【摘要】：智能船舶及低排放是當(dāng)前全世界船舶工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。輪機(jī)模擬器作為一套提升海船船員技能的培訓(xùn)系統(tǒng),在全世界范圍內(nèi)獲得廣泛的認(rèn)可和推廣應(yīng)用。輪機(jī)模擬器是船舶機(jī)艙的數(shù)字化表示,具有良好的熱、機(jī)、電、氣系統(tǒng)機(jī)理與控制邏輯,友好的交互界面。網(wǎng)絡(luò)型輪機(jī)模擬器可實(shí)現(xiàn)與智能船舶的互通互聯(lián),為船舶智能機(jī)艙研究提供仿真、驗(yàn)證平臺(tái),加速智能船舶的研發(fā)進(jìn)度。發(fā)動(dòng)機(jī)是船舶的核心設(shè)備,是船舶推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)的能量源。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的建模方法研究是輪機(jī)模擬器的重要研究?jī)?nèi)容。設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的模型計(jì)算框架。在以前的輪機(jī)模擬器中,機(jī)艙系統(tǒng)模型的計(jì)算數(shù)據(jù)封閉,無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的互連和數(shù)據(jù)信息的二次挖掘�；趯�(duì)輪機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)技術(shù)的掌握,剖出了系統(tǒng)輸入輸出與模型計(jì)算的接口面,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輸入輸出和計(jì)算模型的實(shí)體分離和數(shù)據(jù)互連。基于計(jì)算機(jī)單播和組播通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)了模型計(jì)算系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)的共享和多系統(tǒng)的連接,提供了數(shù)據(jù)二次挖掘的接口。采用事件觸發(fā)機(jī)制和輪詢機(jī)制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)輸入輸出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新:采用MVVM模型結(jié)構(gòu)降低系統(tǒng)UI與數(shù)據(jù)的耦合強(qiáng)度;采用實(shí)時(shí)加載框架機(jī)制降低計(jì)算機(jī)計(jì)算資源和內(nèi)存資源的占用。完善了船用二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的建模方法。通常,在發(fā)動(dòng)機(jī)建模時(shí)沒(méi)有區(qū)分二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)和四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)建模的區(qū)別,而采用統(tǒng)一的組件劃分方法。實(shí)際上,二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在活塞上、下行的過(guò)程中會(huì)將掃氣空氣吸入或者排擠出由氣缸體及氣缸下部組成的空間。在這一過(guò)程中,掃氣空氣會(huì)在進(jìn)入燃燒室前受到氣缸壁的加熱作用而溫度升高,而氣缸壁也會(huì)在掃氣沖程之外的曲軸角時(shí)間里受到掃氣空氣的冷卻作用。使用BOOST軟件分別計(jì)算了考慮此結(jié)構(gòu)和未考慮此結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能,發(fā)現(xiàn)考慮此結(jié)構(gòu)時(shí)模型計(jì)算精度更高。精度提高幅度最大的三個(gè)參數(shù)分別為廢氣總管溫度、主機(jī)功率、掃氣總管溫度,提升的幅度分別為5.52%、4.36%、4.13%。給出了一種提高模擬器中二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)模型計(jì)算速度的建模方法。平均值模型即使在高速機(jī)中仍能滿足實(shí)時(shí)計(jì)算的要求,零維模型在低速機(jī)中基本可以滿足實(shí)時(shí)計(jì)算的要求但是計(jì)算資源占用非常大,不能在模擬器中直接應(yīng)用。通過(guò)調(diào)整平均值氣缸模型與零維氣缸模型的計(jì)算頻率,加快了發(fā)動(dòng)機(jī)模型的計(jì)算速度。使用兩條直線代替換氣過(guò)程的壓力曲線,進(jìn)一步提高了模型的計(jì)算速度。在MATLAB中建立了此模型并仿真。穩(wěn)態(tài)條件下,改進(jìn)模型的計(jì)算精度與零維模型的計(jì)算精度一樣。動(dòng)態(tài)條件下,改進(jìn)模型的計(jì)算精度與計(jì)算頻率相關(guān)。當(dāng)計(jì)算頻率為5時(shí),動(dòng)態(tài)過(guò)程中爆發(fā)壓力的相對(duì)誤差僅為0.363%。改進(jìn)了內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程中一氧化氮生成模型中燃燒產(chǎn)物濃度的求解方法。在12種燃燒產(chǎn)物的架構(gòu)中,根據(jù)平衡常數(shù)法可得到13個(gè)非線性方程求解13個(gè)未知數(shù)。通常使用的Newton-Raphson迭代法對(duì)初值和油氣當(dāng)量比十分敏感,計(jì)算結(jié)果容易發(fā)散,計(jì)算精度非常低。通過(guò)構(gòu)建非線性方程組的二范數(shù)函數(shù),非線性方程組的迭代求解問(wèn)題轉(zhuǎn)換為最優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)比分析了粒子群優(yōu)化算法、擾動(dòng)粒子群優(yōu)化算法、遺傳算法、信賴域折線法在此優(yōu)化問(wèn)題上的性能,發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)粒子群算法和信賴域折線法的計(jì)算精度可達(dá)到10-10以上,其他算法的精度在10-1左右。同時(shí)發(fā)現(xiàn)信賴域折線法對(duì)初值不敏感、具有非常高的收斂速度,計(jì)算耗時(shí)可低至10-2秒的數(shù)量級(jí)。給出了可同時(shí)描述雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油模式、燃?xì)饽Ｊ�、燃油EGR模式的發(fā)動(dòng)機(jī)建模方法。計(jì)算放熱率模型通常只針對(duì)氣體燃料或者液體燃料。Wiebe放熱率模型為經(jīng)驗(yàn)公式模型,對(duì)燃料類型不敏感,但是校準(zhǔn)的模型參數(shù)只能針對(duì)一種工況。分別對(duì)燃油模式和燃?xì)饽Ｊ?5%、50%、75%、85%、100%、110%負(fù)荷時(shí)Wiebe放熱率模型校準(zhǔn)后得出燃燒持續(xù)期和燃燒速率分布系數(shù)隨著供油量或供氣量變化的良好線性關(guān)系。對(duì)燃油EGR模式25%、50%、75、100%負(fù)荷,EGR率為10%、20%、30%、40%的燃燒放熱率使用Wiebe燃燒模型校準(zhǔn)后得不到明顯的燃燒始點(diǎn)、燃燒持續(xù)期、燃燒速率分布系數(shù)隨負(fù)荷和EGR率的變化規(guī)律。使用100%負(fù)荷時(shí)的值為參考值,結(jié)合燃油模式和燃?xì)饽Ｊ较碌木�性函數(shù)和參考點(diǎn)調(diào)整,燃油EGR模式下的二維插值可建立出能夠同時(shí)描述燃油模式、燃?xì)饽Ｊ健⑷加虴GR模式的發(fā)動(dòng)機(jī)模型。
【圖文】：

