趙震宇，朱軍超，溫華兵，錢(qián)進(jìn)，孫鵬，申華

(1.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所,上海 201108；3.重慶江增船舶重工有限公司,重慶 402263)

0 引言

廢氣渦輪增壓器是船舶柴油機(jī)的重要系統(tǒng)之一，其安全性不容忽視[1– 2]。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且長(zhǎng)期處于惡劣的工作環(huán)境中，廢氣渦輪增壓器故障時(shí)有發(fā)生，需要及時(shí)診斷。準(zhǔn)確識(shí)別廢氣渦輪增壓器的故障，需要足夠多的故障樣本數(shù)據(jù)，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架獲取樣本數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)大量成本且難度較高[3]，而對(duì)船舶柴油機(jī)進(jìn)行故障數(shù)值仿真計(jì)算簡(jiǎn)單高效，可獲得足夠數(shù)量故障樣本數(shù)據(jù)，易于前期對(duì)故障情況進(jìn)行分析，為故障診斷提供參考。

由于船舶柴油機(jī)的工作原理和工作環(huán)境十分復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種方法建立柴油機(jī)整機(jī)模型。在軟件AVL Boost 以及GT-power 中均可以構(gòu)建船用柴油機(jī)仿真模型，且模型可相對(duì)準(zhǔn)確模擬柴油機(jī)性能，從而用于故障仿真的研究[4– 6]。國(guó)外學(xué)者利用壓縮機(jī)和渦輪的物理平均線(xiàn)模型建立完整的船用柴油機(jī)仿真模型，并使用臺(tái)架數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型，能夠預(yù)測(cè)柴油機(jī)部分負(fù)荷下的渦輪機(jī)性能[7–8]。在處理故障數(shù)據(jù)方面，以可靠性為中心的維護(hù)方法可優(yōu)化船用柴油機(jī)的故障數(shù)據(jù)庫(kù)，顯著提高對(duì)故障的檢測(cè)能力[9]。通過(guò)故障樹(shù)分析法對(duì)渦輪增壓器故障進(jìn)行診斷分析，提高診斷的可靠性以及優(yōu)化渦輪增壓器的運(yùn)行[10]。在后期的渦輪增壓器故障診斷方面，何劉海[11]基于多變量灰色模型和支持向量機(jī)，分別通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度分析，采用二叉樹(shù)支持向量機(jī)多類(lèi)分類(lèi)方法，構(gòu)造出渦輪增壓器的決策樹(shù)并驗(yàn)證其可行性。CUI等[12]研究了流量指標(biāo)和二維等熵效率與渦輪增壓器氣路可測(cè)參數(shù)之間的非線(xiàn)性映射關(guān)系，建立了一種新的渦輪增壓器性能故障評(píng)估方法。

目前國(guó)內(nèi)外研究在性能數(shù)值仿真方向更加注重柴油機(jī)整體故障，聚焦渦輪增壓系統(tǒng)的研究較少。而對(duì)渦輪增壓器故障的研究大部分偏向于后期的故障診斷方法，渦輪增壓器的性能參數(shù)同樣也可以表征其相應(yīng)的工作狀態(tài)，且蘊(yùn)涵大量的故障信息。因此，本文以渦輪增壓器為研究對(duì)象，搭建柴油機(jī)整機(jī)數(shù)值仿真模型，通過(guò)對(duì)柴油機(jī)整機(jī)模型計(jì)算得到渦輪增壓系統(tǒng)相關(guān)故障的性能參數(shù)，以及各個(gè)參數(shù)在不同故障下的變化規(guī)律，為渦輪增壓器的故障診斷提供技術(shù)支持。

1 柴油機(jī)仿真模型建立

本文利用AVL Boost 軟件，建立柴油機(jī)整機(jī)仿真模型。柴油機(jī)為中速六缸四沖程柴油機(jī)，同時(shí)渦輪增壓器配備1 臺(tái)中冷器。渦輪增壓器輸入使用全模型輸入，輸入?yún)?shù)為完整的壓氣機(jī)及渦輪機(jī)map 圖數(shù)據(jù)，使得渦輪增壓器在引入故障時(shí)的響應(yīng)變化符合實(shí)際情況，柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of diesel engine

柴油機(jī)整機(jī)仿真模型如圖1 所示。圖中SB1 和SB2 為系統(tǒng)邊界，即進(jìn)、排氣口處的環(huán)境狀況；PL1為進(jìn)氣總管，PL2 為排氣總管；TC1 為渦輪增壓器；CO1 為中冷器；C1～C6 為6 個(gè)氣缸；1～17 為氣體管道；MP1～MP17 為狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖1 柴油機(jī)整機(jī)仿真模型Fig.1 Diesel engine simulation model

