1. 研究目的与意义（文献综述）

1.目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1国内外柴油机建模的研究现状
柴油机与其他热机相比热效率最高，作为汽车、工程机械、火车机车和船舶的动力得到广泛的应用。对柴油机模型的研究也源远流长，在缩短柴油机设计、优化和验证周期等方面，柴油机模型都起到了关键的作用。建模目的的不同及所受资源和时间的限制决定了模型的类型和复杂程度，因此，柴油机模型多种多样可以是最简单的稳态平均扭矩查表模型，也可以是采用深入细节的燃烧模型和时变的转动惯量的非常复杂的模型。早期的模型包括flower等人得到的传递函数模型及kamei等人实现的线性模型。这些模型容易实现，主要应用在柴油机线性控制，但不能满足现代柴油机控制和仿真的要求。随着技术的进步，更精确的模型逐渐发展起来，各种非线性模型逐步占据了柴油机模型研究的各个领域典型的船用柴油机一般包括气缸、曲柄连杆机构、涡轮增压器、中冷器、扫气箱、排气管、燃油喷射系统、控制系统、冷却系统等多个相对独立而又相互关联的部件和系统，柴油机模型就是由这些部件和系统的独立子模型根据物理规律结合组成。根据具体柴油机的不同，柴油机模型中包含的子模型也有所变化，但一般包括缸内工作过程的计算、动力学、扫气箱、排气管、涡轮增压器等。

1．1．1容积法模型
零维模型又称为热力学模型，假设气缸中工质气体的成分、压力和温度均匀，根据喷入气缸的燃油、气缸进气和废气排气引起焓值(即热量)的变化，利用热力学第一定律计算工质混合物的能量变化，从而得到柴油机的数学模型。零维模型不考虑燃油的液滴，空气涡流，燃烧室几何特征以及工质在空间上的温度和成分分布的不均匀性。watson等人实现的容积法模型是应用最广泛的一类零维模型。容积法模型又称为充排法模型，进行热力学计算时，把涡轮增压柴油机划分为几个相对独立的容积控制单元，假设各控制单元处于瞬时热力平衡状态，将复杂的气体流动简化为容积的充满和排空过程。
上文所述准维和多维模型在研究缸内过程方面取得了一定的进展，但如果以模拟缸内工作过程来获得柴油机整机的热力过程的总体参数为目的，最常采用的仍然是容积法模型。这是因为容积法模型对柴油机具体型号依赖相对较小，计算速度相对较快，可广泛应用于工作过程仿真，进行柴油机性能预测、故障诊断等方面的研究。在容积法模型的基础上，k．p．dudek等人于1989年提出了用于内燃机气缸压力控制的模型。hengqing liu建立了用于柴油机冷启动研究的瞬态和稳态仿真模型，mareelm canova等人建立用于控制分析的hcci柴油机燃烧过程模型，gregorym．shaver等人提出了带有可变气阀正时装置的hcci内燃机模型、patrick kitchen提出了用于喷油正时预测的热力学模型。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，1998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2001年，刘永长老师在其专著《内燃机熟力过程模拟》中进一步阐述了容积法模型的相关问题。其他仍有大量的文献利用容积法模型进行柴油机性能预测和故障诊断方面的研究。如湖南大学的龚金科、北京理工大学的李长文等所做的研究。
容积法模型同样应用在船用柴油机的建模与仿真上。雅典国立工业大学内燃机实验室的d．t．hountalas用容积法模型预测船用柴油机在故障状态下的性能，分析了多种故障，并给出较为详细的仿真结果嘲。该大学轮机工程实验室(laboratory of marine engineering)的n．p-kyrtatos等人建立船用柴油机容积法模型，利用实船测取的数据验证了模型的准确性，并用来测试其它用于控制系统研究的模型。同时，容积法模型还被用来研究增压器喘振情况下柴油机的瞬态性能，取得了一定的进展。
在假定缸内气体压力变化已知的前提下，song zhu在1991年提出了多缸柴油机曲柄连杆机构动力学模型㈨，为容积法用于动态仿真奠定了基础。1994年minghui kao建立了cbc(cylinder by cylinder)模型用于柴油机动态仿真和故障诊断，但对缸内过程的计算并没有采用容积法模型。1999年，roy i．davis在容积法模型基础上，发展了平稳柴油机扭矩波动的控制算法。y h zweiri等人提出基于容积法模型的包括测功器的单缸柴油机模型，用于对柴油机磨擦及其他损失进行研究，不过其模型仍然绕开了缸内工作过程的计算。2000年，wenbo wang提出的用于故障诊断、设计和控制的m2a2装甲车动力装置模型也建立在柴油机容积法模型的基础上。2001年，z．s．filipi等人提出基于容积法的单缸柴油机瞬态模型，并进行了动态仿真。paolo faleone等人在2003年从燃烧模型出发，给出用于控制的柴油机扭矩产生模型。c．d．rakopoulos等在容积法模型基础上分析涡轮增压柴油机在动态负载作用下的可用性和灵敏度。国内对容积法模型用于动态仿真的研究相对较少，主要有清华大学的朱辉等人提出用于控制分析的柴油机动态模型，但其模型中不包括涡轮增压器。

