壓縮比對(duì)4190型船用柴油機(jī)性能的影響

黃加亮， 項(xiàng)勇兵， 尹自斌， 于洪亮

(1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361021； 2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門(mén) 361021)

壓縮比對(duì)4190型船用柴油機(jī)性能的影響

黃加亮1,2， 項(xiàng)勇兵1， 尹自斌1,2， 于洪亮1,2

(1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361021； 2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門(mén) 361021)

基于MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)，采用平均值法建立柴油機(jī)仿真模型，進(jìn)行柴油機(jī)工作過(guò)程的仿真。以4190 ZLC-2型船用增壓四沖程柴油機(jī)為例進(jìn)行試驗(yàn)，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與原機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，證明模型具有較高的仿真精度。在此基礎(chǔ)上，利用該仿真模型研究壓縮比對(duì)4190ZLC-2型柴油機(jī)性能的影響，為柴油機(jī)的性能開(kāi)發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

船舶工程；4190 ZLC-2型船用柴油機(jī)；MATLAB/Simulink；壓縮比；系統(tǒng)仿真；性能分析

近年來(lái)，船舶對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性等方面的要求不斷提高，因此有效降低船舶柴油機(jī)油耗率和減少有害物排放成為國(guó)際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。柴油機(jī)在壓縮行程中以壓縮比表示工質(zhì)的容積變化，其大小不但影響內(nèi)燃機(jī)循環(huán)熱效率、循環(huán)平均有效壓力，而且影響廢氣殘余系數(shù)和換氣過(guò)程中的充氣效率，進(jìn)而影響燃燒質(zhì)量。理論與實(shí)踐表明，在一定范圍內(nèi)增加壓縮比(ε)，一方面可提高柴油機(jī)循環(huán)熱效率(ηi)，提高動(dòng)力性，改善經(jīng)濟(jì)性；另一方面可使缸內(nèi)燃油燃燒充分、柴油機(jī)工作平穩(wěn)，進(jìn)而保證良好的啟動(dòng)性能。[1]

ε隨柴油機(jī)使用時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減少，直接影響著柴油機(jī)的性能。對(duì)柴油機(jī)ε的測(cè)定通常采用實(shí)驗(yàn)法，即用臺(tái)架對(duì)柴油機(jī)的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。[2-4]此處利用MATLAB/Simulink仿真軟件，采用平均值法建立4190 ZLC-2型船用增壓四沖程柴油機(jī)的工作過(guò)程仿真模型，研究ε對(duì)其主要性能參數(shù)的影響，并系統(tǒng)分析ε與柴油機(jī)各工作參數(shù)的關(guān)系。

1 平均值模型概述

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型的優(yōu)點(diǎn)是能很好地兼顧柴油機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真的實(shí)時(shí)性和精度要求，但在建立模型過(guò)程中需做很多相關(guān)試驗(yàn)來(lái)獲取大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通用性相對(duì)較差，因此使用簡(jiǎn)單且能滿(mǎn)足控制設(shè)計(jì)要求的平均值模型。描述平均值模型的方程可分為兩大類(lèi)：瞬變方程和狀態(tài)方程，其中：瞬變方程一般是代數(shù)方程形式，表示因柴油機(jī)某些變量變化而引起的其他變量的瞬時(shí)變化；狀態(tài)方程是微分方程形式，表示某些狀態(tài)變量的變化關(guān)系是一種時(shí)域上的微積分關(guān)系，如扭矩和轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系等[5-8]。此處以4190 ZLC-2型船用柴油機(jī)為仿真對(duì)象，建立一種適用于渦輪增壓柴油機(jī)工作過(guò)程仿真的基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的非線(xiàn)性平均值模型。該模型以較大的時(shí)間間隔來(lái)描述柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的動(dòng)態(tài)模型，并不包含對(duì)具體的諸如進(jìn)排氣、燃燒等工作過(guò)程的描述。

