0 引　言

船舶发动机作为整船的核心部位，其运行质量关系着航行的可靠性、稳定性以及经济性^[1]。发动机不仅需要具有高效、可靠的动力输出，还需要在复杂多变的工作环境中保持稳定的运行状态。然而，发动机不均匀现象的存在，不仅使发动机在实际运行中的性能难以达到设计要求，还会加剧零部件的磨损从而缩短使用寿命。

在实际运行过程中，发动机气缸的不均匀性来自于进气管布置、气门老化等多种参量耦合，研究发动机的不均匀现象关键在于现象产生的来源。欧顺华等^[2]通过模拟喷油器老化、轨压控制精度下降以及进气流道阻塞等发动机实际运行中常见的故障情况，研究上述故障对各气缸性能均匀性的影响；Mao等^[3]认为共轨系统主要是由制造原因导致不同喷油器的喷油量不同，并研究了一种软件方法来纠正喷油器喷油量之间的不一致。实验表明，基于喷射始点的校正不仅可以减少喷射器的燃料喷射量之间的不一致性，而且可以改善电控柴油机的怠速控制和排放性能；Chen等^[4]研究了甲醇替代率、进气温度和发动机转速对各气缸不均匀性的影响。研究发现，各个发动机负荷下，甲醇替代率的提高会导致气缸间的不均匀性增加，进气温度上升同样会增加气缸间的不均匀性。不过，随着发动机转速的不断提升，气缸间的不均匀度呈现出减小的趋势。张健健等^[5]以16缸发电柴油机作为研究对象，认为柴油机发火顺序和脉冲排气管的设计导致各缸出现了排气干涉现象，这种现象是各气缸排气温度不均匀的主要原因，魏威等^[6]认为，对于天然气发动机而言，进气湿度不均是导致缸内压力不均匀的主要原因。刘胜等^[7]认为集气腔容积、混合气体出口管段的布置位置以及各歧管与总管轴线之间的相对位置互相作用，导致了发动机各缸工作均匀性较差，通过优化后可以有效改善各气缸工作均匀性较差的问题。

确定双燃料发动机气缸不均匀现象的产生机理以及还原其现象是船舶机舱数字孪生中亟待解决的难点与热点之一，建模仿真技术的核心在于建立数学模型和仿真模型。由于准确来源不明、耦合情况以及量化关系难以通过原理性实验装置来阐明，如果要建立具有多因素的、互相影响的数据孪生模型，需要先分析各种单一因素对发动机的影响，得到大量仿真数据后确定机理参数间的耦合强度以及关键机理参数的权重强度，最后构建神经网络模型。本文利用仿真软件对某双燃料9缸中速机进行建模仿真，研究进排气系统结构参数对发动机工作不均匀性的影响

1 建模分析 1.1 模型建立

AVL BOOST是一款用于内燃机和发动机系统仿真的一维性能分析软件，广泛应用于分析和优化发动机的性能，包括燃烧、流动、排放和噪声等，利用AVL BOOST可以模拟整个发动机系统的动态行为，其采用的模块化建模方法可以极大地降低柴油机研究人员计算机编程技能的要求，大幅缩减了建模所需的时间和提高工作效率^[8]。本文根据某双燃料9缸中速机的主要技术参数，使用AVL BOOST对发动机进行建模仿真，同时为了验证模型准确性，模型在4种不同负荷工况下进行校核。模型实测值和仿真值的误差分析如图1所示。

可知，经过与实测值的比对，结果显示两者基本吻合。其中误差最大为4.58%，最小误差仅为0.03%，满足了误差值小于5%的要求，由此可证明该模型效果良好，仿真精度较高，满足后续仿真实验的要求。

1.2 仿真方案

进排气系统是发动机的重要组成部分，其设计的优劣程度直接决定了发动机的整体性能，为了更加深入地研究发动机进排气管道结构对发动机气缸主要性能均匀性的影响，对已建立的发动机一维模型进行关于管道结构的仿真实验。保持发动机的其他参数不变，将进排气管道结构参数作为变量，如图2所示。

2 进气管结构参数 2.1 进气管道长度对气缸不均匀性的影响

模型原进气管长度为300 mm，在此基础上，将第1缸至第9缸的进气管长度分别设置为250 mm等差递增至430 mm。其中，柱状图表示性能参数值的不均匀度，下同。由图3可知，随着进气管长以等差数列增长，各气缸的主要性能参数出现了明显的不均匀现象，具体为：

