二冲程硬件再环发动机动态模型

摘要

温特图尔发动机有限公司（Winterthur Gas amp; Diesel Ltd.）已经开发出一套二冲程柴油机和双燃料发动机的动态发动机模型。所提出的动态发动机模型提供了使用硬件在环测试整机控制软件可能性。发动机模拟器配备的是真正的硬件模块所需要的控制了最多十二缸柴油发动机或最多六缸双燃料发动机，执行器的输出连接从发动机到现实的电气负载。该模拟器还模拟外部系统如远程控制系统和气体阀单元，这使得它可以测试整个自动化装置安装在船上。

这篇文章的目的是描述在Matlab的Simulink设计和嵌入在NI-VeriStand环境下设计一个可以执行所有必要的实时任务的发动机动态模型。该发动机模型包括一个带有多个泵和喷油器的物理共轨系统，一个简化的燃烧的气缸压力的热力学模型，以及一个机械模型对于与工作点和发动机惯量有关的负荷计算。它还实时计算所有相关的发动机反馈信号，如排气阀位置，进气阀位置，润滑压力反馈，气缸压力等等。

关于动态发动机模型的利用，本文还将集中讲述新型可能的控制软件测试，可以比较以前使用的稳态测试平台。这个发动机模拟器的主要目的是测试发动机控制系统在正常运行以及在紧急情况下的行为。典型的紧急情况是控制模块、通讯总线、执行器或传感器故障。它也被用于测试控制序列至关重要的正确的发动机操作，例如，发动机启动、燃料从柴油到气体切换操作、冗余功能等等。此外，它使得测试和监视独立控制的闭环系统的相互作用变成可能，例如，燃料压力控制器和发动机速度控制器之间的相互作用。

通过使用发动机模拟器，它能够代表发动机的硬件和它的动态行为，这就有可能在更短的时间内开发一个更稳健的发动机控制软件。

简介

2001年，最早的电控共轨系统在船用二冲程柴油机的提出（Sulzer 6rt flex58t B）[ 1 ]电子控制在海洋深海航运这一领域的应用的开始成功。该电子控制相较于传统机械控制的最大优势是适应性和灵活性的广泛。这使得像是共轨燃油喷射系统、液力排气阀的全部效能，可以在燃油消耗率和尾气排放两方面在一个很宽的操作范围取得优化。如今，所有新的X系列发动机，柴油和双燃料发动机，从WinGD只有电控版本的发动机。这种发动机完全集成到船舶的电子控制和监控系统中。电子控制装置的潜力是最经常使发动机，以经济的方式来取得更宽广的操作空间。此外，在获取操作参数的进一步调查，无论是手动或自动的方便，都使得系统变得越来越复杂。复杂度没有一个最终的极限，它将进一步上升证明摩尔定律。

然而，上市的时间是有限的。开发的可用时间越来越短，开发周期的数量必须保持低。此外，发展面临着不断上升的复杂性的挑战。把发动机放在测试台架上测试，这种过份的、实际试用的最终测试难以解决这些需求。尤其对于船用发动机是有限的、昂贵的、迟滞的开发周期。试验没有选择简单的还原，是因为安全的、可靠运行的最终产品，必须确保质量标准和分类的要求。

因此，可能的故障应尽早检测。对于控制软件的测试开始在计算机本身，但仅限于这种环境的限制。一个更复杂的真实测试环境通过硬件在环（HIL）技术被建立起来，世界控制硬件在虚拟系统上运行。本文正是探究这样一个虚拟的二冲程发动机。

一个非常高水平的真实世界仿真，早已给出了实际控制硬件与它的主控制配套设备相互作用的船舶遥控系统。相应的，仅有的抽象是用MATLAB Simulink开发的发动机模型，模型运行在一个标准的电脑上，运行在NI的一款实时系统，这个模型代表了真是的发动机，所谓“真实的过程”。在这样的环境之下，最终系统表现具有高层次有效性成为可能。特别是，在瞬态条件下的控制系统的行为，可以详细和有代表性的方式进行研究。实际上，真正的应用中的真正引擎总是会有最后的发言权。

由于近几十年来为控制系统开发而进行的实时发动机仿真在不断的发展和使用，列出的引用可以是可靠的例子[ 2 ]，[ 3 ]。通常情况下，所选择的解决方案是那些他们要用应用于的专门的开发领域所需的。它必须考虑到，越详细的模型消耗更多的计算时间。