利用構(gòu)建的柴油機(jī)模型，在額定工況下對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算。通過(guò)對(duì)比柴油機(jī)功率、燃油消耗率及最高爆發(fā)壓力等參數(shù)的仿真計(jì)算結(jié)果，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證柴油機(jī)模型與渦輪增壓器模型的準(zhǔn)確性。表2 為仿真計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)量的柴油機(jī)以及渦輪增壓器主要性能參數(shù)對(duì)比。

表2 額定工況試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比Tab.2 Comparison of test values under rated conditions with simulated values

由表2 可以看出，在額定工況下，本文構(gòu)建的柴油機(jī)整機(jī)模型模擬計(jì)算所得出的柴油機(jī)功率、燃油消耗率、最高爆發(fā)壓力等柴油機(jī)參數(shù)以及增壓比、壓氣機(jī)效率、渦輪機(jī)效率等渦輪增壓器參數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比偏差均在5%以?xún)?nèi)。

除主要運(yùn)行參數(shù)外，本文還進(jìn)行了柴油機(jī)氣缸內(nèi)壓力變化的對(duì)比驗(yàn)證。在仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)之間，最高值和瞬時(shí)值的相似度較高。因此，可認(rèn)為該模型經(jīng)過(guò)了良好的驗(yàn)證，如圖2 所示，。運(yùn)行結(jié)果符合精度要求，能較為準(zhǔn)確地模擬柴油機(jī)以及渦輪增壓器的性能，可實(shí)際應(yīng)用于柴油機(jī)的故障仿真。

圖2 額定工況下缸壓曲線(xiàn)對(duì)比圖Fig.2 Comparison of cylinder pressure curves under rated conditions

2 渦輪增壓器故障仿真

模型經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后，逐步引入故障參數(shù)設(shè)置。在柴油機(jī)3 個(gè)不同負(fù)荷的工況下，以額定轉(zhuǎn)速750 r/min，進(jìn)氣溫度298 K、進(jìn)氣壓力98.8 kPa 為邊界條件。故障仿真的主要對(duì)象為渦輪增壓系統(tǒng)，選取7 個(gè)故障，用代碼F1～F7 表示。F1 為壓氣機(jī)故障故障，F(xiàn)2 為中冷器氣側(cè)堵塞，F(xiàn)3 為中冷器水側(cè)堵塞，F(xiàn)4 為渦輪噴嘴環(huán)臟堵，F(xiàn)5 為渦輪機(jī)低效，F(xiàn)6 為渦輪后排氣管臟堵，F(xiàn)7 為渦輪增壓器軸承磨損。為了解故障嚴(yán)重程度對(duì)柴油機(jī)的影響，每種故障引入4 種狀態(tài)表示嚴(yán)重程度。表3 為柴油機(jī)故障類(lèi)型以及故障參數(shù)的設(shè)置。

表3 典型熱力學(xué)故障仿真輸入?yún)?shù)Tab.3 Typical thermodynamic failure simulation input parameters

F1 為壓氣機(jī)故障，壓氣機(jī)流道污阻、葉片積垢、葉輪磨損等都會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)效率的損失，因此通過(guò)降低壓氣機(jī)效率來(lái)仿真故障。F2 和F3 均為中冷器故障，F(xiàn)2 氣側(cè)堵塞會(huì)增加氣體流動(dòng)阻力從而導(dǎo)致壓降升高，F(xiàn)3 水側(cè)堵塞通常由于冷卻水管臟堵或者腐蝕引起，會(huì)導(dǎo)致中冷器效率降低。F4 和F5 均為渦輪機(jī)故障，這2 種故障和F1 故障發(fā)生的原因相似，但由于廢氣中污垢含量更高，渦輪故障比壓縮機(jī)故障更加頻繁。F6 為排氣管道堵塞，通過(guò)提高環(huán)境出口壓力的方式來(lái)增加排氣管阻力。F7 為渦輪增壓器軸承磨損，由于磨損程度會(huì)隨著時(shí)間逐步加重，因而通過(guò)逐步降低渦輪增壓器機(jī)械效率的方式來(lái)模擬仿真。

選擇8 個(gè)渦輪增壓器相關(guān)的柴油機(jī)熱工參數(shù)作為仿真結(jié)果分析數(shù)據(jù)，用代碼S1～S8 表示。其中，S1 為增壓壓力，S2 為壓氣機(jī)出口溫度，S3 為渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度，S4 為渦輪機(jī)排氣溫度，S5 為渦輪機(jī)進(jìn)氣壓力，S6 為渦輪機(jī)排氣壓力，S7 為渦輪增壓器轉(zhuǎn)速，S8 為空氣質(zhì)量流量。

