压缩比对4190型船用柴油机性能的影响

黄加亮， 项勇兵， 尹自斌， 于洪亮

(1.集美大学 轮机工程学院， 福建 厦门 361021； 2.福建省船舶与海洋工程重点实验室， 福建 厦门 361021)

压缩比对4190型船用柴油机性能的影响

黄加亮1,2， 项勇兵1， 尹自斌1,2， 于洪亮1,2

(1.集美大学 轮机工程学院， 福建 厦门 361021； 2.福建省船舶与海洋工程重点实验室， 福建 厦门 361021)

基于MATLAB/Simulink仿真平台，采用平均值法建立柴油机仿真模型，进行柴油机工作过程的仿真。以4190 ZLC-2型船用增压四冲程柴油机为例进行试验，并将试验数据与原机试验数据进行对比，证明模型具有较高的仿真精度。在此基础上，利用该仿真模型研究压缩比对4190ZLC-2型柴油机性能的影响，为柴油机的性能开发和优化设计提供依据。

船舶工程；4190 ZLC-2型船用柴油机；MATLAB/Simulink；压缩比；系统仿真；性能分析

近年来，船舶对柴油机的动力性、经济性及排放性等方面的要求不断提高，因此有效降低船舶柴油机油耗率和减少有害物排放成为国际社会关注的焦点。柴油机在压缩行程中以压缩比表示工质的容积变化，其大小不但影响内燃机循环热效率、循环平均有效压力，而且影响废气残余系数和换气过程中的充气效率，进而影响燃烧质量。理论与实践表明，在一定范围内增加压缩比(ε)，一方面可提高柴油机循环热效率(ηi)，提高动力性，改善经济性；另一方面可使缸内燃油燃烧充分、柴油机工作平稳，进而保证良好的启动性能。[1]

ε随柴油机使用时间的增长而逐渐减少，直接影响着柴油机的性能。对柴油机ε的测定通常采用实验法，即用台架对柴油机的参数进行标定。[2-4]此处利用MATLAB/Simulink仿真软件，采用平均值法建立4190 ZLC-2型船用增压四冲程柴油机的工作过程仿真模型，研究ε对其主要性能参数的影响，并系统分析ε与柴油机各工作参数的关系。

1 平均值模型概述

准稳态模型的优点是能很好地兼顾柴油机动态过程仿真的实时性和精度要求，但在建立模型过程中需做很多相关试验来获取大量试验数据，通用性相对较差，因此使用简单且能满足控制设计要求的平均值模型。描述平均值模型的方程可分为两大类：瞬变方程和状态方程，其中：瞬变方程一般是代数方程形式，表示因柴油机某些变量变化而引起的其他变量的瞬时变化；状态方程是微分方程形式，表示某些状态变量的变化关系是一种时域上的微积分关系，如扭矩和转速的变化关系等[5-8]。此处以4190 ZLC-2型船用柴油机为仿真对象，建立一种适用于涡轮增压柴油机工作过程仿真的基于准稳态的非线性平均值模型。该模型以较大的时间间隔来描述柴油机的动态特性参数的动态模型，并不包含对具体的诸如进排气、燃烧等工作过程的描述。

柴油机的理论模型必须考虑各个子系统，并建立相应的模型，因此建立这个用于控制分析的柴油机平均值模型的好处是可根据涡轮增压中速柴油机各部分的工作原理，对各工作系统的物理意义进行简化处理。由于平均值模型没有涉及到较为复杂的计算，只表示过程的状态变量的时间平均效应和综合结果，因此突出了实时性，即不考虑柴油机的循环波动。对物理过程中清晰的环节用微分方程或代数方程表示，而对物理过程复杂的环节则用经验或试验数据公式表示，重点描述柴油机各个状态变量的平均值随时间变化的过程。

2 仿真模型的组成和假设

船用涡轮增压柴油机模型由柴油机本体、压气机、燃油系统、涡轮及中冷器5部分组成(见图1)。空气经压气机增压、中冷器冷却后进入燃烧室，和燃油混合生成可燃混合气，燃烧后产生的废气进入涡轮做功，随后通过排气管排出；燃油系统控制燃油量。建立柴油机模型时有以下基本假设：

1.流过各部件的气体质量、流量是连续的。

2.循环供油量瞬时变化是处于稳态的。

3.柴油机增压器工作状态和热力学参数一致，每个气缸工作状态一致。

4.系统中流量、温度及压力为平均值，状态参数只是时间的函数，与空间位置无关。

图1 涡轮增压柴油机系统模型组成

2.1仿真系统各部分的模型

2.1.1压气机模型

压气机是涡轮增压柴油机的核心部件，通过高速旋转叶片产生的机械能对新鲜空气做功，进而得到其进气压力。压气机主要由涡轮驱动，包括气体流量、增压比、转速和效率性能参数等。在设计压气机模块时，增压器转速和流量为输入参数，温度、出口压力和转矩为输出参数，由式(1)～式(3)计算。

