船用中速柴油机高压共轨系统硬件在环仿真试验平台及试
验方法
技术领域
背景技术
[0002] 船用柴油机是
船舶最主要的配套设备，当前和未来柴油机仍是商用船舶的最主要动
力源。燃油成本是船舶运营成本的重要部分，同时随着国际海事组织对船用柴油机排放的越发严格，提高船用柴油机的经济性和降低排放成为研究重点。高压共轨技术是船用柴油机降低燃油消耗、控制排放等性能优化的核心关键技术之一，可对柴油机全工况燃油喷射的柔性控制，优化柴油机缸内的混合气形成和燃烧，实现柴油机整机性能的优化和节能减排。
[0003] 硬件在环仿真测试是将整个被控对象或不便于试验的部分用
软件模型代替，利用具有数据
接口交换的硬件设备，与被测试的控制单元连接成为一个
闭环系统，硬件在环测试是高压共轨系统进行配机试验前必不可少的步骤，也是高压共轨系统开发中的关键环节，通过硬件在环试验台可对共轨系统的共性核心技术，包括系统集成、电控系统控制策略、共轨系统性能和关键零部件特性等方面进行多方面研究。硬件在环仿真测试为系统的开发和测试提供了一个高效的平台，减少了系统研发过程的台架试验，缩短了执行机构部件或控制系统的设计开发周期，节省了调试、测试和试验
费用。但是，针对船用中速柴油机高压共轨系统硬件在环仿真测试平台目前尚没有成型的产品。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对
现有技术的不足，提出了一种船用中速柴油机高压共轨系统硬件在环仿真试验平台及试验方法，可进行高压共轨控制系统功能的测试与验证，并可进行高压共轨系统执行机构的性能和可靠性试验。
[0005] 为实现上述目的，本发明所设计的船用中速柴油机高压共轨系统硬件在环仿真试验平台，其特殊之处在于，所述硬件在环仿真试验平台包括共轨系统辅助单元：用于提供低压燃油和
润滑油，为共轨系统执行机构提供
支撑工作台和驱动动力，并测量所述共轨系统执行机构喷射的低压燃油的重量；共轨执行机构：用于根据电控单元输出的控制
信号喷射低压燃油；虚拟船用中速柴油机：用于模拟真实船用中速柴油
发动机的运行工况；电控单元：用于采集所述虚拟船用中速柴油机的运行状态，并根据运行状态向所述共轨执行机构发送
控制信号，同时将运行状态发送至试验平台
监控系统和机旁控制系统；试验平台监控系统：用于与所述共轨系统辅助单元、共轨执行机构、虚拟船用中速柴油机、电控单元和机旁控制系统进行数据通信，集中显示所述共轨系统辅助单元测量的低压燃油的重量、虚拟船用中速柴油机的运行状态以及电控单元的控制参数；机旁控制系统：用于实现试验平台的操控、参数检测和安全保障。
[0006] 进一步地，所述共轨系统辅助单元包括低压燃油系统：用于根据辅助单元监控系统的控制提供低压燃油；低压润滑系统：用于根据辅助单元监控系统的控制提供润滑油；驱动
电机：用于根据辅助单元监控系统的控制为所述共轨执行机构提供驱动动力；油量称重系统：用于根据辅助单元监控系统的控制接收从所述共轨执行机构中喷射出的低压燃油，并称量低压燃油的重量发送至辅助单元监控系统；辅助单元监控系统：用于控制所述
驱动电机的转速、低压燃油系统和低压润滑系统的供油量和
温度、油量称重系统测量，并显示和储存数据。
[0007] 更进一步地，所述共轨执行机构包括高压燃油油
泵：进口处设有比例流量控制电磁
阀，用于根据电控单元的控制信号调节从共轨系统辅助单元输出的高压燃油的油量；共轨管：采用双层管结构，用于蓄压储存从高压燃油油泵输出的高压燃油；电控
喷油器：用于根据电控单元的控制信号将共轨管中的高压燃油喷射到共轨系统辅助单元的油量称重系统中。
[0008] 更进一步地，所述虚拟船用中速柴油机包括柴油机实时仿真模型和ETAS LABCAR硬件。所述虚拟船用中速柴油机的转速为600～1200r/min。
[0009] 更进一步地，所述电控单元包括模
块化的控制软件和Flex-ECU硬件，所述控制
软件包括初始化模块、信号输入与处理模块、工况控
制模块、喷油
控制模块和轨压控制模块；初始化模块用于完成初始化处理，信号输入与处理模块通过电控单元的I/O硬件层，获取
传感器的
采样值，并将其转换为对应物理量的实际值；工况控制模块用于识别并处理虚拟船用中速柴油机起动工况、
