0 引　言

船舶航行过程中，柴油机经常处于过渡工况，既包括外力驱动的柴油机由静止到自行运转的起动过程，也包括负载变化引起的瞬态响应过程，这些瞬态工况下柴油机的性能特点关系到其运行的可靠性^{[1 − 2]}。柴油机常用的起动方式有人力起动、汽油机起动、压缩空气分配器起动、压缩空气马达起动和电动机起动等。压缩空气分配器起动具有起动能量大、起动迅速可靠的优点，主要应用于船用重型柴油机领域。

目前，国内外学者在柴油机起动系统改进方面开展了较多试验研究，大多侧重于增加启动辅助装置来加快柴油机起动^{[3 − 4]}，近些年逐渐开展发动机起动着火燃烧机理^[5]、过渡工况控制^[6]和喷油参数优化^[7]等方面，但针对船用柴油机起动过程瞬态性能及影响因素的研究较少。王飞等^[8]对气动马达起动空气系统进行了理论设计，吴磊等^[9]对船舶主机压缩空气起动系统进行分析，重点针对起动气瓶容积进行精确计算，刘汉辉等^[2]针对柴油机起动瞬态动力性提升，对活塞压缩比、飞轮旋转惯量等主机参数进行了优化，这些研究尚没有全面系统分析压缩空气起动系统影响因素。

本文在船用大功率柴油机整机稳态模型的基础上，构建基于压缩空气分配器起动的柴油机起动过程瞬态模型，分析了环境参数、运行参数、起动系统参数等对柴油机起动过程性能的影响，并进一步探究该柴油机在不同负荷加载时的瞬态调速特性，为基于压缩空气分配器起动的柴油机起动系统参数设计和瞬态调速特性评估提供依据。

1 仿真模型的建立及验证 1.1 柴油机基本参数

本文以某型16缸V型大功率柴油机为研究对象，该柴油机基本参数如表1所示。

1.2 柴油机整机稳态模型的建立与验证

利用GT-power软件建立柴油机整机稳态模型，包括进、排气管路系统、燃油系统、气缸、曲轴箱、涡轮增压器和调速器模块。缸内燃烧过程采用双韦伯燃烧放热率模型进行模拟，通过试验缸压曲线进行模型参数的标定，图1为全负荷工况下缸内燃烧压力的计算值和仿真值对比，表明模型能够较好反映实际缸内燃烧过程。

喷油器模型选用InjDieselSimpleConn模型，该模型可用于非预测模型或基于缸压曲线的燃烧速率模型，通过设置相关喷油参数，和双韦伯燃烧模型匹配计算，缸内喷油量通过调速器进行PID控制，选择转速控制模式，根据负荷的变化调整油量来保证转速的稳定。通过调整模型P、I参数，完成喷油模型的标定。图2为100%负荷突卸试验与仿真结果对比，可以看出，100%负荷突卸最高转速为1881 r/min，转速超调+81 r/min，瞬态调速率为4.5%，仿真与试验结果基本一致。

摩擦模型采用Schwarzmeier-Reulein模型来计算柴油机的总摩擦。该模型在考虑滑油温度和发动机工作点的情况下对发动机FMEP进行预测。它需要一个测量的稳态工况点作为参考输入，根据下式进行计算：

$ \begin{split}FEMP= &FEM{P}_{ref}+{M}_{1}\cdot\frac{44}{z}\cdot\left(\frac{{c}_{m}}{{T}_{{\text{cylm}}}^{1.68}}-\frac{{c}_{m,ref}}{{T}_{{\text{cylm}},ref}^{1.68}}\right)+\\ &{M}_{2}\cdot31\cdot\left(\frac{BMEP}{{T}_{{\text{cylm}}}^{1.68}}-\frac{BME{P}_{ref}}{{T}_{{\text{cylm}},ref}^{1.68}}\right)+\\ &{M}_{3}\cdot\frac{0.22}{z}\cdot\left(\frac{{(d\cdot n)}^{2}}{{T}_{{\text{oil}}}^{1.49}}-\frac{{(d\cdot{n}_{ref})}^{2}}{{T}_{{\text{oil}},ref}^{1.49}}\right)+\\ &{M}_{4}\cdot1.9\cdot\left(\frac{BMEP}{{T}_{{\text{oil}}}^{1.49}}-\frac{BME{P}_{ref}}{{T}_{{\text{oil}},ref}^{1.49}}\right){T}_{{\text{cylm}}}^{}{T}_{{\text{oil}}}^{}。\end{split} $