(1)

p2=p1πc

(2)

(3)

式(1)～式(3)中：R为气体常数；k为气体绝缘指数；p1为大气压力；T1为环境温度。可看出，压气机的压比πc和效率ηc需先求出。效率ηc，质量流量qmc，压比πc和转速nc之间关系为qmc=f(nc，πc)，ηc=f(nc，πc)。

2.1.2中冷器模型

在中高增压柴油机上，为提高增压效果,通常采用进气中冷器。中冷器子模块的压气机出口温度、质量流量和压力为输入参数，中冷器压力和出口温度为输出参数。选用简化方法处理，引入冷却效率ζ。由于冷却水温度和中冷器进口空气温度对ε的影响不大，选取ζ=0.84即可满足要求。因此,中冷器出口空气温度为

T3=T2(1-ζ)+ζTw

(4)

式(4)中：Tw为冷却水进口温度，K。

增压空气通过中冷器的压力损失可按式(5)计算。

(5)

式(5)中：Δp0为设计工况时中冷器的压力损失，约为400 Pa；qm0为中冷器设计流量。出口处空气压力为p3=p2-Δp。

2.1.3柴油机本体模型

柴油机模型由6个子模块组成，分别用于计算气缸充气效率、指示热效率、气体流量、平均排气温度、指示转矩和摩擦转矩。

2.1.3.1 气缸充气效率ηv

柴油机的充气效率ηv是实际进入气缸中的充量与进气状态下充满气缸工作容积的充量的比值,直接影响柴油机的动力性、经济性和排放性等性能指标。ηv可看成柴油机转速的函数，因此可先通过柴油机试验测得转速分别为150 r/min，200 r/min，250 r/min，300 r/min，350 r/min，400 r/min，450 r/min，500 r/min时对应的ηv，然后运用最小二乘法拟合速度工况下的充气效率曲线(见图2)。

图2 充气效率曲线

2.1.3.2 进入气缸的气体流量qm3

因涡轮增压柴油机各系统的结构非常复杂，故在建立仿真模型时进行了合理的简化。在对气体流量建模时，假设气缸中流动着均匀的工质，不考虑残余废气系数对柴油机流量的影响，则气体流量为

qm3=ηvρ3Vnsh/120

(6)

ρ3=p3/RT3

(7)

式(6)～式(7)中：ηv为充气效率；ρ3为中冷后空气密度，kg/m3；V为气缸总容积，m3；nsh为转速，r/min。

2.1.3.3 平均排气温度T4

在柴油机排气系统中，排气温度是决定增压器工作状态的重要因素，运用热力学第一定律，可得出涡轮增压柴油机工作过程中的热平衡方程为

qmfHLHV-QV-Pe=(qm3+qmf)CpeT4-qm3CpaT3

(8)

式(8)中：qmf为单位时间气缸内的燃油量，kg/s；HLHV为低热值，J/kg；Qv为冷却水单位时间带走的热量，J/s；Pe为柴油机有效功率,W；Cpa,Cpe分别为进气、排气工质的比热容，(J/kg)·K；T4为平均排气温度。

燃料燃烧所产生的热量转化为有效功的百分数称为有效热效率，柴油机的有效热效率公式为

ηe=Pe/(qmfHLHV)

(9)

冷却损失百分比为

εw=Qw/(qmfHLHV)

(10)

令εE=1-ne-εe，整理可得平均排气温度为

T4=T3+Kr/(1+qma/qmf)

(11)

式(11)中：Kr=εEHLHV/Cpv为排气温度因子。

2.1.3.4 指示热效率ηi

指示热效率ηi是柴油机在运行过程中消耗的燃料热量与实际循环指示功的比值;指示效率是评价柴油机工作循环的一个经济性参数，也是衡量气缸内燃料燃烧应释放出的热能转换成指示功的有效程度的一个尺度。ηi是柴油机转速和燃空比的函数，由柴油机试验测得ηi受燃空比的影响远大于受转速的影响，因此只考虑指示热效率随燃空比的变化。由柴油机台架试验测得燃空比对应的ηi，然后用最小二乘法拟合在整个燃空比范围内的指示热效率曲线(见图3)。

图3 指示热效率曲线

2.1.3.5 指示转矩Mt

指示转矩Mt可按照式(12)计算。

(12)