柴油機(jī)的理論模型必須考慮各個(gè)子系統(tǒng)，并建立相應(yīng)的模型，因此建立這個(gè)用于控制分析的柴油機(jī)平均值模型的好處是可根據(jù)渦輪增壓中速柴油機(jī)各部分的工作原理，對(duì)各工作系統(tǒng)的物理意義進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。由于平均值模型沒(méi)有涉及到較為復(fù)雜的計(jì)算，只表示過(guò)程的狀態(tài)變量的時(shí)間平均效應(yīng)和綜合結(jié)果，因此突出了實(shí)時(shí)性，即不考慮柴油機(jī)的循環(huán)波動(dòng)。對(duì)物理過(guò)程中清晰的環(huán)節(jié)用微分方程或代數(shù)方程表示，而對(duì)物理過(guò)程復(fù)雜的環(huán)節(jié)則用經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)公式表示，重點(diǎn)描述柴油機(jī)各個(gè)狀態(tài)變量的平均值隨時(shí)間變化的過(guò)程。

2 仿真模型的組成和假設(shè)

船用渦輪增壓柴油機(jī)模型由柴油機(jī)本體、壓氣機(jī)、燃油系統(tǒng)、渦輪及中冷器5部分組成(見(jiàn)圖1)?？諝饨?jīng)壓氣機(jī)增壓、中冷器冷卻后進(jìn)入燃燒室，和燃油混合生成可燃混合氣，燃燒后產(chǎn)生的廢氣進(jìn)入渦輪做功，隨后通過(guò)排氣管排出；燃油系統(tǒng)控制燃油量。建立柴油機(jī)模型時(shí)有以下基本假設(shè)：

1.流過(guò)各部件的氣體質(zhì)量、流量是連續(xù)的。

2.循環(huán)供油量瞬時(shí)變化是處于穩(wěn)態(tài)的。

3.柴油機(jī)增壓器工作狀態(tài)和熱力學(xué)參數(shù)一致，每個(gè)氣缸工作狀態(tài)一致。

4.系統(tǒng)中流量、溫度及壓力為平均值，狀態(tài)參數(shù)只是時(shí)間的函數(shù)，與空間位置無(wú)關(guān)。

圖1 渦輪增壓柴油機(jī)系統(tǒng)模型組成

2.1仿真系統(tǒng)各部分的模型

2.1.1壓氣機(jī)模型

壓氣機(jī)是渦輪增壓柴油機(jī)的核心部件，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)葉片產(chǎn)生的機(jī)械能對(duì)新鮮空氣做功，進(jìn)而得到其進(jìn)氣壓力。壓氣機(jī)主要由渦輪驅(qū)動(dòng)，包括氣體流量、增壓比、轉(zhuǎn)速和效率性能參數(shù)等。在設(shè)計(jì)壓氣機(jī)模塊時(shí)，增壓器轉(zhuǎn)速和流量為輸入?yún)?shù)，溫度、出口壓力和轉(zhuǎn)矩為輸出參數(shù)，由式(1)～式(3)計(jì)算。

(1)

p2=p1πc

(2)

(3)

式(1)～式(3)中：R為氣體常數(shù)；k為氣體絕緣指數(shù)；p1為大氣壓力；T1為環(huán)境溫度。可看出，壓氣機(jī)的壓比πc和效率ηc需先求出。效率ηc，質(zhì)量流量qmc，壓比πc和轉(zhuǎn)速nc之間關(guān)系為qmc=f(nc，πc)，ηc=f(nc，πc)。

2.1.2中冷器模型

在中高增壓柴油機(jī)上，為提高增壓效果,通常采用進(jìn)氣中冷器。中冷器子模塊的壓氣機(jī)出口溫度、質(zhì)量流量和壓力為輸入?yún)?shù)，中冷器壓力和出口溫度為輸出參數(shù)。選用簡(jiǎn)化方法處理，引入冷卻效率ζ。由于冷卻水溫度和中冷器進(jìn)口空氣溫度對(duì)ε的影響不大，選取ζ=0.84即可滿(mǎn)足要求。因此,中冷器出口空氣溫度為

T3=T2(1-ζ)+ζTw

(4)