式中：$ {c_m} $为活塞平均速度；$ z $在四冲程发动机情况下等于2；$ T_{\text{cylm}}^{} $为柴油机汽缸壁温度；$ T_{\text{oil}}^{} $为滑油温度；$ n $为柴油机转速；$ d $为轴承直径。M₁、M₂、M₃、M₄分别为发动机活塞环、活塞、缸套之间、连杆曲轴机构气门机构等各摩擦部位的摩擦系数，BMEP为缸内平均有效压力。

利用模型对额定转速1881 r/min、负荷100%、80%、60%、40%和20%的稳态工况进行计算，表2为各工况下计算结果和试验结果对比。可知，仿真模型最大误差为8.04%，能够反映该机型稳态工况性能。

1.3 压缩空气起动系统模型的建立与验证

在柴油机稳态模型的基础上增加压缩空气起动系统，包括高压气瓶和管路模型、空气分配器模型和气缸起动阀模型，压缩空气进入气缸后，在膨胀做功行程，取消缸内喷油燃烧模型后，气缸相当于可变容积活塞，气体压力作用活塞，通过活塞、连杆、曲轴动力学和刚性运动学模型，模拟柴油机未着火前起动过程瞬态性能变化。

仿真模型中，将气瓶等效为一个容器，按照实际的数据设定体积和空气压力。空气分配器盘上均匀分布分配孔，分别与起动气缸相连。它们的发火间隔为90° CA，而分配器孔的间隔为45°，在模型中利用与各气缸发火时刻关联的进气阀门进行模拟分配器的开启和关闭。起动系统供气压力为1~3 MPa，供气时刻为气缸压缩上止点前5° CA，供气持续期为140 °CA，8个起动气缸分别为A₁、A₃、A₆、A₈、B₁、B₃、B₆、B₈。气缸起动阀是一个弹簧单向阀，用于避免气缸内高压空气回流至压缩气瓶。根据上述设置建立的柴油机起动过程瞬态模型如图3所示。

利用建立的柴油机起动过程瞬态模型，对气瓶容积250 L、压缩空气压力25 bar、管路直径为32 mm、供气时刻为气缸压缩上止点前5° CA，供气持续期为140° CA，8个起动气缸分别为A₁、A₃、A₆、A₈、B₁、B₃、B₆、B₈条件下的柴油机起动过程进行验证，如图4所示。

计算过程中当柴油机转速达到发火转速120 r/min时，未设置喷油着火，主机转速持续缓慢升高，而试验过程中当柴油机达到发火转速后，缸内喷油燃烧，转速急剧升高，试验控制柴油机转速升高至额定转速。从图中可以看出，起动3.17 s后柴油机转速升高至120 r/min，随后柴油机发火起动，在120 r/min之前试验结果和仿真结果基本一致，表明所建立的柴油机整机仿真模型较为合理。

2 仿真结果分析 2.1 柴油机起动过程瞬态性能分析

柴油机起动过程中，压缩空气通过空气分配器进入气缸后，在膨胀做功行程推动活塞运动，使柴油机达到最低起动转速，随后喷油燃烧。本文重点针对柴油机由静止到最低起动转速的起动过渡阶段进行研究，该柴油机最低起动转速为120 r/min，当转速达到120 r/min时判定为起动成功。图5为环境压力为0.96 bar、气瓶压力为30 bar、供气起始角为压缩上止点前5° CA下柴油机单次起动过程。

可知，起动时间为2.6 s时柴油机达到最低起动转速，满足柴油机起动指标要求，此时气瓶压降为1.2 bar，累计耗气量为1.03 kg。起动过程前2次循环缸内压力峰值基本不变，随着起动转速增加，缸压峰值再次持续升高。主要因为柴油机进排气管路和缸内初始空气状态为环境压力和温度，低转速下压气机效率低，第1次工作循环使得压气机后的空气压力急剧下降，导致第2次循环缸内压力尚未升高，随着转速增加，压气机效率增大，压缩后空气压力升高，同时气瓶的不断充气使得缸压峰值进一步增加。

