船用双燃料发动机硬件在环仿真平台的开发

摘要

船用双燃料发动机凭借其低排放、低油耗、燃料灵活等优点成为当前船舶领域的研究热点，其控制策略的研究是实现船用双燃料发动机工程化开发必须攻克的难点之一。发动机控制系统的传统开发模式依赖于实机试验，存在开发周期长、试验费用高、破环性强等一系列问题，采用硬件在环仿真技术可在目标样机尚未完全开发的背景下提前进行控制系统控制策略的研究和控制功能的验证，从而缩短开发周期、节约开发成本。
　　论文作者以ACD320DF型船用中速双燃料发动机为研究对象，根据双燃料发动机的结构特点和工作原理，基于ETAS LabCAR硬件在环系统，开发船用中速双燃料发动机硬件在环仿真平台，为控制系统的开发和研究提供测试环境。主要研究内容和研究成果如下：
　　（1）在AVL BOOST RT软件平台下建立了ACD320DF型船用中速双燃料发动机的实时仿真模型，重点研究了双燃料发动机气体模式下的建模与仿真过程。利用第三方设计计算报告，验证了实时仿真模型稳态工况仿真结果的准确性，并用量化的实时因子验证了双燃料发动机实时模型在加载、减载、模式切换等动态工况下的实时响应能力，证明了该模型可作为虚拟双燃料发动机应用于硬件在环仿真平台。
　　（2）基于ETAS LabCAR硬件在环系统软硬件平台，根据双燃料发动机的特点，构建了由真实控制器、虚拟发动机、监控上位机组成的船用双燃料发动机硬件在环仿真平台。利用LabCAR Operator-IP软件将虚拟发动机计算的状态参数数值量配置为传感器信号提供给真实控制器，同时将真实控制器发出的真实控制信号配置为虚拟发动机需要的数值量，并通过LabCAR硬件连接端口保证控制器与虚拟发动机间信号的连接。将完成信号配置后的虚拟发动机实时模型编译成LabCAR RTPC操作系统能识别的实时代码，并利用LabCAR Operator-EE软件开发双燃料发动机硬件在环实时状态参数显示界面，实现上位机监控。
　　（3）设计了船用双燃料发动机硬件在环仿真平台的试验方案，通过虚拟双燃料发动机与Flex-ECU、主燃油调速器进行柴油模式、气体模式、模式切换等工况试验，验证硬件在环仿真平台能为控制系统提供与真实双燃料发动机一致的测试环境。并将Flex-ECU替换为与自主开发的NI CompactRIO控制系统进行柴油模式试验，验证了该仿真平台的开放性和兼容性。
　　论文主要从船用双燃料发动机建模、硬件在环仿真平台开发和试验验证等方面开展了研究工作，研究成果可以为船用双燃料发动机控制系统的开发提供调试和标定平台。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 双燃料发动机的发展

1.3 硬件在环仿真技术

1.4 本文研究的主要内容

1.5 本章小结

第2章 双燃料发动机工作过程建模原理

2.1 数学模型的选择

2.2 仿真模型

2.3 进排气系统模型

2.4 涡轮增压器模型

2.5 废气旁通阀模型

2.6 燃料

2.7 滞燃期模型

2.8 动力学模型

2.9 本章小结

第3章 微引燃双燃料发动机仿真模型的开发

3.1 热力学仿真计算软件

3.2 仿真对象

3.3 双燃料发动机模型的组成

3.4 与传统柴油机实时模型的区别

3.5 主要参数的设置

3.6 模型验证

3.7 本章小结

第4章 硬件在环仿真平台开发

4.1 硬件在环仿真技术

4.2 双燃料发动机硬件在环仿真平台

4.3 本章小结

第5章 硬件在环仿真实现

5.1 试验方案

5.2 试验结果

5.3 硬件在环仿真平台通用性与扩展性试验

5.4 试验结论

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间从事的科研项目