式(4)中：Tw為冷卻水進(jìn)口溫度，K。

增壓空氣通過(guò)中冷器的壓力損失可按式(5)計(jì)算。

(5)

式(5)中：Δp0為設(shè)計(jì)工況時(shí)中冷器的壓力損失，約為400 Pa；qm0為中冷器設(shè)計(jì)流量。出口處空氣壓力為p3=p2-Δp。

2.1.3柴油機(jī)本體模型

柴油機(jī)模型由6個(gè)子模塊組成，分別用于計(jì)算氣缸充氣效率、指示熱效率、氣體流量、平均排氣溫度、指示轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩。

2.1.3.1 氣缸充氣效率ηv

柴油機(jī)的充氣效率ηv是實(shí)際進(jìn)入氣缸中的充量與進(jìn)氣狀態(tài)下充滿(mǎn)氣缸工作容積的充量的比值,直接影響柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性等性能指標(biāo)。ηv可看成柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)，因此可先通過(guò)柴油機(jī)試驗(yàn)測(cè)得轉(zhuǎn)速分別為150 r/min，200 r/min，250 r/min，300 r/min，350 r/min，400 r/min，450 r/min，500 r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的ηv，然后運(yùn)用最小二乘法擬合速度工況下的充氣效率曲線(xiàn)(見(jiàn)圖2)。

圖2 充氣效率曲線(xiàn)

2.1.3.2 進(jìn)入氣缸的氣體流量qm3

因渦輪增壓柴油機(jī)各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，故在建立仿真模型時(shí)進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化。在對(duì)氣體流量建模時(shí)，假設(shè)氣缸中流動(dòng)著均勻的工質(zhì)，不考慮殘余廢氣系數(shù)對(duì)柴油機(jī)流量的影響，則氣體流量為

qm3=ηvρ3Vnsh/120

(6)

ρ3=p3/RT3

(7)

式(6)～式(7)中：ηv為充氣效率；ρ3為中冷后空氣密度，kg/m3；V為氣缸總?cè)莘e，m3；nsh為轉(zhuǎn)速，r/min。

2.1.3.3 平均排氣溫度T4

在柴油機(jī)排氣系統(tǒng)中，排氣溫度是決定增壓器工作狀態(tài)的重要因素，運(yùn)用熱力學(xué)第一定律，可得出渦輪增壓柴油機(jī)工作過(guò)程中的熱平衡方程為

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

(8)

式(8)中：qmf為單位時(shí)間氣缸內(nèi)的燃油量，kg/s；HLHV為低熱值，J/kg；Qv為冷卻水單位時(shí)間帶走的熱量，J/s；Pe為柴油機(jī)有效功率,W；Cpa,Cpe分別為進(jìn)氣、排氣工質(zhì)的比熱容，(J/kg)·K；T4為平均排氣溫度。

燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為有效功的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為有效熱效率，柴油機(jī)的有效熱效率公式為

ηe=Pe/(qmfHLHV)

(9)

冷卻損失百分比為

εw=Qw/(qmfHLHV)

(10)

令εE=1-ne-εe，整理可得平均排氣溫度為

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

(11)

式(11)中：Kr=εEHLHV/Cpv為排氣溫度因子。

2.1.3.4 指示熱效率ηi

指示熱效率ηi是柴油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中消耗的燃料熱量與實(shí)際循環(huán)指示功的比值;指示效率是評(píng)價(jià)柴油機(jī)工作循環(huán)的一個(gè)經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，也是衡量氣缸內(nèi)燃料燃燒應(yīng)釋放出的熱能轉(zhuǎn)換成指示功的有效程度的一個(gè)尺度。ηi是柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和燃空比的函數(shù)，由柴油機(jī)試驗(yàn)測(cè)得ηi受燃空比的影響遠(yuǎn)大于受轉(zhuǎn)速的影響，因此只考慮指示熱效率隨燃空比的變化。由柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得燃空比對(duì)應(yīng)的ηi，然后用最小二乘法擬合在整個(gè)燃空比范圍內(nèi)的指示熱效率曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3)。