图6为该工况下柴油机连续多次起动过程，当柴油机转速达到120 r/min时起动空气阀关闭，下次起动时的气瓶压力初始值为前一次起动转速达到120 r/min时的压力值。可以看出柴油机可实现连续6次起动过程，但第6次起动时间已达到5.6 s，超出起动标准范围。

2.2 柴油机起动过程影响因素分析 2.2.1 环境压力的影响

图7为压缩空气压力为30 bar、环境压力为0.8、0.9、1.0、1.1和1.2 bar条件下起动过程参数变化，图中柴油机转速由开始到转速120 r/min的时间为起动时间。可知，随着环境压力的升高，柴油机起动所需时间增加，环境压力由0.8 bar升高到1.2 bar时，起动时间增加了0.41 s，单次起动过程的空气消耗量增加了0.18 kg，气瓶压降增加了0.17 bar。这主要是由于排气背压增加使得高压气体排出气缸时的阻力增加，耗功增加，所需的气量也有所增加。

同一次工作循环内，随着环境压力增加，排气阻力增大，转速升高变慢，使得压力峰值和排气过程都有所后移，同时排气量减少，缸内空气压力峰值增加。

图8为环境压力为0.8 bar和1.2 bar时的多次起动过程，气瓶容积一定时，随着起动次数的增加，气瓶压力降低，逐渐不足以起动主机，当环境压力为0.8 bar时，柴油机能够实现5次顺利起动，第6次起动时间达到8 s，随着环境压力升高，可起动次数减少，环境压力升高到1.2 bar时，由于排气背压的增加，柴油机仅能够实现4次稳定起动，且第4次起动时气瓶压力达到25.4 bar，最低起动压力有所升高。

2.2.2 滑油温度的影响

起动柴油机时有可能遇到冷机起动、热机起动以及预润滑等多种情况，这些工况中影响比较大的是润滑油的温度。为了研究润滑油的温度对柴油机起动过程的影响，分别计算了压缩空气压力为30 bar、滑油温度为20℃、35℃、50℃、65℃和80℃条件下的柴油机起动过程，如图9所示。

可知，随着滑油温度的升高，柴油机起动所需时间减小，滑油温度由0℃升高到80℃时，起动时间减小了0.38 s，单次起动过程的空气消耗量减小了0.15 kg，气瓶压降减小了1.45 bar。这主要是滑油温度的升高加快了柴油机起动过程，柴油机转速升高速率增加，各缸做功不变，做功过程提前。滑油温度高时柴油机达到起动转速时的耗气量有所减少。

图10为滑油温度为0℃和80℃时的多次起动过程，气瓶容积一定时，随着起动次数的增加，气瓶压力降低，逐渐不足以起动主机，当滑油温度为20℃时，柴油机能够实现5次顺利起动，使得转速升高到120 r/min，由于低温下起动阻力矩的增加，起动次数减少，最低起动压力为25.4 bar，随着滑油温度升高到80℃时，柴油机能够实现6次稳定起动，且最低起动压力降低至24 bar。

2.2.3 压缩空气系统参数的影响

1）压缩空气压力的影响

图11为压缩空气压力分别为20、25、30、35和40 bar时柴油机起动过程参数变化。可知，当压缩压力为20 bar时柴油机转速达不到120 r/min，起动失败。随着压力升高，各缸做功过程提前，转速增加速率明显变大，起动时间缩短。随着起动压力由25 bar升高到40 bar，起动时间缩短了3.58 s，虽然空气消耗速率增加，但总单次起动成功的累计耗气量减少了0.65 kg，计算得到该工况下最低起动压力为22.1 bar。

2）气瓶容积的影响

图12为压缩空气压力为30 bar、高压气瓶容积分别为150、200、250、300和350 L时柴油机起动过程参数变化。可知，适量的气瓶容积保证了单次起动过程有充足的起动空气，减小起动压力下降带来的影响。随着气瓶容积由150 L增加到350 L，起动过程空气压降减小了2.33 bar，转速增加速率变大，起动时间缩短。随着气瓶容积由150 L增加到350 L，起动时间缩短了0.31 s，缸内工作过程提前0.3 s。虽然空气消耗速率增加，但总单次起动成功的累计耗气量变化较小。

