趙春生

【摘 要】 在提出柴油機(jī)熱力過程計(jì)算相關(guān)假設(shè)基礎(chǔ)上，以MAN B&W 6S50MC柴油機(jī)為研究對(duì)象，建立柴油機(jī)系統(tǒng)的物理計(jì)算模型。利用BOOST軟件對(duì)柴油機(jī)單缸熄火及排氣定時(shí)故障進(jìn)行數(shù)值模擬，在宏觀上把握其工作狀態(tài)，為柴油機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及運(yùn)行管理等提供相關(guān)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 BOOST軟件；柴油機(jī)；故障；模擬

近年來，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在柴油機(jī)系統(tǒng)模擬計(jì)算中的應(yīng)用越來越普遍。通過模擬計(jì)算，得到某工況下柴油機(jī)的運(yùn)行規(guī)律，可為柴油機(jī)性能的改進(jìn)提供一定的理論支撐。在柴油機(jī)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究分析等方面，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已成為預(yù)測(cè)和改進(jìn)柴油機(jī)性能的主要手段。

本文利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)柴油機(jī)系統(tǒng)中的單缸熄火及排氣定時(shí)故障等進(jìn)行故障模擬，從而得到柴油機(jī)在該故障下的各種性能參數(shù)的變化情況，可為柴油機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及運(yùn)行管理等提供相關(guān)依據(jù)。

1 柴油機(jī)熱力過程計(jì)算假設(shè)及模型的建立

1.1 相關(guān)假設(shè)

在進(jìn)行柴油機(jī)缸內(nèi)熱力過程計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化問題，本文對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)熱力過程計(jì)算提出以下假設(shè)。

缸內(nèi)工質(zhì)各相位狀態(tài)變化均勻，同一瞬時(shí)不考慮氣缸內(nèi)不同位置壓力、溫度和濃度的差別；在換氣過程中，進(jìn)入氣缸的新鮮空氣與缸內(nèi)廢氣瞬時(shí)混合；工質(zhì)必須為理想氣體，且其比熱、比內(nèi)能和比焓等性能參數(shù)僅與氣體溫度和成分有關(guān)；在換氣過程中的工質(zhì)在缸內(nèi)的流動(dòng)過程視為準(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng)；燃油噴入氣缸立即發(fā)生燃燒；空燃比從燃燒始點(diǎn)至終點(diǎn)逐漸變小。

1.2 模型的建立

本文采用MAN B&W 6S50MC柴油機(jī)機(jī)體系統(tǒng)布置，利用BOOST軟件建立柴油機(jī)工作過程的計(jì)算模型（見圖1）。在不影響仿真模擬效果的前提下，為方便計(jì)算，對(duì)柴油機(jī)性能影響微弱的元件作適當(dāng)簡(jiǎn)化處理。

2 柴油機(jī)故障模擬

2.1 柴油機(jī)單缸熄火

對(duì)于船用柴油機(jī)而言，在柴油機(jī)運(yùn)行過程中，若某一氣缸發(fā)生故障而不能及時(shí)排除，為了保證船舶的正常航行，可采取封缸運(yùn)行，即暫停故障氣缸的工作并使船舶主機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)我國(guó)《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》要求，6缸及以下的船用柴油機(jī)在1個(gè)氣缸停止工作的情況下，應(yīng)能保證柴油機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；6缸以上的船用柴油機(jī)必須保證在2個(gè)氣缸停止工作的情況下仍能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，以使船舶繼續(xù)航行，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)Σ裼蜋C(jī)作進(jìn)一步處理。柴油機(jī)單缸熄火故障會(huì)打破在原本設(shè)計(jì)工況下柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)軸系的扭轉(zhuǎn)平衡，進(jìn)而使軸系發(fā)生劇烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，因此，可以通過柴油機(jī)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)情況來判斷柴油機(jī)缸內(nèi)熄火故障。