式(12)中：qmf为单位时间气缸内的燃油量，kg/s；HLHV为燃油的低热值，J/kg。

2.1.3.6 摩擦转矩

由于机型及运行条件差异较大，目前还很难建立适用于各种机型、各种工况的通用的摩擦力计算公式。结合本柴油机特点，选用一个反映平均摩擦压力和转速之间关系的经验公式，即

(13)

(14)

2.1.4发动机动力学模型

柴油机动力装置比较复杂，为方便仿真计算，可大体简化成2个回转质量(柴油机和负载)及1个无惯性联轴节，根据牛顿第二定律，可得柴油机转矩的平衡方程为

(15)

式(15)中：ML为负载转矩；Jc为当量转动惯量；JL为负载转动惯量。

2.1.5涡轮模型

建立涡轮的数学模型，主要考虑质量流量qmt，涡轮效率ηt，转速nt和膨胀比πt之间的关系。根据涡轮特性曲线建立仿真模型，由增压器转速和涡轮质量流量即可得出涡轮膨胀比和效率。基于热力学理论和牛顿第二定律，可由这4个参数和排温得到涡轮出口温度T5的计算公式为

(16)

涡轮发出的转矩Mt的计算公式为

(17)

2.1.6涡轮增压器动力学模型

涡轮增压器一般依靠其他动力压缩气体、提升压力，以达到增加进气量的目的。在建立涡轮增压器动力学模型时，认为废气涡轮做的功全部用于压缩气体，不考虑摩擦损失和散热损失等外部因素，则增压器转动平衡方程为

(18)

式(18)中：Jtc为涡轮增压器转动惯量，kg·m2；ntc为涡轮增压器转速，r/min；ntc=nt=nc。

2.2代数环的解决方案及选择算法

1) 代数环是指在同一个模块中输出信号再重新送到输入端口。仿真模块中的中冷器、压气机和计算进气量3个子模块构成一个代数环。Simulink在使用迭代数值技术解决代数环时，因迭代过程需很长时间，且有时代数方程可能不收敛，必须想办法消除代数环。此处采用存储模块(Memory)中断代数环,优点是局限性小，且较简单；缺点是由存储模块带来的延迟会使仿真精度下降。要解决此问题，可将仿真参数中最大步长设置为足够小的值。

2) 创建Simulink仿真模型时会存在数值问题，因此必须选择恰当的算法求解。可以考虑选择微分方程求解所使用的最佳算法，使仿真能够准确和快速地进行。此处采用ODE4算法。

3 柴油机整机模型建立与试验验证

分别建立各部分模型,封装后连接起来,组成柴油机整机仿真模型(见图4)。

为验证整机仿真模型的正确性，在4190 ZLC-2型船用中速柴油机上进行试验，采用AVL燃烧分析仪进行数据采集，柴油机主要参数见表1。

图4 4190 ZLC-2型柴油机整机仿真模型

项目名称气缸数/个气缸直径D/mm活塞行程S/mm额定功率Pe/kW额定转速n/(r/min)压缩比ε最大爆发压力pmax/MPa平均有效压力pe/MPa有效耗油率ge/(g/(kW·h))技术参数41902102201000141.081.109≤208

在建立好柴油机的控制模型后，需对其进行校验，以保证其性能与原机具有较好的一致性。在4190 ZLC-2型船用增压四冲程柴油机额定工况下仿真计算不同转速下的柴油机性能参数值。将计算结果与实测数据进行比较可以看出,在额定工况、不同转速下,计算结果与原机试验值基本吻合，证明了仿真模型的正确性与实用性(见图5、图6)。

4 压缩比对4190 ZLC-2型船用柴油机性能的影响分析

柴油机在压缩过程中以压缩比ε表示工质的容积变化，其大小直接影响柴油机循环热效率ηi，充气效率ηv，平均有效压力pe等。柴油机燃油喷射系统的雾化效果和压缩终点气缸内的温度Tc直接影响柴油机的启动性能。在燃油雾化效果相同的情况下，压缩终点气缸内温度Tc决定柴油机启动性能的好坏，而ε的变化决定压缩终点气缸内温度的变化。在进气条件相同的情况下，减小ε，压缩终点柴油机气缸内的温度降低，导致喷入气缸内的燃油燃烧困难，滞燃期τc增大，从而使得柴油机的燃烧性能和启动性能不理想；增大ε，压缩终点柴油机气缸缸内的温度升高，喷入气缸内的燃油燃烧完全，且τc减小，柴油机的燃烧性能和启动性能得到改善。因此，在保证柴油机具有较高的经济性和动力性的同时，应合理选择压缩比，避免粗暴工作，考虑燃烧品质的影响。分别对ε取值10～18的情况进行仿真比较，见图7。

