李方玉 汪翔 陸軼 孫榮華 胡以懷

摘要：大型船舶動(dòng)力裝置故障數(shù)據(jù)的獲取，對(duì)于建立其故障診斷系統(tǒng)具有重要意義，通過(guò)試驗(yàn)等方式人為制造故障獲取故障數(shù)據(jù)，不僅周期長(zhǎng)，而且費(fèi)用高昂。采用試驗(yàn)結(jié)合仿真手段，以某大型低速二沖程柴油機(jī)為研究對(duì)象，在GT-Power軟件中建立其整機(jī)工作過(guò)程一維模擬模型，通過(guò)采集到的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型在50%、75%、1000-10負(fù)荷工況下進(jìn)行校核，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)正常工作狀態(tài)下柴油機(jī)模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，模擬了柴油機(jī)空氣濾清器臟堵、掃氣口臟堵、缸套冷卻水腔氣堵、壓氣機(jī)故障、單缸噴油器阻塞5個(gè)典型故障及故障的不同狀態(tài)，得出不同故障及同一故障不同程度下柴油機(jī)缸內(nèi)壓力變化和排氣溫度變化規(guī)律，為大型船用動(dòng)力裝置的故障診斷及排除提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力裝置;工作過(guò)程;整機(jī)模型;故障模擬

中圖分類號(hào)：U664.81

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009 - 9492（ 2022）02-0102-04

0 引言

船用柴油機(jī)工作過(guò)程的研究對(duì)于船舶動(dòng)力裝置的故障分析與診斷具有重要的參考價(jià)值。由于船舶動(dòng)力裝置工作環(huán)境惡劣、零部件眾多、各部件運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，因此，其發(fā)生故障的概率較高且故障類型較多[1-3]。利用相關(guān)手段對(duì)船用發(fā)動(dòng)機(jī)的故障機(jī)理及其表現(xiàn)形式進(jìn)行分析顯得尤為重要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，加之大型船舶動(dòng)力裝置試驗(yàn)成本昂貴，國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐漸青睞于采用數(shù)值仿真方法對(duì)其工作過(guò)程及相關(guān)故障進(jìn)行研究[4-8]。羅玉君[9]以某船用柴油機(jī)為研究對(duì)象，建立其數(shù)值仿真模型，模擬了主機(jī)系統(tǒng)的常見(jiàn)故障，并以圖形展示發(fā)動(dòng)機(jī)各故障下熱工參數(shù)的變化情況;王公勝[10]利用AVL BOOST仿真軟件搭建某大型二沖程低速柴油機(jī)整機(jī)模型，研究增壓器效率降低、單缸停油等故障下，柴油機(jī)主要熱力參數(shù)的變化情況;Riccardo等[11]建立了發(fā)動(dòng)機(jī)的氣路模型，對(duì)進(jìn)氣管泄漏、渦輪效率下降等故障進(jìn)行模擬，通過(guò)可變閾值及敏感度的方式對(duì)故障進(jìn)行診斷，診斷精度較高;Ciovanni和Ugo[12-13]利用MATLAB/SIMULINK建立8L46A型發(fā)動(dòng)機(jī)模型，通過(guò)對(duì)柴油機(jī)正常工作狀態(tài)下的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，模擬了噴油提前/滯后、排氣管故障等，并分析了各故障下發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變化。本文運(yùn)用CT-Power軟件對(duì)某大型船舶動(dòng)力裝置工作過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)調(diào)整模型正常工作狀況工的相應(yīng)輸入?yún)?shù)，模擬了空氣濾清器臟堵、缸套冷卻水腔氣堵、單缸噴油器堵塞等故障，得出各故障下排氣溫度、缸內(nèi)壓力的變化情況，為船用低速柴油機(jī)的故障診斷及排除提供參考依據(jù)[14-15]。