柴油機(jī)在單缸停油時(shí)各柴油機(jī)性能參數(shù)與正常工作時(shí)的變化關(guān)系見表1。從表1可以看出，當(dāng)柴油機(jī)發(fā)生故障造成單缸無法正常工作而又不得不繼續(xù)工作時(shí)，在某缸停油后，該柴油機(jī)的有效功率和有效扭矩等性能參數(shù)明顯降低。因此，為了防止柴油機(jī)在運(yùn)行中因超負(fù)荷工作而造成燃燒惡化、排煙溫度升高及機(jī)體劇烈振動(dòng)等不良狀況，應(yīng)采取75%負(fù)荷的轉(zhuǎn)速以下降速運(yùn)行。

在柴油機(jī)工作過程中，換氣質(zhì)量的好壞對(duì)其燃燒質(zhì)量、作功能力以及柴油機(jī)的整體性能產(chǎn)生重要影響。排氣定時(shí)的改變則會(huì)直接影響換氣時(shí)間，在換氣壓力和進(jìn)排氣口不變的情況下，則會(huì)影響到柴油機(jī)換氣過程的完善程度，進(jìn)而使后期的燃燒質(zhì)量受到重要影響。

經(jīng)過計(jì)算得到排氣定時(shí)故障各參數(shù)值（見表2）。隨著排氣持續(xù)角的減小，柴油機(jī)的換氣性能越差，掃氣效率也明顯降低，由正常值的0.894逐漸降為0.790。隨著排氣定時(shí)的惡化，每循環(huán)進(jìn)入氣缸的新鮮空氣量和換氣終點(diǎn)時(shí)停留在缸內(nèi)的新鮮空氣量均相應(yīng)減少。此外，隨著排氣持續(xù)角的減小，排氣溫度也隨之升高，由正常值522 K升為646 K，從而造成柴油機(jī)噴嘴積碳嚴(yán)重，排放物中氮氧化物成分迅速升高。

柴油機(jī)4號(hào)缸排氣定時(shí)的改變對(duì)缸內(nèi)介質(zhì)壓力的影響較?。ㄒ妶D5），而缸內(nèi)溫度變化較為顯著，并且隨著排氣持續(xù)角的減小，缸內(nèi)溫度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，最高燃燒溫度由正常值的 K升為 K左右（見圖6）。在柴油機(jī)整個(gè)換氣過程中，4號(hào)缸排氣定時(shí)出現(xiàn)問題而使排氣閥處于關(guān)閉時(shí)刻時(shí)，氣缸內(nèi)壓力變化并不明顯；但在排氣定時(shí)發(fā)生變化時(shí)，因缸內(nèi)新氣與廢氣交換不充分，換氣質(zhì)量降低，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度變化較為明顯。

3 結(jié) 語

通過對(duì)柴油機(jī)典型故障進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)柴油機(jī)單缸熄火及排氣定時(shí)故障有了較為詳細(xì)的理論指導(dǎo)。通過故障模擬，可以更加直觀地預(yù)測(cè)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)的工作性能，對(duì)柴油機(jī)操作管理和維護(hù)提供一定的理論依據(jù)，以便能及時(shí)排除故障。

【摘 要】 在提出柴油機(jī)熱力過程計(jì)算相關(guān)假設(shè)基礎(chǔ)上，以MAN B&W 6S50MC柴油機(jī)為研究對(duì)象，建立柴油機(jī)系統(tǒng)的物理計(jì)算模型。利用BOOST軟件對(duì)柴油機(jī)單缸熄火及排氣定時(shí)故障進(jìn)行數(shù)值模擬，在宏觀上把握其工作狀態(tài)，為柴油機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及運(yùn)行管理等提供相關(guān)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 BOOST軟件；柴油機(jī)；故障；模擬

近年來，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在柴油機(jī)系統(tǒng)模擬計(jì)算中的應(yīng)用越來越普遍。通過模擬計(jì)算，得到某工況下柴油機(jī)的運(yùn)行規(guī)律，可為柴油機(jī)性能的改進(jìn)提供一定的理論支撐。在柴油機(jī)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究分析等方面，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已成為預(yù)測(cè)和改進(jìn)柴油機(jī)性能的主要手段。

本文利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)柴油機(jī)系統(tǒng)中的單缸熄火及排氣定時(shí)故障等進(jìn)行故障模擬，從而得到柴油機(jī)在該故障下的各種性能參數(shù)的變化情況，可為柴油機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及運(yùn)行管理等提供相關(guān)依據(jù)。