第1缸至第3缸、第4缸至第6缸、第7缸至第9缸之间的最大压力变化较为缓慢。但在管长差值为15 mm和30 mm时缸内最大压力不均匀度明显增加；前6缸的排气温度在进气管长增加时变化不明显。当管长差值为30 mm和40 mm时，第6缸至第7缸、第8缸至第9缸之间的性能不均匀现象较为显著。

气缸的IMEP随着管长的增加而呈现下降的趋势，尤其从第1缸到第2缸之间下降幅度较为明显。第2缸至第9缸的IMEP值变化的缓慢且较为均匀。因此，以原模型进气管长为参考，增加进气管长度会降低气缸的IMEP值，但不会引起明显的气缸不均匀现象；前七缸的BSFC在管长增加时变化不明显，当管长差值为35 mm和40 mm，第7缸和第8缸、第8缸和第9缸之间的BSFC均出现了明显的不均匀现象。

2.2 进气管道直径对气缸不均匀性的影响

原进气管直径为120 mm，在此基础上，将第1缸至第9缸的进气管道直径分别设置为100 mm等差递增至162 mm。

图4可知，随着进气管径以等差数列增长，发动机的各气缸内最大压力、排气温度、IMEP以及BSFC的不均匀度变化较为相似，具体为第3到第4缸，即管径差值为6 mm时，这4个关键性能参数的不均匀度达到了最大，以6 mm的差值为中心，向其他差值变化时，各参数不均匀度均呈现出逐渐减小的趋势。

综上所述，在6 mm这一特定的管径差值下，各缸之间的工作状态差异最为显著，主要性能参数的不均匀性最大。

2.3 进气总管长度对气缸不均匀性的影响

进气总管是发动机进气系统利用谐振增压的重要组成部分。原进气总管长度为4500 mm，在此基础上，将进气总管长度分别设置为4200 mm等差递增至5200 mm。

图5可知，各气缸内最大压力随着进气总管长度的增加而缓慢上升。不同的进气总管长度下，各气缸最大压力标准差值没有明显差异。与其余气缸相比，第4缸至第6缸的最大压力最小且与其余6个缸的差异较明显。即不同的进气总管长度下，第4缸至第6缸的最大压力不均匀性最大。

各缸间的排气温度分布较为均匀，参数值随进气总管长度的增加而缓慢下降，但是各缸排气温度的标准差值与进气总管长度的变化没有表现出明显的直接关联性。

除第1缸外，其余8个缸的BSFC变化幅度小且较为均匀。各个进气总管长度下，第1缸的BSFC普遍低于其余气缸且随着总管长度的增加而逐渐减小，这种差异导致各气缸之间的BSFC标准差值随着进气总管长度的增加而增大。

综上所述，气缸最大压力和排气温度不均匀性并不会受到进气总管长度变化的影响。而各气缸BSFC的不均匀性会随着进气总管长度的增加而增大。

2.4 进气总管直径对气缸不均匀性的影响

原进气总管直径为200 mm，在此基础上，将进气总管直径分别设置为170 mm等差递增至270 mm。

图6可知，各气缸最大压力随进气总管直径的增加而上升。不同的进气总管直径下，各气缸间最大压力标准差值相似。整体而言，第4缸至第6缸的最大压力值最小且与其余气缸差异明显。即在不同的进气总管直径下，第4缸至第6缸的缸内最大压力相较于其余6个缸，不均匀性最大。

各气缸排气温度分布较为均匀，其参数值随进气总管直径的增加而下降，但各缸排气温度的标准差值与进气总管直径的变化并没有明显的直接关联性。

进气总管直径变化时，第2缸至第8缸的IMEP值变化幅度小且较为均匀。各个进气总管直径下，第1缸的IMEP普遍高于其余8个缸且随进气总管直径的增大逐渐上升。这种差异导致各气缸之间的IMEP标准差值随着进气总管长度的增加而增大。

随着进气总管直径的增加，第2缸至第8缸的BSFC变化缓慢且较为均匀。第1缸的BSFC普遍低于其余8个缸且随着进气总管长度的增加逐渐减小，这种差异导致各气缸之间的BSFC标准差值随着进气总管长度的增加而增大。

综上所述，进气总管直径发生变化时，各缸的缸内最大压力和排气温度不均匀性变化并不明显。与之相反的是，气缸IMEP和BSFC值不均匀性随着进气总管直径的增大而明显上升。