怠速工况和常规工况，并针对虚拟船用中速柴油机的工况状态设定控制策略；喷油控制模块用于计算当前状态下每循环的喷油量，经修正后确定喷油脉宽和喷油提前
角，并输出控制信号给电控喷油器；轨压控制模块用于调节共轨管的共轨压力。电控单元控制软件实现柴油机转速调节、喷油控制、共轨压力控制、CAN通信、故障诊断以及控制参数标定的功能。
[0010] 更进一步地，所述试验平台监控系统与所述虚拟船用中速柴油机、电控单元和机旁控制系统通过CAN总线实现数据通信，所述试验平台监控系统与共轨系统辅助单元通过RS485总线实现数据通信。所述虚拟船用中速柴油机与电控单元和机旁控制系统通过硬件板卡连接或者CAN总线通信。试验平台监控系统利用CAN总线实现系统自检、虚拟柴油机运行模式设置、柴油机实时仿真模型信号采集、电控单元工作状态监测、机旁控制系统状态监测等功能，并将参数集中显示于开发的软件界面上
[0011] 更进一步地，所述油量称重系统通过天平和量杯两种方式称量高压燃油的重量。油量称重系统采用
电子天平与量杯两种喷射油量称重的方式，两种称重方式可自由切换。
[0012] 一种应用于上述船用中速柴油机高压共轨系统硬件在环仿真试验平台的试验方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：
[0013] 1)所述机旁控制系统发出“起动”命令，所述虚拟船用中速柴油机根据“起动”命令模拟真实船用中速
柴油发动机的运行工况，同时将运行状态发送至试验平台监控系统和机旁控制系统，所述试验平台监控系统和机旁控制系统显示运行状态；
[0014] 2)所述电控单元采集虚拟船用中速柴油机的运行状态，并根据运行状态向所述共轨执行机构发送控制信号，所述试验平台监控系统和机旁控制系统同步采集并显示电控单元发出的控制信号；
[0015] 3)所述共轨执行机构根据电控单元输出的控制信号喷射高压燃油；
[0016] 4)所述共轨系统辅助单元测量所述共轨系统执行机构喷射的高压燃油的重量，并将结果发送至试验平台监控系统显示；
[0017] 5)所述电控单元根据控制策略向虚拟船用中速柴油机发送循环喷油量信号，所述虚拟船用中速柴油机根据循环喷油量信号计算虚拟柴油机转速，并向共轨系统辅助单元发送
电压信号控制转速，与电控单元形成闭环控制系统；
[0018] 6)所述机旁控制系统发出“停车”命令，所述电控单元向共轨执行机构发送停止信号，所述虚拟船用中速柴油机向共轨系统辅助单元发送逐步降低的电压信号，直至电压信号降低为零。
[0019] 本发明与现有技术相比，主要有以下的有益效果：
[0020] 1.本发明集成了完整的高压共轨执行机构和电控单元，利用虚拟柴油机为电控单元和机旁控制系统提供了真实工作的条件，是一个高度集的综合性试验平台，可进行高压共轨系统特性、控制策略及执行机构性能研究和测试。
[0021] 2.本发明保留了高压共轨系统的结构特征和技术特点，包括完整的
高压燃油泵、共轨管系和喷油器，可达到与真实柴油机一样的燃油喷射压力；
[0022] 3.本发明采用模块化和标准接口设计，其关键零部件具有可替换性；
[0023] 4.本发明可模拟真实柴油机各种负荷工况及突变工况，便于开展不同工况下电控系统控制策略以及关键零部件应对突变工况的性能研究；
[0024] 5.本发明可独立展开共轨系统执行机构关键零部件性能试验，例如单独进行电控喷油器喷射试验或燃油泵特性试验；
[0025] 6.本发明采用CAN总线的方式进行数据通讯，易于其他控制系统的集成和测试；
[0026] 7.本发明的柴油机实时仿真模型，采用C MEX S函数进行开发，具有较快的响应特性，满足船用电控系统的实时性需求。柴油机实时仿真模型，采用容积建模法、试验数据和经验公式融合建模，并与真实柴油机试验数据进行对比分析，具有较高的
精度，满足船用电控系统对仿真数据真实性的需求。
[0027] 8.本发明传动机构的驱动电机和传动箱可
覆盖转速范围为600～1200r/min船用柴油机，试验平台使用范围广。
[0028] 9.本发明可同步采集试验平台中