在实时仿真中实现的发动机模型划分为：

• 物理或理论模型，所谓的白箱模型
• 简化的理论模型
• 理论黑箱或灰箱模型

实验黑盒模型

这里提出的模型，是课堂的简化理论模型，开发了二冲程应用的具体需求：模型应易于维护，它必须是使用控制系统软件的操作范围，它必须是足够准确的，以正确的反馈发生在瞬态操作的过程。

发动机建模

这里所描述的模型是发动机设计生成所有相关的反馈信号，这是先进的发动机控制系统（ECS）测试所必需的。它由闭环仿真部分组成，模型代替发生必要反馈信号的控制循环的部分那里。它由闭环仿真部分组成，模型代替发生必要反馈信号的控制循环的部分那里。这种方法是为：

• 速度、载荷和力矩的计算
• 燃油压力计算
• 试点燃料压力计算
• 气缸压力计算
• 燃油计算

其他部分的发动机模型生成的基于可在线配置的特征参数的动态反馈信号。这种方法是专门为从控制系统的角度来看的信号，只有监测和补偿任务需要执行执行。这方面的反馈计算包含：

• 排气阀位反馈
• 进气阀位反馈
• 汽缸润滑压力反馈
• 伺服油压力反馈
• 扫气压力反馈
• 废气接收机压力反馈
• 涡轮增压器转速反馈

模拟器的一般硬件描述

的动态发动机模型嵌入在一个测试平台中，这个测试台架是用于测试发动机控制系统新的功能，以及执行每一个控制软件发布的标准测试。特别是，它可以测试柴油和双燃料二冲程发动机的控制软件。这个测试台架与实际的最多十二缸发动机具有相同的控制系统布局。除了装有瓦西兰UNIC发动机控制系统本身外，还有几个辅助系统连接，这几个系统的连接像是一次真正的安装（图1）。对发动机控制系统（ECS）、远程控制系统（RCS）以及发动机本身相互作用的测试，这个包含控制面板和舰桥控制的电讯的完整的康斯堡系统（Kongsberg system）就像是发动机控制室那样被安装起来。远程控制系统与发动机控制系统之间的通信是通过CANopen连接。（CANopen是一种架构在控制局域网路（Controller Area Network, CAN）上的高层通信协协议）

图 1 包括辅助系统的测试台架的系统布局

一个适当的双燃料发动机测试中，有必要把燃气阀组（GVU）考虑进去。燃气阀组是一个安装在燃气供给系统和发动机之间的独立的设备，负责供应、切断和调节气体燃料和惰性气体的供应。因为燃气阀组、远程控系统和电子控制系统之间存在许多关联，燃气阀组控制器和对应它的额外的一套反馈模拟器也要被安装到系统中。

发动机动态模型是在Matlab Simulink环境中开发，并运行在NI的实时系统中。为了达到足够的仿真精度，发动机模型按照1ms的固定采样时间，这样可以达到最大在发动机转速为166rpm时，具有最小1°曲轴转角（1°CA）的分辨率。由于发动机的额定转速在这个测试中明显小了，这个模型能够提供的分辨率约为0.7°CA。

大部分安装在发动机控制阀是电磁阀，它是由输出自电控系统电流控制的脉冲宽度调制（PWM）。电控系统被设计为驱使通道产生特定的拉升、保持电流，而NI的系统是通过高输入阻抗的数字输入模块，则不可能直接把电控系统的输出直接通向数据采集输入端。要想解决这个问题，负载卡要集成在测试平台。这些负载卡有通道安装有特定电感器和电阻器，其符合实际阀门的电气特性如图2所示。

图 2 PWM输出数据采集的负载卡模式

负载卡实现除了现实输出电流控制的行为外的另一个好处是可以为电控系统实现开路、短路检测算法提供测试。该解决方案实现排气阀，气缸润滑油阀，主喷油器，燃气阀和先导式喷油器的控制。

模块化方法和参数配置

单反馈产生特殊目的的功能，比如：燃料压力的计算、速度/负荷计算或气缸压力仿真，这系统功能开发和执行在一个单独的功能组。为了有一个简单的重新设计的发动机模型的单一部分的可能性，这种方法值得选择。另一个好处是简化的发动机模型遇到万一要扩展一个新功能组的情况下，比如实施一个燃气进入的功能。这只是一个附加到以前开发的柴油部分。由于这一点，有可能单独开发的气体部分。之后，只需添加气体和引燃油喷射造成的附加热量到现有的气缸压力系统中即可。

