趙志強，張嘉銳，羅熾恒，賈寶柱，安連彤*

1 廣東海洋大學 海運學院，廣東 湛江 524088

2 華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063210

0 引 言

隨著船舶設計朝著智能化方向發(fā)展，智能故障診斷技術受到業(yè)內(nèi)廣泛關注，若要快速、準確地識別船舶柴油機可能出現(xiàn)的故障，需有較豐富的樣本數(shù)據(jù)作為支撐，而通過臺架試驗獲取故障樣本數(shù)據(jù)，目前難度很大，因此柴油機的故障仿真數(shù)值計算就顯得尤為重要[1-4]。柴油機故障仿真是利用計算機技術的輔助功能，模擬柴油機運行過程中可能發(fā)生的故障，通過分析其成因，可在實際工作中提高柴油機的可靠性和工作效率，并相當程度地減少時間和經(jīng)濟成本。同時，通過探究柴油機故障的產(chǎn)生、演變、破壞過程，以及其隨熱工參數(shù)的改變而變化的規(guī)律，可以為柴油機故障診斷提供更加詳盡的參數(shù)和數(shù)據(jù)[5-7]。

本文擬采用AVL BOOST 軟件構(gòu)建柴油機運行過程的仿真模型，在100%負荷工況下采用控制變量法模擬柴油機的典型故障——發(fā)火點提前、單缸停油和曲軸箱竄氣，通過分析仿真計算結(jié)果，獲得100%負荷工況下各種故障發(fā)生時柴油機的熱力參數(shù)、性能參數(shù)變化規(guī)律和多維故障數(shù)據(jù)樣本，用以為柴油機故障狀態(tài)識別和智能故障診斷系統(tǒng)構(gòu)建提供依據(jù)。

1 柴油機運行過程數(shù)學模型

1.1 燃燒放熱率計算模型

AVL BOOST 軟件內(nèi)置有多個燃燒放熱模型，可通過計算每次循環(huán)的總放熱量來計算每度曲軸轉(zhuǎn)角所釋放的熱量。本文采用單韋伯模型。一般使用韋伯函數(shù)計算柴油機的放熱情況，結(jié)果與真實數(shù)據(jù)相差不大。

對韋伯函數(shù)進行積分，即可得到由燃燒開始時刻到某個時間所消耗的燃油質(zhì)量分數(shù)，即質(zhì)量分數(shù)x：

1.2 傳熱系數(shù)

AVL BOOST 軟件提供有多個傳熱模型，用于計算傳熱系數(shù)，包括Woschni1978 模型、Lorenz 模型及AVL2000 模型等。對于高溫循環(huán)的計算，通常選用Woschni1978 模型，計算公式如下[8-9]：

式中：aw為傳熱系數(shù)；aWoschni為 模型的傳熱系數(shù)；d為筒徑，m；p為壓力，Pa；T為絕對溫度，K；z為常數(shù)，z=14；din為掃氣口外連管的直徑，m；vin為掃氣口氣流的速度，m/s。

2 柴油機仿真模型建立

本文仿真的船用柴油機主要參數(shù)如表1 所示。

表1 柴油機主要參數(shù)Table 1 Main parameters of diesel engine

2.1 模型建立

1） 整機模型。

利用AVL BOOST 軟件建立的柴油機模型如圖1 所示。圖中：SB1 和SB2 為2 個系統(tǒng)邊界；TC1 為渦輪增壓器；CO1 為空冷器；PL1 為掃氣箱；PL2 為排氣集管；C1～C5 為5 個氣缸；1～15 為氣體管路；MP1～MP7 為測量點。

圖1 柴油機AVL BOOST 仿真模型Fig. 1 AVL BOOST simulation model of diesel engine

2） 模型的參數(shù)輸入。

建立柴油機整機模型后，輸入或選取各元件參數(shù)，以進行全局、氣缸、增壓器和中冷器等的設置。其中，氣缸設置需輸入活塞運動規(guī)律曲線等數(shù)據(jù)。使用SOLIDWORKS 軟件繪制活塞、活塞桿和曲軸連桿的3D 物理模型，模擬相對運動進而導出其運動數(shù)據(jù)。圖2 為活塞運動規(guī)律曲線，圖3 為掃氣口的總有效面積隨活塞位移變化規(guī)律曲線。表2 給出了柴油機模型的邊界條件、氣缸初始條件以及燃燒模型的主要熱工參數(shù)設置。