1 柴油機(jī)模型建立及驗(yàn)證

1.1 模型搭建

以MAN 6S35 ME-B9船用二沖程柴油機(jī)為研究對(duì)象，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。依據(jù)其實(shí)機(jī)參數(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)仿真軟件G T-Power中建立其一維仿真模型，如圖1所示。模型主要由進(jìn)排氣環(huán)境邊界、進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)、汽缸、渦輪增壓系統(tǒng)、曲軸等組成。模型中，燃燒樣板采用diesel2-coombust，燃燒模型選擇軟件白帶的預(yù)測(cè)燃燒模型DIJet，噴油器模型選擇InjProfileConn，熱量傳遞模型選擇woschni，柴油機(jī)摩擦損失采用Chen-Flynn關(guān)系式計(jì)算。

1.2 模型驗(yàn)證

以50%、75%、100%負(fù)荷下的柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校核，結(jié)果如表2所示?？梢?jiàn)，各工況下柴油機(jī)主要熱工參數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較小，因此，該模型可作為柴油機(jī)故障模擬與燃燒狀況分析的基準(zhǔn)模型。

2 故障參數(shù)設(shè)置

以柴油機(jī)進(jìn)氣溫度30IK、進(jìn)氣壓力1.02 bar（1 bar=0.1 MPa）、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速129 r/min、單杠循環(huán)噴油量10.58g為基本條件進(jìn)行故障模擬與分析。故障類型與相關(guān)參數(shù)設(shè)置[15]如表3所示，其中單缸噴油器阻塞故障設(shè)定1號(hào)缸為故障缸。

3 故障模擬及結(jié)果分析

在柴油機(jī)模型中設(shè)置上述故障參數(shù)，模擬了空氣濾清器臟堵、缸套冷卻水腔氣堵、中冷器水側(cè)結(jié)垢、單缸噴油阻塞等故障，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 空氣濾清器臟堵和掃氣口臟堵故障

船舶柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的環(huán)境十分惡劣，作為柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的前端保護(hù)裝置，空氣濾清器能夠有效濾除進(jìn)氣中的灰塵和各種雜質(zhì)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量、缸內(nèi)燃燒狀況以及尾氣排放有著決定性作用。如圖2所示，隨著空氣濾清器臟堵故障程度增加，柴油機(jī)汽缸內(nèi)壓縮壓力和燃燒壓力均有較大幅度降低，最高燃燒壓力最大降幅為21.76%，柴油機(jī)排氣溫度大幅升高，最大幅度達(dá)24.02%。這是由于空氣濾清器臟堵會(huì)造成壓氣機(jī)進(jìn)氣流通阻力增加，壓氣機(jī)出口壓力降低，進(jìn)而導(dǎo)致缸內(nèi)壓縮壓力降低;進(jìn)氣流量減少，柴油機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣充量減少，燃燒惡化，燃燒壓力降低，燃油消耗率增加，排氣溫度升高。

圖3所示為柴油機(jī)掃氣口臟堵故障下缸內(nèi)壓力和排氣溫度變化情況，可以看出，該故障下柴油機(jī)缸內(nèi)壓縮壓力和燃燒壓力有小幅降低，最高燃燒壓力最大下降7.25%，排氣溫度小幅上升，最大幅度達(dá)6.16%;且隨著故障程度的增加，缸內(nèi)壓力和排氣溫度的變化幅度逐漸增大。這主要是因?yàn)閽邭饪谂K堵使得掃氣壓力下降，進(jìn)入柴油機(jī)缸內(nèi)的空氣流量減少，造成燃燒不充分，燃燒品質(zhì)下降，燃燒壓力降低，油耗增高，排溫升高。