圖3 指示熱效率曲線(xiàn)

2.1.3.5 指示轉(zhuǎn)矩Mt

指示轉(zhuǎn)矩Mt可按照式(12)計(jì)算。

(12)

式(12)中：qmf為單位時(shí)間氣缸內(nèi)的燃油量，kg/s；HLHV為燃油的低熱值，J/kg。

2.1.3.6 摩擦轉(zhuǎn)矩

由于機(jī)型及運(yùn)行條件差異較大，目前還很難建立適用于各種機(jī)型、各種工況的通用的摩擦力計(jì)算公式。結(jié)合本柴油機(jī)特點(diǎn)，選用一個(gè)反映平均摩擦壓力和轉(zhuǎn)速之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，即

(13)

(14)

2.1.4發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型

柴油機(jī)動(dòng)力裝置比較復(fù)雜，為方便仿真計(jì)算，可大體簡(jiǎn)化成2個(gè)回轉(zhuǎn)質(zhì)量(柴油機(jī)和負(fù)載)及1個(gè)無(wú)慣性聯(lián)軸節(jié)，根據(jù)牛頓第二定律，可得柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩的平衡方程為

(15)

式(15)中：ML為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Jc為當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；JL為負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2.1.5渦輪模型

建立渦輪的數(shù)學(xué)模型，主要考慮質(zhì)量流量qmt，渦輪效率ηt，轉(zhuǎn)速nt和膨脹比πt之間的關(guān)系。根據(jù)渦輪特性曲線(xiàn)建立仿真模型，由增壓器轉(zhuǎn)速和渦輪質(zhì)量流量即可得出渦輪膨脹比和效率。基于熱力學(xué)理論和牛頓第二定律，可由這4個(gè)參數(shù)和排溫得到渦輪出口溫度T5的計(jì)算公式為

(16)

渦輪發(fā)出的轉(zhuǎn)矩Mt的計(jì)算公式為

(17)

2.1.6渦輪增壓器動(dòng)力學(xué)模型

渦輪增壓器一般依靠其他動(dòng)力壓縮氣體、提升壓力，以達(dá)到增加進(jìn)氣量的目的。在建立渦輪增壓器動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，認(rèn)為廢氣渦輪做的功全部用于壓縮氣體，不考慮摩擦損失和散熱損失等外部因素，則增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)平衡方程為

(18)

式(18)中：Jtc為渦輪增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ntc為渦輪增壓器轉(zhuǎn)速，r/min；ntc=nt=nc。

2.2代數(shù)環(huán)的解決方案及選擇算法

1) 代數(shù)環(huán)是指在同一個(gè)模塊中輸出信號(hào)再重新送到輸入端口。仿真模塊中的中冷器、壓氣機(jī)和計(jì)算進(jìn)氣量3個(gè)子模塊構(gòu)成一個(gè)代數(shù)環(huán)。Simulink在使用迭代數(shù)值技術(shù)解決代數(shù)環(huán)時(shí)，因迭代過(guò)程需很長(zhǎng)時(shí)間，且有時(shí)代數(shù)方程可能不收斂，必須想辦法消除代數(shù)環(huán)。此處采用存儲(chǔ)模塊(Memory)中斷代數(shù)環(huán),優(yōu)點(diǎn)是局限性小，且較簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是由存儲(chǔ)模塊帶來(lái)的延遲會(huì)使仿真精度下降。要解決此問(wèn)題，可將仿真參數(shù)中最大步長(zhǎng)設(shè)置為足夠小的值。

2) 創(chuàng)建Simulink仿真模型時(shí)會(huì)存在數(shù)值問(wèn)題，因此必須選擇恰當(dāng)?shù)乃惴ㄇ蠼??？梢钥紤]選擇微分方程求解所使用的最佳算法，使仿真能夠準(zhǔn)確和快速地進(jìn)行。此處采用ODE4算法。