3）高压空气管路直径的影响

高压空气管路直径大小关系到起动过程供气速率，图13为起动空气压力为30 bar、高压空气管路直径分别为30 mm、32 mm、34 mm、36 mm和38 mm时柴油机起动过程参数变化。随着管路直径的增加，供气速率增大，起动时间缩短，缸内做功提前。单次起动耗气量减小。随着管路直径由30 mm增加到38 mm，起动时间缩短了0.69 s，耗气量减小了0.2 kg，气瓶压降减小了0.33 bar，但随直径增加，对起动时间的影响程度逐渐减小，因此过度增加管路直径效果不大，选择管路直径为36 mm较为合适。

4）供气起始角的影响

起动过程供气起始角选择在压缩冲程上止点附近，在做功行程利用压缩空气推动活塞下行。图14为压缩空气压力为30 bar、起始角度分别为压缩冲程活塞上止点−7° CA、−5° CA、−3° CA、−1° CA和1° CA时柴油机起动过程参数变化。

适当提前供气有助于提高压缩空气做功效率。随着供气起始角的推迟，起动过程转速增加速率减小，起动时间延长。随着供气起始角由−7° CA增加到1° CA，起动时间延长了0.75 s，耗气量增加了0.54 kg，气瓶压降增加了0.62 bar，但起始角−5° CA和−7° CA条件下的起动时间基本不变，因此选择供气起始角度为−5° CA较为合适。

2.3 柴油机瞬态调速特性分析

基于搭建的瞬态计算模型开展该船用柴油机调速特性仿真分析。根据国标要求，按照不同调速精度等级将船用柴油机分为4级，针对每个等级，对稳态调速率、瞬时调速率、转速稳定时间等参数都做出了具体规定。该船用柴油机的突加突卸方式为：100% →0→50% →100% 。

图15为柴油机从空载分别加载到20%、40%、60%、80%和100%以及从各自工况突卸至空载时的调速特性曲线，表3和表4分别为突加和突卸负载时的调速特性参数，转速恢复时间为转速波动开始到调整回额定转速±2%的时间。

可知，在第1 s时突加负载，转速在突加载时发生突降，经调速器调整后，喷油量升高，转速回升至额定转速附近产生波动。随着负荷加载量的增加，最低转速减小，瞬态调速率增加，转速稳定时间延长。当负载加载量达到100%时，最低瞬时速度将至1713 r/min，瞬态调速率为4.83%，不超过额定转速5%的指标要求，转速恢复到额定转速±2%的恢复时间增加至0.57 s。

第3 s时从各负载突卸至空载时，转速突升，经调速器调整后，喷油量减小，转速回降至额定转速附近产生波动。随着负荷卸载量的增加，最高转速增加，瞬态调速率增加，转速稳定时间延长。当负载加载量达到100%时，最高瞬时速度将至1884 r/min，瞬态调速率为4.67%，不超过5%的指标要求，转速恢复到额定转速±2%的恢复时间增加至0.3 s。

3 结　语

1）基于一维仿真软件GT-Power建立了大功率船用柴油机稳态模型，在此基础上对系统进行改进，增加高压气瓶、管路、空气分配器、起动空气阀模块，构建了基于压缩空气分配器起动的柴油机起动过程瞬态模型，并对2种模型进行试验验证，仿真精度较高。

2）研究分析了环境压力、滑油温度和起动系统参数等对柴油机起动过程的影响，结果表明：该压缩空气系统驱动柴油机起动时间为2.6 s，能够实现连续6次起动，满足柴油机起动性能要求；环境压力增加使得起动排气阻力增加，起动时间明显增加，选取压缩空气压力为30 bar、气瓶容积为350 L、空气管路直径为36 mm、供气起始角为− 5° CA能够有效提高柴油机起动性能。

3）从调速特性结果看出，随着负荷加载量的增加，转速波动增加，瞬态调速率增加，转速稳定时间延长。从100%负载突加突卸仿真结果来看，瞬态调速率达到4.67%，不超过5%的指标要求，转速恢复到额定转速±2%的恢复时间增加至0.57 s，满足指标要求。