1 柴油機(jī)熱力過程計(jì)算假設(shè)及模型的建立

1.1 相關(guān)假設(shè)

在進(jìn)行柴油機(jī)缸內(nèi)熱力過程計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化問題，本文對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)熱力過程計(jì)算提出以下假設(shè)。

缸內(nèi)工質(zhì)各相位狀態(tài)變化均勻，同一瞬時(shí)不考慮氣缸內(nèi)不同位置壓力、溫度和濃度的差別；在換氣過程中，進(jìn)入氣缸的新鮮空氣與缸內(nèi)廢氣瞬時(shí)混合；工質(zhì)必須為理想氣體，且其比熱、比內(nèi)能和比焓等性能參數(shù)僅與氣體溫度和成分有關(guān)；在換氣過程中的工質(zhì)在缸內(nèi)的流動(dòng)過程視為準(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng)；燃油噴入氣缸立即發(fā)生燃燒；空燃比從燃燒始點(diǎn)至終點(diǎn)逐漸變小。

1.2 模型的建立

本文采用MAN B&W 6S50MC柴油機(jī)機(jī)體系統(tǒng)布置，利用BOOST軟件建立柴油機(jī)工作過程的計(jì)算模型（見圖1）。在不影響仿真模擬效果的前提下，為方便計(jì)算，對(duì)柴油機(jī)性能影響微弱的元件作適當(dāng)簡(jiǎn)化處理。

2 柴油機(jī)故障模擬

2.1 柴油機(jī)單缸熄火

對(duì)于船用柴油機(jī)而言，在柴油機(jī)運(yùn)行過程中，若某一氣缸發(fā)生故障而不能及時(shí)排除，為了保證船舶的正常航行，可采取封缸運(yùn)行，即暫停故障氣缸的工作并使船舶主機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)我國(guó)《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》要求，6缸及以下的船用柴油機(jī)在1個(gè)氣缸停止工作的情況下，應(yīng)能保證柴油機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；6缸以上的船用柴油機(jī)必須保證在2個(gè)氣缸停止工作的情況下仍能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，以使船舶繼續(xù)航行，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)Σ裼蜋C(jī)作進(jìn)一步處理。柴油機(jī)單缸熄火故障會(huì)打破在原本設(shè)計(jì)工況下柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)軸系的扭轉(zhuǎn)平衡，進(jìn)而使軸系發(fā)生劇烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，因此，可以通過柴油機(jī)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)情況來判斷柴油機(jī)缸內(nèi)熄火故障。

柴油機(jī)在單缸停油時(shí)各柴油機(jī)性能參數(shù)與正常工作時(shí)的變化關(guān)系見表1。從表1可以看出，當(dāng)柴油機(jī)發(fā)生故障造成單缸無法正常工作而又不得不繼續(xù)工作時(shí)，在某缸停油后，該柴油機(jī)的有效功率和有效扭矩等性能參數(shù)明顯降低。因此，為了防止柴油機(jī)在運(yùn)行中因超負(fù)荷工作而造成燃燒惡化、排煙溫度升高及機(jī)體劇烈振動(dòng)等不良狀況，應(yīng)采取75%負(fù)荷的轉(zhuǎn)速以下降速運(yùn)行。

在柴油機(jī)工作過程中，換氣質(zhì)量的好壞對(duì)其燃燒質(zhì)量、作功能力以及柴油機(jī)的整體性能產(chǎn)生重要影響。排氣定時(shí)的改變則會(huì)直接影響換氣時(shí)間，在換氣壓力和進(jìn)排氣口不變的情況下，則會(huì)影響到柴油機(jī)換氣過程的完善程度，進(jìn)而使后期的燃燒質(zhì)量受到重要影響。

經(jīng)過計(jì)算得到排氣定時(shí)故障各參數(shù)值（見表2）。隨著排氣持續(xù)角的減小，柴油機(jī)的換氣性能越差，掃氣效率也明顯降低，由正常值的0.894逐漸降為0.790。隨著排氣定時(shí)的惡化，每循環(huán)進(jìn)入氣缸的新鮮空氣量和換氣終點(diǎn)時(shí)停留在缸內(nèi)的新鮮空氣量均相應(yīng)減少。此外，隨著排氣持續(xù)角的減小，排氣溫度也隨之升高，由正常值522 K升為646 K，從而造成柴油機(jī)噴嘴積碳嚴(yán)重，排放物中氮氧化物成分迅速升高。