3 柴油機(jī)整機(jī)模型建立與試驗(yàn)驗(yàn)證

分別建立各部分模型,封裝后連接起來(lái),組成柴油機(jī)整機(jī)仿真模型(見(jiàn)圖4)。

為驗(yàn)證整機(jī)仿真模型的正確性，在4190 ZLC-2型船用中速柴油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，采用AVL燃燒分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，柴油機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 4190 ZLC-2型柴油機(jī)整機(jī)仿真模型

項(xiàng)目名稱(chēng)氣缸數(shù)/個(gè)氣缸直徑D/mm活塞行程S/mm額定功率Pe/kW額定轉(zhuǎn)速n/(r/min)壓縮比ε最大爆發(fā)壓力pmax/MPa平均有效壓力pe/MPa有效耗油率ge/(g/(kW·h))技術(shù)參數(shù)41902102201000141.081.109≤208

在建立好柴油機(jī)的控制模型后，需對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，以保證其性能與原機(jī)具有較好的一致性。在4190 ZLC-2型船用增壓四沖程柴油機(jī)額定工況下仿真計(jì)算不同轉(zhuǎn)速下的柴油機(jī)性能參數(shù)值。將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以看出,在額定工況、不同轉(zhuǎn)速下,計(jì)算結(jié)果與原機(jī)試驗(yàn)值基本吻合，證明了仿真模型的正確性與實(shí)用性(見(jiàn)圖5、圖6)。

4 壓縮比對(duì)4190 ZLC-2型船用柴油機(jī)性能的影響分析

柴油機(jī)在壓縮過(guò)程中以壓縮比ε表示工質(zhì)的容積變化，其大小直接影響柴油機(jī)循環(huán)熱效率ηi，充氣效率ηv，平均有效壓力pe等。柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的霧化效果和壓縮終點(diǎn)氣缸內(nèi)的溫度Tc直接影響柴油機(jī)的啟動(dòng)性能。在燃油霧化效果相同的情況下，壓縮終點(diǎn)氣缸內(nèi)溫度Tc決定柴油機(jī)啟動(dòng)性能的好壞，而ε的變化決定壓縮終點(diǎn)氣缸內(nèi)溫度的變化。在進(jìn)氣條件相同的情況下，減小ε，壓縮終點(diǎn)柴油機(jī)氣缸內(nèi)的溫度降低，導(dǎo)致噴入氣缸內(nèi)的燃油燃燒困難，滯燃期τc增大，從而使得柴油機(jī)的燃燒性能和啟動(dòng)性能不理想；增大ε，壓縮終點(diǎn)柴油機(jī)氣缸缸內(nèi)的溫度升高，噴入氣缸內(nèi)的燃油燃燒完全，且τc減小，柴油機(jī)的燃燒性能和啟動(dòng)性能得到改善。因此，在保證柴油機(jī)具有較高的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的同時(shí)，應(yīng)合理選擇壓縮比，避免粗暴工作，考慮燃燒品質(zhì)的影響。分別對(duì)ε取值10～18的情況進(jìn)行仿真比較，見(jiàn)圖7。

圖5 轉(zhuǎn)速對(duì)扭矩的影響

圖6 轉(zhuǎn)速對(duì)油耗率的影響

圖7(a)～圖7(c)分別為柴油機(jī)的額定工況下ε對(duì)扭矩Mt，有效燃油消耗率ge和功率Pe的變化趨勢(shì)圖。從圖中可以看出，隨著ε增大，扭矩、功率都增大，這是因?yàn)棣旁酱?，燃油燃燒環(huán)境越理想，使得廢氣排得越干凈，從而使柴油機(jī)的充氣效率得到提升，燃燒室里的燃料燃燒更充分，熱能轉(zhuǎn)化成的機(jī)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，很好地改善了柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)特性，且變化的趨勢(shì)趨于平緩。可見(jiàn)，ε增大能改善缸內(nèi)燃油的燃燒性能，提高柴油機(jī)軸功率、燃燒始點(diǎn)的溫度。排氣溫度Tr略有下降，說(shuō)明ε提高還能改善柴油機(jī)的熱負(fù)荷。柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性隨著ε增大得到改善，在只考慮柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的情況下，ε越大越好。但是，ε過(guò)大也會(huì)造成柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷過(guò)大。因此對(duì)于柴油機(jī)，在保證機(jī)械負(fù)荷的前提下，應(yīng)盡量提高ε。