曲轴转角信号、执行机构动作信号和控制单元控制信号，可在时间域和角度域进行电控单元控制控制策略功能验证，并可根据执行机构的动作优化控制策略。
[0029] 10.本发明保留了完整的共轨系统，在实验室中实现与真实柴油机一样的燃油泵运转、燃油喷射和柴油机运行状态参数，并通过操纵车钟
手柄实现虚拟柴油机工况变化，可作为船用柴油机高压共轨仿真系统的科研和教学设备提供给本科、硕博研究生和教师使用，并具有推广使用价值。
附图说明
[0030] 图1为本发明船用中速柴油机高压共轨系统硬件在环仿真试验平台的结构
框图。
[0031] 其中：共轨系统辅助单元1，低压燃油系统1-1，低压润滑系统1-2，驱动电机1-3，油量称重系统1-4，辅助单元监控系统1-5，共轨执行机构2，高压燃油油泵2-1，共轨管2-2，电控喷油器2-3，虚拟船用中速柴油机3，电控单元4，试验平台监控系统5，机旁控制系统6。
具体实施方式
[0032] 以下结合附图和具体
实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0033] 如图1所示，本发明一种船用中速柴油机高压共轨系统硬件在环仿真试验平台，包括共轨系统辅助单元1、共轨执行机构2、虚拟船用中速柴油机3、电控单元4、试验平台监控系统5和机旁控制系统6。
[0034] 共轨系统辅助单元1：用于提供低压燃油和润滑油，为共轨系统执行机构2提供支撑工作台和驱动动力，并测量共轨系统执行机构2喷射的低压燃油的重量。共轨系统辅助单元1包括低压燃油系统1-1、低压润滑系统1-2、驱动电机1-3、油量称重系统1-4、辅助单元监控系统1-5。
[0035] 低压燃油系统1-1：用于根据辅助单元监控系统1-5的控制提供低压燃油。燃油系统1-1采用多级过滤方式以保证燃油的洁净，采用电加热和板翅式换热器保证燃油温度可控，采用调压阀保证共轨系统执行机构2中高压燃油泵2-1进口压力稳定，燃油系统1-1的燃油箱出口装有
热电偶，用于监控燃油系统的温度。
[0036] 低压润滑系统1-2：用于根据辅助单元监控系统1-5的控制提供润滑油。低压润滑系统1-2采用强制润滑方式，利用电加热方式以保证滑油温度的恒定，维持适宜
粘度，改善润滑效果，润滑油压力可由安装于润滑油箱上方的调压阀灵活设置，实际润滑油压力一般不高于0.6MPA。
[0037] 驱动电机1-3：用于根据辅助单元监控系统1-5的控制为共轨执行机构2提供驱动动力。试验平台通过传动机构替代柴油机曲轴及传动
齿轮，包括驱动电机1-3和六工位的传动箱，采用转速可调的驱动电机1-3驱动高压燃油泵2-1向共轨执行机构2的共轨管轨2-2中供油，驱动电机1-3的转速与虚拟船用中速柴油机3的曲轴转速成正比。驱动电机1-3采用功率为75kW的三相交流
伺服电机，额定转速为500～600r/min，并可进行正、反转切换，其转速通过伺服电机
控制器进行设定和调节；驱动电机1-3与
凸轮轴之间采用弹性联接的方式，安装膜片式
联轴器，在
凸轮轴尾端安装惯性补偿
飞轮，以维持相对均匀的
角速度，并防止电机过载运转。在联轴器
位置加装旋转式光电
编码器及齿数各不相同的齿轮盘，为试验平台提供转速信号。
[0038] 油量称重系统1-4：用于根据辅助单元监控系统1-5的控制接收从共轨执行机构2中喷射出的低压燃油，并称量低压燃油的重量发送至辅助单元监控系统1-5。油量称重系统1-4包含了天平与量杯两种称重方式，从共轨执行机构2的喷油器2-3喷出的燃油经消雾和冷却处理后，在重力作用下流至油量称重系统，通过换向阀控制燃油的流向，并通过挡油盘决定燃油是否流入量杯或电子天平。
[0039] 辅助单元监控系统1-5：用于控制驱动电机1-3的转速、低压燃油系统1-1和低压润滑系统1-2的供油量和温度、油量称重系统1-4测量，并显示和储存数据。辅助单元监控系统1-5由可编程控制器PLC和工控机组成，两者之间通过RS-485方式通讯，PLC作为主控核心，主要完成驱动电机1-3转速设定、燃油和润滑油
温度控制、喷油量测量和重要参数监测、报警等功能，包含4路AI、3路DI、1路AO和13路DO的信号，工控机作为人际交互界面，完成共轨系统辅助单元1中重要信号显示、控制参数设置和数据存储等。