柴油機(jī)4號(hào)缸排氣定時(shí)的改變對(duì)缸內(nèi)介質(zhì)壓力的影響較?。ㄒ妶D5），而缸內(nèi)溫度變化較為顯著，并且隨著排氣持續(xù)角的減小，缸內(nèi)溫度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，最高燃燒溫度由正常值的 K升為 K左右（見圖6）。在柴油機(jī)整個(gè)換氣過程中，4號(hào)缸排氣定時(shí)出現(xiàn)問題而使排氣閥處于關(guān)閉時(shí)刻時(shí)，氣缸內(nèi)壓力變化并不明顯；但在排氣定時(shí)發(fā)生變化時(shí)，因缸內(nèi)新氣與廢氣交換不充分，換氣質(zhì)量降低，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度變化較為明顯。

3 結(jié) 語

通過對(duì)柴油機(jī)典型故障進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)柴油機(jī)單缸熄火及排氣定時(shí)故障有了較為詳細(xì)的理論指導(dǎo)。通過故障模擬，可以更加直觀地預(yù)測(cè)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)的工作性能，對(duì)柴油機(jī)操作管理和維護(hù)提供一定的理論依據(jù)，以便能及時(shí)排除故障。

【摘 要】 在提出柴油機(jī)熱力過程計(jì)算相關(guān)假設(shè)基礎(chǔ)上，以MAN B&W 6S50MC柴油機(jī)為研究對(duì)象，建立柴油機(jī)系統(tǒng)的物理計(jì)算模型。利用BOOST軟件對(duì)柴油機(jī)單缸熄火及排氣定時(shí)故障進(jìn)行數(shù)值模擬，在宏觀上把握其工作狀態(tài)，為柴油機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及運(yùn)行管理等提供相關(guān)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 BOOST軟件；柴油機(jī)；故障；模擬

近年來，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在柴油機(jī)系統(tǒng)模擬計(jì)算中的應(yīng)用越來越普遍。通過模擬計(jì)算，得到某工況下柴油機(jī)的運(yùn)行規(guī)律，可為柴油機(jī)性能的改進(jìn)提供一定的理論支撐。在柴油機(jī)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究分析等方面，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已成為預(yù)測(cè)和改進(jìn)柴油機(jī)性能的主要手段。

本文利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)柴油機(jī)系統(tǒng)中的單缸熄火及排氣定時(shí)故障等進(jìn)行故障模擬，從而得到柴油機(jī)在該故障下的各種性能參數(shù)的變化情況，可為柴油機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及運(yùn)行管理等提供相關(guān)依據(jù)。

1 柴油機(jī)熱力過程計(jì)算假設(shè)及模型的建立

1.1 相關(guān)假設(shè)

在進(jìn)行柴油機(jī)缸內(nèi)熱力過程計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化問題，本文對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)熱力過程計(jì)算提出以下假設(shè)。

缸內(nèi)工質(zhì)各相位狀態(tài)變化均勻，同一瞬時(shí)不考慮氣缸內(nèi)不同位置壓力、溫度和濃度的差別；在換氣過程中，進(jìn)入氣缸的新鮮空氣與缸內(nèi)廢氣瞬時(shí)混合；工質(zhì)必須為理想氣體，且其比熱、比內(nèi)能和比焓等性能參數(shù)僅與氣體溫度和成分有關(guān)；在換氣過程中的工質(zhì)在缸內(nèi)的流動(dòng)過程視為準(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng)；燃油噴入氣缸立即發(fā)生燃燒；空燃比從燃燒始點(diǎn)至終點(diǎn)逐漸變小。

1.2 模型的建立

本文采用MAN B&W 6S50MC柴油機(jī)機(jī)體系統(tǒng)布置，利用BOOST軟件建立柴油機(jī)工作過程的計(jì)算模型（見圖1）。在不影響仿真模擬效果的前提下，為方便計(jì)算，對(duì)柴油機(jī)性能影響微弱的元件作適當(dāng)簡(jiǎn)化處理。