中燃燒室各個(gè)區(qū)域的空間分布情況，可以得出指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)的方向。與三維云逡逑圖相比，０－２＂圖可以以非常簡(jiǎn)潔的方式顯示出發(fā)動(dòng)機(jī)在各燃燒角度時(shí)的排放情況。逡逑圖１．１中給出的是使用ＦＩＲＥ軟件對(duì)一大型船用二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程模擬得出逡逑的在曲軸角為７２４邋ｄｅｇ邋ＣＡ，邋７３４邋ｄｅｇ邋ＣＡ，邋７４５邋ｄｅｇ邋ＣＡ，和７５５邋ｄｅｇ邋ＣＡ?xí)r燃燒室內(nèi)各逡逑個(gè)小區(qū)域的當(dāng)量比和溫度分布圖。逡逑５邐邐邋－邋邐；ｉ逡逑｜邐６９０邐７００￣７１４￣——７２４逡逑７３４邋—0—邋７４５邐７５５邐°邋Ｓｏｏｔ逡逑？邐＾＾ＮＯｘ逡逑４邋＾逡逑0邋Ｉ邋■邋■邋■邋Ｉ邋＊邋＾邋■邋ｉ邋■邐ｉ邋■邋■邐＾逡逑１２００邐１４００邐１６００邐１８００邐２０００邐２２００邐２４００邐２６００邐２８００逡逑溫度［Ｋ］逡逑圖１．１傳統(tǒng)ＤＩ柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程（ｐ－Ｔ圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｃｐ－Ｔ邋ｍａｐ邋ｆｏｒ邋ａ邋ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ邋ＤＩ邋ｄｉｅｓｅｌ邋ｅｎｇｉｎｅ逡逑從圖１．１中可以發(fā)現(xiàn)，曲軸角為７２４邋ｄｅｇ邋ＣＡ，邋７３４邋ｄｅｇ邋ＣＡ，邋７４５邋ｄｅｇ邋ＣＡ?xí)r缸內(nèi)有逡逑非常多的區(qū)域進(jìn)入氮氧化物排放區(qū)，同時(shí)有較多的區(qū)域進(jìn)入煙灰排放區(qū)。這些角逡逑度區(qū)域占據(jù)了整個(gè)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的中、前期。在燃燒中、前期活塞下行距離較短，逡逑９逡逑