[0040] 共轨执行机构2：用于根据电控单元4输出的控制信号喷射低压燃油。共轨执行机构2包括高压燃油油泵2-1、共轨管2-2和电控喷油器2-3。
[0041] 高压燃油油泵2-1：用于根据电控单元4的控制信号调节从共轨系统辅助单元1输出的高压燃油的油量。高压燃油泵2-1为
柱塞泵，采用“三作用”式凸轮结构，其进口处安装有比例流量控制
电磁阀，用以接收电控单元4发出的控制信号，调节来自共轨系统辅助单元1的低压燃油系统1-1进入高压油泵2-1油量。
[0042] 共轨管2-2：分为三段，采用双层管结构，用于蓄压储存从高压燃油油泵2-1输出的高压燃油。
[0043] 电控喷油器2-3：用于接收电控单元4发出的喷油控制信号，根据电控单元4的控制信号，通过电磁阀的高速启、闭，将共轨管2-2中的高压燃油喷射到共轨系统辅助单元1的油量称重系统1-4中。
[0044] 虚拟船用中速柴油机3：用于模拟真实船用中速柴油发动机的运行工况，转速为600～1200r/min。虚拟船用中速柴油机3主要由柴油机实时仿真模型和ETAS LABCAR硬件组成，柴油机实时仿真模型是虚拟柴油机的
基础，结合高压共轨船用柴油机结构和性能特点，逐一建立各子模块的数学模型，主要包括进排气系统子模块、缸内工作过程子模块、共轨系统子模块以及动力学子模块等，采用微分方程对各子模块行数学描述，利用Matlab/Simulink仿真软件编写相应的程序，使用计算机求解微分方程，获得柴油机各参数随
曲轴转角时间的变化规律，包含曲轴转角的柴油机缸压数据和各类温度、压力信号，同时可进行柴油机推进特性和负荷特性的仿真，并利用操纵车钟手柄进行柴油机变工况的仿真计算。
由于利用Simulink方框图搭建的模型在代码执行效率上较低，故采用C MEX S函数进行模型开发，以提高模型运算速度，并采用容积建模法、试验数据和经验公式融合建模，可满足船用电控系统测试的实时和精度需求。
[0045] LABCAR硬件平台是柴油机实时仿真模型的硬件载体，包括实时主机及各种I/O板卡，将仿真模型数据转化为真实的物理量实现与电控单元4和机旁控制系统6之间的信号交互，提供虚拟的柴油机运行环境。柴油机仿真模型模拟出各工况的运行参数，也通过LabCAR硬件输出的
电信号或CAN总线方式，传送给电控单元4和机旁控制系统6，柴油机仿真模型计算得到的柴油机转速信号则直接通过LabCAR板卡控制共轨系统辅助1单元中的驱动电机1-3运行。虚拟船用中速柴油机3与电控单元4和机旁控制系统6通过硬件板卡连接或者CAN总线通信。虚拟船用中速柴油机3可将仿真数据通过硬件板卡转化为真实的物理信号提供给电控单元4和机旁控制系统6，也可以通过CAN总线通讯的方式将仿真数据发送给电控单元4和机旁控制系统6。
[0046] 电控单元4：用于采集虚拟船用中速柴油机3的运行状态，并根据运行状态向共轨执行机构2发送控制信号，同时将运行状态发送至试验平台监控系统5和机旁控制系统6。电控单元4采集共轨系统辅助单元1中传动机构上齿数不同的齿轮盘信号，作为虚拟船用中速柴油机3的曲轴转速和凸轮轴转速信，采集共轨执行机构2中共轨管2-2的压力，作为燃油共轨压力的反馈信号，输出喷油控制信号和
比例阀控制信号分别给共轨执行机构2的电控喷油器2-1和高压燃油泵比例阀2-3，完成燃油的喷射控制和燃油轨压力控制。电控单元4包括模块化的控制软件和Flex-ECU硬件，控制软件的功能通过ETAS ASCET软件进行开发，包括初始化模块、信号输入与处理模块、工况控制模块、喷油控制模块和轨压控制模块。
初始化模块用于完成初始化处理，信号输入与处理模块通过电控单元4的I/O硬件层，获取传感器的采样值，并将其转换为对应物理量的实际值；工况控制模块用于识别并处理虚拟船用中速柴油机3起动工况、怠速工况和常规工况，并针对虚拟船用中速柴油机3的工况状态设定控制策略；喷油控制模块用于计算当前状态下每循环的喷油量，经修正后确定喷油脉宽和喷油提前角，并输出控制信号给电控喷油器2-3；轨压控制模块用于调节共轨管2-2的共轨压力。
