这些模型主要用来研究柴油机的稳态性能，不能模拟柴油机动态性能，为此很多学者致力于研究柴油机容积法模型的动态仿真。1991年Song Zhu建立了柴油机曲柄连杆机构动力学模型[15]，为把容积法用于动态仿真打下基础。2001年，Filipi Z S等人对单缸柴油机建立了瞬态模型，用于预测柴油机瞬态转速和扭矩[16]。JaesungChung等人提出了一种基于缸内压力的实时燃烧控制算法，以减少柴油机的燃烧分散[17]。Toma#382;Katra#353;nik^[18]通过混合燃烧控制模型，证实了高水平的模型可预测性。

1.3国内研究现状

上海交通大学的顾宏中老师1985年出版的专著《涡轮增压柴油机热力过程模拟计算》中对用容积法模型进行涡轮增压柴油机工作过程仿真作了较为详细的阐述[19]，1988年出版的另一本专著《涡轮增压柴油机性能研究》中用容积法模型结合一维定常流动的计算阐述了柴油机性能优化的有关问题[20]。2001年,刘永长老师在其专著《内燃机热力过程模拟》中进一步阐述了容积法模型的相关问题[21]。

根据国内外现状分析可知在目前有关发动机动态建模与仿真方面文献的论述中,大多数使用准线性模型,很少见到零维动态模型的论述。准线性模型具有计算时间短,使用方便的优点,但也有其严重的不足：必须掌握大量的发动机试验数据并从试验数据中拟合出一系列的经验公式；在软件使用方面,以往对柴油机的工作过程模拟计算大多使用数值计算软件Fortran语言或C语言来编写程序。它具有一定的通用性,但是,不具有实时在线修改性；其输入输出的可视化程度非常差，不直观；语言本身不能对模型进行优化；编写大型程序时容易出错基于。基于以上原因,有必要建立一个实验量少，更准确反映发动机工作过程的动态数学模型和仿真模型。在软件的运用方面，建模要简便、直观、交互性、实时性好；能对模型进行分析和优化；对仿真结果数据处理简单；可视化程度高。在柴油机工作过程理论的基础上建立了柴油机零维数学模型，与准线性模型比较，它需要的实验数据少，能满足开发初期的需要。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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2．1 研究内容