圖2 活塞運動規(guī)律曲線Fig. 2 Piston motion law curve

圖3 掃氣口有效流通面積Fig. 3 Effective scavenging area

表2 柴油機主要熱工參數(shù)設置Table 2 Setting of main thermal parameters of diesel engine

2.2 模型仿真結(jié)果和驗證

二沖程柴油機一個循環(huán)為360°，模型每次運行20 個循環(huán)即可達到平衡。表3 給出了100%負荷工況的仿真模型運行結(jié)果。模型運行結(jié)果與臺架試驗結(jié)果相比，每個參數(shù)的相對誤差均小于5%。

表3 100%負荷工況下模型的仿真值與試驗值對比Table 3 Results comparison of simulation and experimental data under 100% load condition

圖4～圖6 給出了75%，90%，100%和110%負荷下模型性能參數(shù)仿真值與試驗值的對比。由各圖及表3 可見，模型輸出的有效功率及渦輪前、后排氣溫度等數(shù)值與實機臺架試驗值相符，誤差均小于5%，仿真模型運行結(jié)果符合精度要求，可實際應用于柴油機的故障模擬[10]。

圖4 不同負荷工況下有效功率數(shù)據(jù)對比Fig. 4 Effective power comparison under different loads

圖5 不同負荷工況下渦輪前排氣溫度數(shù)據(jù)對比Fig. 5 Temperature comparison before turbine exhaust under different loads

圖6 不同負荷工況下渦輪后排氣溫度數(shù)據(jù)對比Fig. 6 Temperature comparison after turbine exhaust under different loads

3 故障仿真及其數(shù)據(jù)分析

3.1 發(fā)火點提前

在柴油機燃燒過程中，噴油點至發(fā)火點的這一過程被稱為燃燒過程的滯燃期。研究表明，滯燃期對燃燒質(zhì)量起決定性作用。若發(fā)火點控制不當，會直接影響到柴油機的性能和經(jīng)濟性[11-12]。本文將柴油機模型正常運轉(zhuǎn)下的發(fā)火點提前角設置為?0.5°，選取?5.5°，?8.5°，?11.5°作為故障模擬發(fā)火點提前角；對仿真結(jié)果和正常工況進行對比，得到各主要參數(shù)變化情況如圖7 和表4 所示。由圖表可見，隨著發(fā)火點提前角的持續(xù)增大，柴油機部分性能參數(shù)發(fā)生了劇烈變化，例如，發(fā)火點僅提前5°時缸內(nèi)最高燃燒壓力提高了17%。

圖7 不同發(fā)火點提前角下各主要參數(shù)變化Fig. 7 Variation of main parameters with different start angles of combustion

表4 不同發(fā)火點下各參數(shù)對比Table 4 Comparison of parameters variation with different start angles of combustion

對于缸內(nèi)燃燒壓力過大的問題，經(jīng)分析，有可能是氣缸內(nèi)壓縮空氣的壓力和溫度比正常值低，導致進入氣缸內(nèi)的霧狀燃油未能全部迅速自燃，而造成部分殘留，當下一次被點燃時，就釋放出遠超正常范圍的熱量，從而導致缸內(nèi)產(chǎn)生過高的燃燒壓力。

因此，若出現(xiàn)最高燃燒壓力過高、平均有效壓力和有效功率下降、有效燃油消耗率上升這些特征參數(shù)的變化情況，可以此作為識別發(fā)火點提前狀態(tài)的依據(jù)。由圖8 所示特征參數(shù)的變化趨勢可見，隨著發(fā)火點的提前，這些參數(shù)基本上呈線性擴大的趨勢，其中，最高燃燒壓力在發(fā)火點提前角為?5.5°，?8.5°和?11.5°時增加幅值分別達到17.4%，25.9%，35.8%，而平均有效壓力因與有效功率正相關，兩者的變化趨勢幾乎相同。

3.2 單缸停油

根據(jù)相關規(guī)定，六缸及以下柴油機在停止一個氣缸后仍需保持主機運轉(zhuǎn)。將柴油機各缸分別停止供油，柴油機各特征參數(shù)的相對變化情況如圖9 和表5 所示。由圖表可見 ，不同的氣缸出現(xiàn)單缸停油故障或封缸運行時對柴油機特征參數(shù)的影響規(guī)律基本一致。

圖8 不同發(fā)火點提前角下特征參數(shù)變化Fig. 8 Variation of characteristic parameters with different start angles of combustion