圖7(d)～圖7(f)分別為柴油機(jī)的排氣溫度Tr，單位功率的NOx和NOx質(zhì)量流量隨ε的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，隨著ε增大，Tr和單位功率的NOx減小，而NOx質(zhì)量流量增大。這是因?yàn)棣旁黾邮沟脺计跍p小，柴油機(jī)缸內(nèi)燃油燃燒提前，減小了柴油機(jī)后燃，Tr降低，隨著ε增大，柴油機(jī)的動(dòng)力性提高；而增大柴油機(jī)的功率，導(dǎo)致單位功率的NOx呈下降趨勢(shì)；由于ε增加，導(dǎo)致柴油機(jī)氣缸內(nèi)最高溫度Tr max增大，所以NOx質(zhì)量流量增加。

(a) 壓縮比對(duì)扭矩的影響

(b) 壓縮比對(duì)有效燃油消耗率的影響

(c) 壓縮比對(duì)功率的影響

(d) 壓縮比對(duì)排煙溫度的影響

(e) 壓縮比對(duì)單位功率的NOx的影響

(f) 壓縮比對(duì)NOx質(zhì)量流量的影響

綜上所述，壓縮比ε作為柴油機(jī)燃燒室的形狀參數(shù)，對(duì)整機(jī)熱力過(guò)程的影響至關(guān)重要，合理提高ε會(huì)改善柴油機(jī)的燃燒品質(zhì)，提高動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和冷啟動(dòng)性能。但是當(dāng)ε過(guò)高時(shí)，柴油機(jī)氣缸最高燃燒壓力pmax得以升高的同時(shí)，也會(huì)使壓力升高率(Δpmax/Δφ)隨之增加，從而導(dǎo)致柴油機(jī)工作粗暴、有害排放物增加、燃燒噪聲提高。反之，當(dāng)ε過(guò)小時(shí)，則對(duì)于柴油機(jī)燃燒性能和冷啟動(dòng)不利。一般說(shuō)來(lái)，柴油機(jī)的指示熱效率ηi隨ε增大而增大，而其機(jī)械效率ηm卻隨著ε的增大而減小。因此，選擇柴油機(jī)ε需要考慮多方面的因素，在滿(mǎn)足柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷要求的前提下應(yīng)盡量選擇較大ε。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于平均值法建立4190 ZLC-2型船用增壓四沖程柴油機(jī)工作過(guò)程仿真模型，在選擇正確仿真參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，證明了該仿真模型的正確性。研究結(jié)果表明：

1.壓縮比ε對(duì)柴油機(jī)循環(huán)熱效率有重要影響，進(jìn)而影響柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及排放性等。在滿(mǎn)足船舶柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷要求的前提下，增加ε可以提高燃燒品質(zhì)，因此應(yīng)選擇較大的ε。對(duì)于4190 ZLC-2型中速柴油機(jī)，通過(guò)仿真計(jì)算的壓縮比ε的最佳值為16.5。

2.基于MATLAB/Simulink的柴油機(jī)工作過(guò)程仿真模型具有較高的可信度，有利于縮短開(kāi)發(fā)周期和降低產(chǎn)品研制費(fèi)用，是一種有效的研究和設(shè)計(jì)手段。利用該仿真模型研究壓縮比對(duì)柴油機(jī)性能的影響，可為柴油機(jī)的性能開(kāi)發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

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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

福建省自然科學(xué)基金(2012J01230)；福建省科技廳資助省屬高校專(zhuān)項(xiàng)基金(JK2013025)

黃加亮(1963—)，男，福建泉州人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事船舶柴油機(jī)性能優(yōu)化與故障分析研究。

E-mail:jlhuang@jmu.edu.cn

1000-4653(2014)03-0015-06

U664.1; TP391.9

A