2 柴油機(jī)故障模擬

2.1 柴油機(jī)單缸熄火

對(duì)于船用柴油機(jī)而言，在柴油機(jī)運(yùn)行過程中，若某一氣缸發(fā)生故障而不能及時(shí)排除，為了保證船舶的正常航行，可采取封缸運(yùn)行，即暫停故障氣缸的工作并使船舶主機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)我國(guó)《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》要求，6缸及以下的船用柴油機(jī)在1個(gè)氣缸停止工作的情況下，應(yīng)能保證柴油機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；6缸以上的船用柴油機(jī)必須保證在2個(gè)氣缸停止工作的情況下仍能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，以使船舶繼續(xù)航行，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)Σ裼蜋C(jī)作進(jìn)一步處理。柴油機(jī)單缸熄火故障會(huì)打破在原本設(shè)計(jì)工況下柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)軸系的扭轉(zhuǎn)平衡，進(jìn)而使軸系發(fā)生劇烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，因此，可以通過柴油機(jī)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)情況來判斷柴油機(jī)缸內(nèi)熄火故障。

柴油機(jī)在單缸停油時(shí)各柴油機(jī)性能參數(shù)與正常工作時(shí)的變化關(guān)系見表1。從表1可以看出，當(dāng)柴油機(jī)發(fā)生故障造成單缸無法正常工作而又不得不繼續(xù)工作時(shí)，在某缸停油后，該柴油機(jī)的有效功率和有效扭矩等性能參數(shù)明顯降低。因此，為了防止柴油機(jī)在運(yùn)行中因超負(fù)荷工作而造成燃燒惡化、排煙溫度升高及機(jī)體劇烈振動(dòng)等不良狀況，應(yīng)采取75%負(fù)荷的轉(zhuǎn)速以下降速運(yùn)行。

在柴油機(jī)工作過程中，換氣質(zhì)量的好壞對(duì)其燃燒質(zhì)量、作功能力以及柴油機(jī)的整體性能產(chǎn)生重要影響。排氣定時(shí)的改變則會(huì)直接影響換氣時(shí)間，在換氣壓力和進(jìn)排氣口不變的情況下，則會(huì)影響到柴油機(jī)換氣過程的完善程度，進(jìn)而使后期的燃燒質(zhì)量受到重要影響。

經(jīng)過計(jì)算得到排氣定時(shí)故障各參數(shù)值（見表2）。隨著排氣持續(xù)角的減小，柴油機(jī)的換氣性能越差，掃氣效率也明顯降低，由正常值的0.894逐漸降為0.790。隨著排氣定時(shí)的惡化，每循環(huán)進(jìn)入氣缸的新鮮空氣量和換氣終點(diǎn)時(shí)停留在缸內(nèi)的新鮮空氣量均相應(yīng)減少。此外，隨著排氣持續(xù)角的減小，排氣溫度也隨之升高，由正常值522 K升為646 K，從而造成柴油機(jī)噴嘴積碳嚴(yán)重，排放物中氮氧化物成分迅速升高。

柴油機(jī)4號(hào)缸排氣定時(shí)的改變對(duì)缸內(nèi)介質(zhì)壓力的影響較?。ㄒ妶D5），而缸內(nèi)溫度變化較為顯著，并且隨著排氣持續(xù)角的減小，缸內(nèi)溫度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，最高燃燒溫度由正常值的 K升為 K左右（見圖6）。在柴油機(jī)整個(gè)換氣過程中，4號(hào)缸排氣定時(shí)出現(xiàn)問題而使排氣閥處于關(guān)閉時(shí)刻時(shí)，氣缸內(nèi)壓力變化并不明顯；但在排氣定時(shí)發(fā)生變化時(shí)，因缸內(nèi)新氣與廢氣交換不充分，換氣質(zhì)量降低，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度變化較為明顯。

3 結(jié) 語

通過對(duì)柴油機(jī)典型故障進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)柴油機(jī)單缸熄火及排氣定時(shí)故障有了較為詳細(xì)的理論指導(dǎo)。通過故障模擬，可以更加直觀地預(yù)測(cè)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)的工作性能，對(duì)柴油機(jī)操作管理和維護(hù)提供一定的理論依據(jù)，以便能及時(shí)排除故障。