3 排气管结构参数 3.1 排气管道长度对气缸不均匀性的影响

模型原排气管长度为300 mm，在此基础上，将第1缸至第9缸的排气管长度分别设置为250 mm等差递增至430 mm。由图7可知，随着排气管道长度以等差数列增长，各气缸的主要性能参数均出现了明显的不均匀现象。具体为：

第1缸至第3缸、第4缸至第6缸、第7缸至第9缸的最大压力变化较为缓慢。但在管长差值为15 mm和30 mm时最大压力不均匀度明显增加，意味着前3缸、中间3缸以及后3缸之间的缸内最大压力出现不均匀现象；前3缸气缸排气温度随排气管长的增加而逐渐上升，在第3缸后则逐渐下降。管长差值为5 mm和15 mm时，第1缸与第2缸、第3缸与第4缸之间的不均匀度较大。

IMEP随排气管长度的增加而波动变化且波动幅度逐渐变小。总体上，随着管长增加，各缸IMEP不均匀度逐渐降低；排气管长差值为5 mm时，BSFC不均匀度较为明显。随着管长差值变大，各缸BSFC波动变化且波动幅度逐渐变小，不均匀度逐渐降低后趋于平稳。

综上所述，排气管长度变化会对缸内最大压力、排气温度、IMEP以及BSFC均匀性产生一定影响。整体而言，排气温度、IMEP及BSFC的不均匀度会着管长增加而逐渐下降。

3.2 排气管道直径对气缸不均匀性的影响

原排气管直径为120 mm，在此基础上，将第1缸至第9缸的排气管道直径分别设置为100 mm等差递增至162 mm。

图8可知，缸内最大压力随排气管直径的变化曲线及不均匀度与图3相似，不再赘述。

排气管直径在差值为6 mm时，第3缸与第4缸之间的排气温度、IMEP以及BSFC的不均匀度达到最大。以6 mm的差值为中心，排气管径向其他差值变化时，各参数不均匀度均呈现出逐渐减小的趋势。

3.3 排气总管长度对气缸不均匀性的影响

原排气总管长度为4500 mm，在此基础上，将排气总管长度分别设置为4200 mm等差递增至5200 mm。

如图9所示，不同排气总管长度下，各气缸最大压力标准差值没有出现显著差异。总体上，第4缸至第6缸的缸内最大压力最小且与其余6个缸的差异较明显。说明在不同的排气总管长度下，第4缸至第6缸的最大压力不均匀度最大。

第1缸至第9缸之间的排气温度分布均匀且随总管长度的增加而缓慢下降，当排气总管长度达到4800 mm，各缸排气温度趋于稳定。气缸间排气温度不均匀度与排气总管长度没有表现出明显直接关联性。

随着排气总管长度的逐渐增加，各个气缸的BSFC标准差值没有出现明显的差异。总体上，第1缸的BSFC最小且与其余气缸差异较为明显。说明在不同排气总管长度下，第1缸的BSFC不均匀性最大。

整体而言，排气总管长度发生变化时，各气缸的最大压力、排气温度以及BSFC均会发生一定程度的变化，但这3个参数的不均匀性并不会随着排气总管长度的改变而发生明显变化。

3.4 排气总管直径对气缸不均匀性的影响

原排气总管直径为400 mm，在此基础上，将排气总管直径分别设置为350 mm等差递增至490 mm。

图10可知，随着排气总管直径增大，各气缸的缸内最大压力总体上保持不变，而排气温度和BSFC呈现出下降趋势，同时IMEP逐渐增加。与其余气缸相比，第1缸的IMEP和BSFC表现出较为明显的差异，这表明气缸间存在工作不均匀性，但这种性能不均匀性并不会随着排气总管直径的增加而出现明显变化。

整体而言，当排气总管直径逐渐增大时，4个性能参数的不均匀性不会随着其变化而出现明显的变化。

4 结　语

本文根据所建立的发动机一维模型，仿真后结合缸内最大压力、排气温度、IMEP、BSFC等主要性能参数，分析进排气系统结构参数对发动机各气缸性能不均匀性的影响。进排气系统结构的变化会影响气缸内的空气流动、燃料混合和燃烧效率，进而影响发动机的缸内最大压力、排气温度、IMEP以及BSFC的均匀性，因此在设计进气系统时需要综合考虑这些因素。通过了解和掌握发动机性能和进排气系统结构变化的关系，可以更好地评估发动机性能表现从而为船舶的运营提供科学依据。