2. 研究的基本内容与方案

2.研究的基本内容
本次研究主要是有以建模的需求为前提的，建立满足精度和实时性的柴油机控制分析的容积法模型。该模型以热力学模型为基础，由微分方程和经验公式组成，容积法对缸内过程有细致划分，纯进气，压缩，燃烧，膨胀，排气，扫气过程这六个过程。可以实现缸内工作过程的动态仿真。在稳定工况下的获得柴油机的运行状况。对比实验数据进行校核和修改，来满足实际需求，
2.1研究目标
本次毕业设计主要是完成柴油机模型的设计，包括进气部分，气缸部分，排气部分和喷油部分，完成仿真的柴油机模型并调试。

2.2技术路线如下图

3. 研究计划与安排

3． 进度安排

第5周 主要是学习软件和进气部分的仿真编程。

第6周 完成第5周的遗留工作并开始缸内扫气，进气的编程。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]刘孟祥. 基于Simulink的柴油机及其控制系统的建模与仿真研究[D].湖南大学,2001.
[2]王鹏. 电控柴油机HIL实时仿真系统研究[D].哈尔滨工程大学,2002.
[3]姜丹娜,张付军,赵长禄. 用“缸平移”法提高柴油机模型实时性的方法研究[J]. 内燃机工程,2006,02:43-45.
[4]韩恺,吴滔滔,赵长禄,朱振夏,刘杨杨. 基于DOE和神经网络的增压柴油机实时模型建模方法研究[J]. 内燃机工程,2014,01:57-62.
[5]李彬轩,徐航,何文华. 柴油机实时仿真中燃烧模型的建立[J]. 内燃机学报,2001,02:148-152.
[6]毕小平,欧阳明高,孙鸿,张人千,马志雄. 一个车用增压柴油机的实时动态仿真模型[J]. 内燃机工程,2000,02:65-69.
[7]王恩华,夏胜枝,傅春江,王舜琰,姜丹娜. 基于enDYNA的单体泵柴油机实时模型开发[J]. 汽车工程,2008,07:597-601.
[8]张苇,张佰年. 涡轮增压柴油机准动态模型及其数字和混合实时仿真[J]. 系统仿真学报,1992,04:19-26.
[9]陈巨辉. 柴油机电控系统硬件在环仿真技术研究[D].哈尔滨工程大学,2008.
[10]张明. 基于dSPACE的柴油机电子调速系统建模与仿真[D].哈尔滨工程大学,2008.
[11]丁威介. 柴油机电控单元硬件在环仿真系统设计[D].北京交通大学,2010.
[12]郭延超. 中高速柴油机实时模型的设计与软硬件实现[D].武汉理工大学,2010.
[13]许小伟. 瞬时转速诊断技术在机车柴油机状态检测中的应用研究[D].武汉理工大学,2010.
[14]齐自达. 柴油机神经网络控制技术研究[D].哈尔滨工程大学,2012.
[15]杨永文. 硬件在环用船舶柴油机仿真模型开发研究[D].中国舰船研究院,2013.
[16]黄铁雄,高世伦,蒋方毅,张鹏. 一种柴油机高压共轨系统的实时仿真模型[J]. 小型内燃机与摩托车,2009,01:46-50.
[17]张元涛,王凤霞,石为人. 大型低速二冲程船用柴油机建模及仿真[J]. 船舶工程,2009,03:11-14.
[18]梁磊,杜家益. 基于Matlab/simulink的增压柴油机瞬态过程仿真[J]. 拖拉机与农用运输车,2009,02:35-37.
[19]李长文,赵长禄,孙业保,黄英,张付军. 基于Matlab/Simulink及RTW的柴油机稳态建模与仿真[J]. 北京理工大学学报,2004,04:315-319.
[20]赫强,梁锋,杨林,卓斌. 基于Simulink的柴油机冷却水温度实时仿真模型[J]. 车用发动机,2004,02:32-35.