[0047] 试验平台监控系统5：用于与共轨系统辅助单元1、共轨执行机构2、虚拟船用中速柴油机3、电控单元4和机旁控制系统6进行数据通信，集中显示共轨系统辅助单元1测量的低压燃油的重量、虚拟船用中速柴油机3的运行状态以及电控单元4的控制参数。试验平台监控系统5采用上位机——下位机模式，下位机即CompactRIO采集单元，包含一个实时控制器和LabVIEW FPGA可重新配置机箱以及若干信号I/O模块，实现多路信号同步采集；上位机使用高性能工控机，作为试验平台监控系统5的
人机界面。试验平台监控系统5利用CAN总线与柴油机仿真模型3、电控单元4和机旁控制系统6之间进行数据通信。试验平台监控系统5与共轨系统辅助单元1通过RS485总线实现数据通信。试验平台监控系统
5主要采集以传感器方式输入的实际信号和以CAN总线方式收发的通讯参数，采集的传感器信号分为两类：①反映柴油机执行机构工作特征的信号，如轨压、针阀升程和编码器等信号，其中轨压信号不仅在测量控制系统中显示，还作为电控单元4
输入信号参与控制逻辑计算；②反映电控单元4控制策略的
输出信号，如电控单元4输出喷油控制
电流、电控单元
4输出的
比例电磁阀控制信号。试验平台监控系统5的上位机软件是HMI，采用状态机模式开发，完成系统初始化、自检、采集参数设置、信号实时显示与滤波、数据存储和历史曲线回放功能。试验平台监控系统5的操作面板上包含了试验平台中各类泵的手动启停按钮、各类报警指示灯、操纵车种手柄以及试验平台启停按钮。
[0048] 机旁控制系统6：用于实现试验平台的操控、参数检测和安全保障。机旁控制系统6包含监控模块、安保模块和显示模块，用于实现硬件在环仿真试验平台的操控、参数检测和安全保障，并与试验平台监控系统5的操作面板上的远程控制面板形成操作互
锁。
[0049] 本发明提供的一种船用中速柴油机高压共轨系统硬件在环仿真试验平台，用于船用柴油机高压共轨系统执行机构的性能和可靠性试验，本发明试验方法的步骤如下：
[0050] (1)船用中速柴油机高压共轨系统硬件在环仿真试验平台通电，给试验平台中各电气系统上电；
[0051] (2)运行共轨系统辅助单元1的辅助单元监控系统1-5，起动共轨系统辅助单元1中的低压燃油系统1-1和低压润滑系统1-2；
[0052] (3)下载柴油机实时仿真模型到虚拟船用中速柴油机3的LABCAR硬件中，运行虚拟船用中速柴油机3；
[0053] (4)打开并登录试验平台监控系统5，完成试验平台自检后，等待机旁控制系统6或试验平台监控系统5的远程操作面板发出“起动”命令；
[0054] (5)当有“起动”命令发出后，柴油机实时仿真模型控制驱动电机1-3旋转，模拟柴油起动过程，电控单元4采集虚拟船用中速柴油机3的“柴油机”凸轮轴信号与曲轴信号，当“柴油机”达到一定转速后，电控单元4根据控制策略进行燃油喷射控制和燃油轨压控制，并将计算得到的循环喷油量反馈给虚拟船用中速柴油机3；
[0055] (6)电控单元4根据虚拟船用中速柴油机3的运行状态向共轨执行机构2发送控制信号，试验平台监控系统5和机旁控制系统6同步采集并显示电控单元4发出的控制信号；
[0056] (7)共轨执行机构2根据电控单元4输出的控制信号喷射高压燃油；
[0057] (8)共轨系统辅助单元1测量所述共轨系统执行机构2喷射的高压燃油的重量，并将结果发送至试验平台监控系统5显示；
[0058] (9)虚拟船用中速柴油机3的柴油机实时仿真模型接收来自于电控单元4的循环喷油量信号，结合当前负荷(由控制面板车钟设置)计算虚拟柴油机转速，并发送电压信号控制驱动电机1-3转动，与电控单元4形成闭环控制系统，同时将运行状态发送至试验平台监控系统5和机旁控制系统6。
[0059] (10)试验平台运行过程中，利用试验平台监控系统5观测试验平台各个部件运行状态，并对关键参数进行分析比较；
[0060] (11)当机旁控制系统6或试验平台监控系统5的远程操作面板发出“停车”命令后，电控单元4停止发出喷射控制信号，并将燃油轨压逐步降低，虚拟船用中速柴油机3则逐步降低驱动电机1-3转速直到停止。
[0061] 本
说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