3.2 缸套冷卻水腔氣堵和壓氣機(jī)故障

缸套冷卻水腔氣堵故障下柴油機(jī)缸內(nèi)壓力和排氣溫度變化情況如圖4所示，可以看出，該故障下缸內(nèi)壓力與排氣溫度均有小幅增加，最高燃燒壓力最大增幅為5.42%，排氣溫度最大增幅為0.62%。這是因?yàn)樵诓裼蜋C(jī)缸套冷卻水腔氣堵故障下，缸內(nèi)工質(zhì)與氣缸壁之間換熱受阻，冷卻水帶走熱量減少，柴油機(jī)缸內(nèi)溫度高，熱效率有所提高，活塞做功增加，排溫升高。

圖5所示為柴油機(jī)壓氣機(jī)故障下缸內(nèi)壓力和排氣溫度變化情況。排氣溫度指渦輪入口處排氣溫度?？梢钥闯觯S著故障程度增加，柴油機(jī)壓縮壓力和燃燒壓力逐漸降低，最高燃燒壓力最大降幅為19.59%，排氣溫度逐漸升高，最大幅度達(dá)20.87%。這是由于壓氣機(jī)故障導(dǎo)致其增壓能力下降，壓氣機(jī)出口氣體壓力和溫度降低，進(jìn)氣流量減少，位于壓氣機(jī)后的中冷器出口溫度和壓力降低，缸內(nèi)進(jìn)氣量減少，柴油機(jī)燃燒惡化，油耗增加，燃燒壓力降低，活塞做功減少，功率降低，排氣溫度升高。

3.3 單缸噴油器阻塞故障

單缸噴油器阻塞故障對(duì)故障缸及其排氣溫度影響如圖6所示，圖7所示為該故障下扭矩變化曲線。可以看出，噴油器堵塞對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)壓縮壓力影響不大，但會(huì)造成燃燒壓力大幅降低，最高燃燒壓力最大降幅達(dá)23.35%，排氣溫度下降.并引起柴油機(jī)輸出扭矩降低。噴油器阻塞使柴油機(jī)單缸循環(huán)供油量減少，相同進(jìn)氣條件下，燃料不足，燃燒溫度降低，燃燒壓力減小，排氣溫度下降，活塞做功減少，柴油機(jī)輸出扭矩降低，輸出功率下降。

4 結(jié)束語(yǔ)

以船用二沖程柴油機(jī)MAN 6S35 ME-B9為研究對(duì)象，建立其整機(jī)工作過(guò)程一維模擬計(jì)算模型，研究了空氣濾清器臟堵、壓氣機(jī)故障、掃氣口臟堵等故障下柴油機(jī)缸內(nèi)壓力、排氣溫度等參數(shù)的變化情況，得出結(jié)論如下。

（1）空氣濾清器臟堵對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)壓力和排氣溫度有顯著影響，隨著空氣濾清器臟堵故障程度增加，缸內(nèi)壓縮壓力和燃燒壓力均有較大幅度降低，最高燃燒壓力最大降幅21.76%，排氣溫度大幅升高，最大幅度達(dá)24.02%;掃氣口臟堵故障下，柴油機(jī)缸內(nèi)壓縮壓力和燃燒壓力小幅降低，最高燃燒壓力最大下降7.25%，排氣溫度小幅上升，最大幅度達(dá)6.16%;且隨著故障程度增加，缸內(nèi)壓力和排氣溫度的變化幅度逐漸增大。

（2）缸套冷卻水腔氣堵故障下缸內(nèi)壓力和排氣溫度均小幅上升，最高燃燒壓力最大增幅為5.42%，排氣溫度最大增幅為0.62%;壓氣機(jī)故障下柴油機(jī)缸內(nèi)壓縮壓力和燃燒壓力逐漸降低，最高燃燒壓力最大降幅為19.59%，排氣溫度逐漸升高，最大幅度達(dá)20.87%，與空氣濾清器臟堵故障特征相似。

（3）噴油器堵塞故障對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)壓縮壓力影響不大，但會(huì)造成燃燒壓力大幅降低，最高燃燒壓力最大降幅達(dá)23.35%，排氣溫度下降，柴油機(jī)輸冉扭矩降低。

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