[21]梁虹. 车用柴油机SCR系统催化箱温度场特性研究[D].北京理工大学,2015.
[22]张捷,高世伦,蒋方毅,黄为. 基于神经网络的柴油机NO_x排放实时仿真模型[J]. 车用发动机,2007,02:37-39.
[23]章健勇,陈林,李建秋,欧阳明高. 共轨柴油机排气后处理系统实时仿真模型[J]. 车用发动机,2007,04:27-30 36.
[24]彭水生. 轮机模拟器6S60MC柴油主机仿真系统与故障模拟[D].大连海事大学,2000.
[25]李彬轩. 柴油机电控单元硬件在环仿真系统的设计及其相关研究[D].浙江大学,2001.
[26]王海燕. 大型低速船用柴油机建模与系统仿真[D].大连海事大学,2007.
[27]杨国豪. 船用低速智能柴油机工作过程建模与仿真研究[D].大连海事大学,2012.
[28]易小兵. 基于滑模变结构理论的电控柴油机速度控制研究[D].武汉理工大学,2013.
[29]王俊席. 基于嵌入式系统的高压共轨控制软件研究[D].上海交通大学,2006.
[30]齐鲲鹏. 柴油机准维模型建模及共轨喷油系统硬件在环仿真研究[D].大连理工大学,2010.
[31]宋百玲. 柴油机控制系统半物理仿真技术研究[D].哈尔滨工程大学,2009.
[32]张辉. 轿车柴油机微粒捕集器工作过程数值模拟及再生控制策略研究[D].吉林大学,2011.
[33]段树林,欧阳明高,刘峥. 涡轮增压柴油机动态仿真的研究[J]. 大连海事大学学报,1999,02:78-81.
[34]段树林,欧阳明高,刘峥,高孝洪. 16V240ZJD涡轮增压柴油机动态过程的实时仿真[J]. 武汉交通科技大学学报,1999,03:3-6.
[35]朱辉,王丽清,程昌圻. 用于控制分析的柴油机动态模型[J]. 内燃机学报,1999,03:211-218.
[36]肖华. 基于Fuzzy-PID的船舶柴油机嵌入式电子调速器研究[D].重庆大学,2012.
[37]王海燕,赫伟建,张旭升,刘冲. 涡轮增压器热力学模型与柴油机动态仿真[J]. 内燃机工程,,:1-8.
[38]徐前. 基于模型辨识的柴油机电控调速系统的研究[D].哈尔滨工业大学,2008.
[39]尹玲玲. 船舶柴油机变论域模糊PID转速控制研究[D].重庆大学,2010.
[40]陈首刚. 高压共轨柴油机模拟试验平台设计开发研究[D].哈尔滨工程大学,2010.
[41]熊静. 船用中速柴油机在环仿真研究[D].武汉理工大学,2013.
[42]汤经纬. 基于硬件在环仿真的中速柴油机电子调速控制策略研究[D].武汉理工大学,2013.
[43]王伟才,孙俊,王银燕,曾春荣. 相继增压柴油机线性模型动态实时仿真[J]. 应用科技,2005,06:53-55.
[44]文武红. Rhapsody在柴油机电子控制上的应用研究[D].中北大学,2005.
[45]王长林,刘永文,翁史烈. 四冲程船用柴油机的建模和实时仿真[J]. 中国造船,1997,04:74-79.
[46]徐高远. 电控柴油发电机组中央控制器的研究与设计[D].杭州电子科技大学,2015.
[47]吴培莉. 船舶电控柴油主机建模及仿真研究[D].大连海事大学,2012.
[48]杨永文,李金华,丁国飞,陈志忠. ECU硬件在环用船用柴油机模型的开发[J]. 柴油机,2013,03:25-27 43.
[49]李瑞雪. 涡轮增压柴油机平均值模型建模及模型校核方法研究[D].北京理工大学,2014.
[50]涂环,陈辉. 船舶柴油机转速的线性自抗扰控制[J]. 船舶工程,2016,03:31-36 58.