圖9 不同氣缸停油時各參數(shù)的變化Fig. 9 Variation of parameters with each cylinder stoppage

表5 各氣缸分別停油時各參數(shù)對比Table 5 Comparison of parameters for each cylinder stoppage

如圖10 所示，將最高燃燒壓力、平均有效壓力、有效功率、有效油耗率這些特征參數(shù)作為柴油機單缸熄火狀態(tài)的識別引用參數(shù)。分析其變化規(guī)律可知，各氣缸分別停缸后，柴油機的平均有效壓力和有效功率均大幅下降，缸內(nèi)最高燃燒壓力也有所下降，而有效油耗率則上升了近15%。

此外，由圖10 還可知：第2，3 號氣缸分別停油后各特征參數(shù)變化的幅值略小，第1，4，5 號氣缸分別停油時其對特征參數(shù)的影響基本相同。其中，最高燃燒壓力的變化幅度約為13%，有效油耗率的變化幅度均為15%左右，平均有效壓力/有效功率的變化幅度在30%左右。

圖10 各氣缸分別停油時的特征參數(shù)變化Fig. 10 Variation of characteristic parameters with each cylinder stoppage

3.3 曲軸箱竄氣

氣缸中的氣體泄漏到曲軸箱的現(xiàn)象被稱為曲軸箱竄氣[13]。本文通過改變氣缸設置中的活塞有效竄氣間隙，模擬柴油機曲軸箱竄氣故障，結(jié)果如圖11 及表6 所示。

圖11 不同活塞有效竄氣間隙下各參數(shù)變化Fig. 11 Variation of parameters with different effective gas gaps

表6 不同活塞有效竄氣間隙下各參數(shù)對比Table 6 Comparison of parameters variation with different effective gas gaps

由圖11 及表6 可見，活塞有效竄氣間隙越大，柴油機的參數(shù)變化就越大，其中有效油耗率變化幅度最大，其次是平均有效壓力/有效功率。當間隙為0.04 mm 時，相比正常工況，有效油耗率增加了約40%。

針對上述變化情況，經(jīng)分析表明，曲軸箱竄氣使氣缸泄漏了大量新鮮空氣，而噴油量不變，缸內(nèi)燃油和空氣混合不均勻且總量變少，導致缸內(nèi)燃燒質(zhì)量變差，從而使柴油機有效功率、最高燃燒壓力和平均有效壓力均出現(xiàn)了下降；而未完全燃燒的燃油則延長了后燃期，導致有效油耗率和排氣溫度均升高[14]。

因此，可降低有效功率、最高燃燒壓力和平均有效壓力，將有效油耗率和渦輪前、后排氣溫度升高等現(xiàn)象作為曲軸箱竄氣狀態(tài)識別的特征參數(shù)。由圖12 可見，6 種特征參數(shù)隨活塞有效竄氣間隙的增加而均呈現(xiàn)擴大趨勢，其中，渦輪前、后排氣溫度呈線性增長，而最高燃燒壓力、有效油耗率、平均有效壓力、有效功率這4 個特征參數(shù)在間隙為0.04 mm 處急劇增加。

圖12 不同活塞有效竄氣間隙下特征參數(shù)變化Fig. 12 Variation of characteristic parameters with different effective gas gaps

4 結(jié) 語

本文在驗證柴油機模型有效性的基礎上，對幾種常見故障進行了仿真研究和數(shù)據(jù)分析，結(jié)果顯示仿真計算值與試驗值吻合較好，幾乎接近于真實工況，證明所提模型可準確、高效地模擬柴油機的工作及故障狀態(tài)。

本文研究范圍內(nèi)的典型故障仿真數(shù)據(jù)顯示，發(fā)火點提前類故障特征參數(shù)隨發(fā)火點提前角的增加基本呈線性擴大趨勢；單缸熄火類故障特征參數(shù)變化較大，第2，3 號氣缸整體變化幅度略小，不同的氣缸之間區(qū)別較??；曲軸箱竄氣類故障特征參數(shù)隨活塞有效竄氣間隙值的增加均呈擴大趨勢，渦輪前、后排氣溫度呈線性增長，而最高燃燒壓力、有效油耗率、平均有效壓力、有效功率在0.04 mm 間隙值處急劇增加，例如，燃耗率變化幅度接近40%。

柴油機典型故障能夠引起部分性能參數(shù)、熱工參數(shù)的幅值出現(xiàn)顯著而有規(guī)律的變化，這些參數(shù)可作為特征參數(shù)對故障類型及故障程度進行識別，為構(gòu)建智能故障狀態(tài)識別及故障診斷系統(tǒng)提供多維、豐富且真實的數(shù)據(jù)基礎。