随着上一代的稳态模拟器的产生，需要改变发动机类型或对新传感器重新标定也是一个很大的努力。新的发动机模型所有所需的参数直接读取电控系统软件包，比如传感器标定，引脚分区，执行器类型，发动机额定值或喷油器特性。这使得新的发动机模型得以快速生成，并可以做到一个显著的测试速度。

气缸压力的计算

在燃烧室中的压力的算是基于一个简化的热力学模型，其主要计算气缸中的主要部分。在这里，该模型考虑到的体积变化和相应的气体压缩或膨胀导致的压力偏差。此外，所有通过进气口，排气阀和启动空气阀的质量和焓流量都考虑在内。此外，燃料的喷射和燃烧相关的能量输入也考虑在计算气缸压力在每一个时间步长进行模拟。

模拟部分

对于燃烧室的仿真，发动机模型计算通过进气门到气缸、排气阀排除的气体以及对于起动时，从起动空气阀配入每个气缸的空气流，如图3所示。

图 3 缸压力计算的模拟部件

燃料的喷射是根据柴油机喷油器的特性或安装在特定系统上的燃气阀来计算的。

由于该模型是用来测试发动机电控系统而非测试发动机详细状态，这样，压力计算被简化为一个合理的水平。其中忽略计算的参数有：

• 热损失对燃烧室表面
• 在燃烧室中，由于空气和废气混合的温度相关的常数（CV，kappa;等）
• 活塞环处压力损失

简化的热力学

为了计算气缸体积的状态，使用了开放系统热力学第一定律。在体积入口和出口之间的高度和速度误差被假定为可以忽略不计。这种简化的结果所示的方程，这是用来计算一个气缸容积内能的导数[ 4 ]。

输入热量到燃烧体积的总量仅取决于所注入的燃料量，并简单地计算为由注入的燃料的质量乘以的所用燃料的低热值。

气缸内的气体得到的技术功Wt可以通过压力容积功计算，如以下公式：

V是关于活塞运动的体积。假设空气是理想气体，也可以用下列公式计算内能的导数：

With:

Result in:

And rephrased:

通过有关体积初始状态的体积，可以计算在每个时间步长的当前状态：

and

and

在理想气体定律的帮助下，也可以计算出容积的压力：

启动空气瓶内空气的流动、扫气接收器和燃烧室都用的可压缩气体流经阀门的方程（图4）。因此，相关的临界和临界压力比下的方程也被考虑到。

图 4 亚音速气体通过喷嘴流动

With: amp;

扫气入口打开和相应的对燃烧室的有效流通面积是根据曲柄角和发动机的几何特征计算的。排气阀的有效流动面积的计算是根据激活信号、几何数据和阀门的动态行为特性进行的。

燃油喷射

注入能量（燃料）的计算是基于的喷油正时（持续时间）、燃油压力和喷嘴喷嘴尖端的特性。个与PT1滤波器连接简化的矩形的热释放图形是与每个时间步长喷油量相关的。由于发动机模型的目的是自动化测试，使用这种简化的热释放到燃烧室是足够的。

燃油系统/引燃油系统

内燃机上的共轨系统负责喷油器的燃料供给。共轨系统由高压燃油泵、轨和喷油器组成。轨道就像高压燃料的蓄能器（600 bar到1000 bar），用于喷射。电控燃油泵从燃油箱抽取燃料到轨上。喷油器也由电磁阀电子控制，以在喷射时提供最大的灵活性。由于存在高压和电磁阀，共轨系统可以产生非常短的喷射持续时间，从而改善燃料消耗和废气的组成。轨上的压力由燃油泵的流量控制。

共轨模型的目标是根据当前的压力和控制单元喷射指令，模拟轨的动态压力改变和注入的燃料量。

对于建模的轨道压力，假定的轨的体积是恒定的。根据发动机的速度、燃油泵位置执行器和泵的MAP图，可以计算出泵的流量。这是整个入轨流量。另一面，这可以计算出的轨的流出流量。因此，当前轨的压力、从UNIC控制器发出的喷射指令和喷射器特性是必

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