為了以圖表的形式描述缸內(nèi)燃燒區(qū)域，研究人員廣泛采用ｃｐ－Ｔ圖。在Ｄｅｍｐｓｅｙ逡逑Ａ邋Ｂ等人［＾］的研宄基礎(chǔ)上，給出了傳統(tǒng)柴油機(jī)燃燒的區(qū)域及研宄人員期望的發(fā)動(dòng)逡逑機(jī)低溫燃燒的理想?yún)^(qū)域，如圖１．３所示。邐４逡逑圖１．３中標(biāo)有一個(gè)煙灰生成區(qū)及一個(gè)一氧化氮生成區(qū)。當(dāng)在局部Ｉ－氣當(dāng)量逡逑大于２．０，局部溫度在１４００Ｋ－２６００Ｋ的范圍內(nèi)時(shí)，缸內(nèi)燃燒容易產(chǎn)生較多的煙ｆ逡逑這是燃油在高溫、低氧條件下未完全燃燒產(chǎn)生的。當(dāng)在局部油－氣當(dāng)量比小于２．０，逡逑局部溫度大于２２００Ｋ的范圍內(nèi)時(shí)，缸內(nèi)燃燒容易產(chǎn)生較多的ＮＯ。此區(qū)域具有高溫逡逑條件，為一氧化氮形成提供基本條件，同時(shí)此區(qū)域油氣濃度較稀，有相對(duì)較多的逡逑氧氣可用于形成一氧化氮。當(dāng)局部燃燒溫度低于１４００Ｋ時(shí)，燃料的燃燒將不完全。逡逑圖１．３中的ＣＤＣ區(qū)域代表的是傳統(tǒng)柴油機(jī)燃燒時(shí)缸內(nèi)各個(gè)區(qū)域的ｗ－ｒ分布情況。逡逑從圖１．３可看出，，傳統(tǒng)柴油機(jī)燃燒區(qū)域跨越煙灰生成區(qū)及一氧化氮生成區(qū)。在圖逡逑１．３中有一個(gè)油氣當(dāng)量比在０．５－１．５、溫度在１４００邋Ｋ－邋２２００邋Ｋ范圍內(nèi)所圍成的一個(gè)逡逑區(qū)域，可確保燃料的完全燃燒同時(shí)未跨越煙灰生成區(qū)及一氧化氮生成區(qū)。此區(qū)域逡逑為理想的低溫燃燒區(qū)。為了將燃燒控制在此低溫燃燒區(qū)域
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U666.158

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 繆雪龍;;RCCI新燃燒技術(shù)綜述[J];現(xiàn)代車用動(dòng)力;2014年01期

2 王書(shū)雷;陳業(yè)平;;MAN51/60DF雙燃料內(nèi)燃機(jī)四種工作模式及其轉(zhuǎn)換[J];航海技術(shù);2013年06期

本文編號(hào)：2604043