图5 转速对扭矩的影响

图6 转速对油耗率的影响

图7(a)～图7(c)分别为柴油机的额定工况下ε对扭矩Mt，有效燃油消耗率ge和功率Pe的变化趋势图。从图中可以看出，随着ε增大，扭矩、功率都增大，这是因为ε越大，燃油燃烧环境越理想，使得废气排得越干净，从而使柴油机的充气效率得到提升，燃烧室里的燃料燃烧更充分，热能转化成的机械能越多。因此，功率和扭矩都得到了很大程度的提高；而ge大幅度降低，很好地改善了柴油机的经济特性，且变化的趋势趋于平缓。可见，ε增大能改善缸内燃油的燃烧性能，提高柴油机轴功率、燃烧始点的温度。排气温度Tr略有下降，说明ε提高还能改善柴油机的热负荷。柴油机的动力性和经济性随着ε增大得到改善，在只考虑柴油机的动力性和经济性的情况下，ε越大越好。但是，ε过大也会造成柴油机机械负荷过大。因此对于柴油机，在保证机械负荷的前提下，应尽量提高ε。

图7(d)～图7(f)分别为柴油机的排气温度Tr，单位功率的NOx和NOx质量流量随ε的变化趋势。从图中可以看出，随着ε增大，Tr和单位功率的NOx减小，而NOx质量流量增大。这是因为ε增加使得滞燃期减小，柴油机缸内燃油燃烧提前，减小了柴油机后燃，Tr降低，随着ε增大，柴油机的动力性提高；而增大柴油机的功率，导致单位功率的NOx呈下降趋势；由于ε增加，导致柴油机气缸内最高温度Tr max增大，所以NOx质量流量增加。

(a) 压缩比对扭矩的影响

(b) 压缩比对有效燃油消耗率的影响

(c) 压缩比对功率的影响

(d) 压缩比对排烟温度的影响

(e) 压缩比对单位功率的NOx的影响

(f) 压缩比对NOx质量流量的影响

综上所述，压缩比ε作为柴油机燃烧室的形状参数，对整机热力过程的影响至关重要，合理提高ε会改善柴油机的燃烧品质，提高动力性、经济性和冷启动性能。但是当ε过高时，柴油机气缸最高燃烧压力pmax得以升高的同时，也会使压力升高率(Δpmax/Δφ)随之增加，从而导致柴油机工作粗暴、有害排放物增加、燃烧噪声提高。反之，当ε过小时，则对于柴油机燃烧性能和冷启动不利。一般说来，柴油机的指示热效率ηi随ε增大而增大，而其机械效率ηm却随着ε的增大而减小。因此，选择柴油机ε需要考虑多方面的因素，在满足柴油机机械负荷要求的前提下应尽量选择较大ε。

5 结 语

基于平均值法建立4190 ZLC-2型船用增压四冲程柴油机工作过程仿真模型，在选择正确仿真参数的基础上对模型进行仿真计算，仿真结果与实测结果吻合较好，证明了该仿真模型的正确性。研究结果表明：

1.压缩比ε对柴油机循环热效率有重要影响，进而影响柴油机的经济性、动力性及排放性等。在满足船舶柴油机机械负荷要求的前提下，增加ε可以提高燃烧品质，因此应选择较大的ε。对于4190 ZLC-2型中速柴油机，通过仿真计算的压缩比ε的最佳值为16.5。

2.基于MATLAB/Simulink的柴油机工作过程仿真模型具有较高的可信度，有利于缩短开发周期和降低产品研制费用，是一种有效的研究和设计手段。利用该仿真模型研究压缩比对柴油机性能的影响，可为柴油机的性能开发和优化设计提供参考。

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EffectsofCompressionRatioonPerformanceof4190TypeMarineDieselEngine

HUANGJialiang1,2,XIANGYongbing1,YINZibin1,2,YUHongliang1,2

(1. Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, China; 2. Key Laboratory of Ship and Marine engineering, Xiamen 361021, China)

The simulation model of 4190 ZLC-2 type 4-stroke turbocharged marine diesel engine in average is established on MATLAB/Simulink platform and the working process of the engine is simulated with the model. The model is verified by comparing the simulation results with actual engine test data. The effects of compression ratio on performances of 4190 ZLC-2 type marine diesel engine is studied through simulation with the model. The results of simulation can be the base of development and optimization of similar engines.

ship engineering; 4190 ZLC-2 type medium-speed marine diesel engines; MATLAB/Simulink; compression ratio; system simulation; performance analysis

2014-04-06

福建省自然科学基金(2012J01230)；福建省科技厅资助省属高校专项基金(JK2013025)

黄加亮(1963—)，男，福建泉州人，教授，硕士生导师，主要从事船舶柴油机性能优化与故障分析研究。

E-mail:jlhuang@jmu.edu.cn

1000-4653(2014)03-0015-06

U664.1; TP391.9

A