對(duì)熱工參數(shù)的分析主要取決于參數(shù)的相對(duì)偏離度，相對(duì)偏離度可表示為：

式中：x0為柴油機(jī)正常運(yùn)行工況下的參數(shù)數(shù)值；xi為故障狀態(tài)下的參數(shù)數(shù)值。

根據(jù)以上故障參數(shù)設(shè)置，對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值仿真，結(jié)果如圖3～圖6 所示。分析7 個(gè)故障中8 個(gè)特征參數(shù)的變化幅值，更加直觀(guān)比較其作為特征參數(shù)的敏感性。y軸表示參數(shù)相對(duì)于正常值的百分比變化，x軸表示所模擬的故障。每個(gè)模擬故障中都有3 個(gè)方柱，方柱的最低點(diǎn)到最高點(diǎn)代表故障隨著嚴(yán)重程度的加深而發(fā)生的參數(shù)幅值變化，方柱最低點(diǎn)以下的部分處于該故障的較輕微狀態(tài)。3 個(gè)方柱分別代表柴油機(jī)100%，75%以及50%負(fù)荷的3 種工況。

圖3 不同故障下S1 和S2 的變化幅值Fig.3 Variation amplitude of S1 and S2 under different faults

圖4 不同故障下S3 和S4 的變化幅值Fig.4 Variation amplitude of S3 and S4 under different faults

圖5 不同故障下S5 和S6 的變化幅值Fig.5 Variation amplitude of S5 and S6 under different faults

圖6 不同故障下S7 和S8 的變化幅值Fig.6 Variation amplitude of S7 and S8 under different faults

2.1 壓氣端特征參數(shù)響應(yīng)變化分析

圖3 為S1 增壓壓力、S2 壓氣機(jī)出口溫度在不同故障情況下所發(fā)生的幅值變化。可以看出，2 種參數(shù)在7 種故障情況下的變化趨勢(shì)幾乎一致。

S1 增壓壓力對(duì)除了F2 中冷器氣側(cè)堵塞以外的6 種故障都很敏感。在F2 故障發(fā)生時(shí)，3 種工況下增壓壓力的最高變化均不到5%?？梢钥闯觯現(xiàn)3 中冷器水側(cè)堵塞和F4 渦輪噴嘴環(huán)堵塞是7 種故障中造成增壓壓力過(guò)高現(xiàn)象發(fā)生的主要故障，這2 種故障造成的增壓壓力升高在故障最嚴(yán)重時(shí)都可以達(dá)到10%。另一方面，F(xiàn)7 軸承磨損故障發(fā)生時(shí)，增壓壓力會(huì)出現(xiàn)較為明顯的降低行為，嚴(yán)重時(shí)可以達(dá)到10%左右。而F1 壓氣機(jī)故障，F(xiàn)5 渦輪機(jī)低效，F(xiàn)6 渦輪后排氣管臟堵故障發(fā)生時(shí)，增壓壓力會(huì)發(fā)生較大幅度的降低，在50%負(fù)荷的情況下最大可以降低20%以上。

S2 壓氣機(jī)出口溫度的變化趨勢(shì)雖然和增壓壓力的變化趨勢(shì)基本一致，但變化的幅值在所有7 種故障發(fā)生時(shí)都在6%以下。雖然F1 壓氣機(jī)故障，F(xiàn)5 渦輪機(jī)低效，F(xiàn)6 以及F7 軸承磨損都會(huì)造成壓氣機(jī)出口溫度的降低，但在100%負(fù)荷的情況時(shí)下降的幅值都在5%以下。F3 中冷器水側(cè)堵塞和F4 渦輪噴嘴環(huán)堵塞僅會(huì)造成壓氣機(jī)出口溫度輕微幅度的上升。F2 中冷器氣側(cè)堵塞所造成的影響可以忽略不計(jì)。

2.2 渦輪端溫度參數(shù)響應(yīng)變化分析

圖4 為S3 渦輪前排氣溫度以及S4 渦輪后排氣溫度在不同故障情況下所發(fā)生的幅值變化。可以看出，2 種參數(shù)的變化相似度很高。除了F4 渦輪噴嘴環(huán)堵塞會(huì)造成渦輪排氣溫度的小幅度降低外，其余6 種故障都會(huì)造成渦輪前后排氣溫度的上升。

當(dāng)F2 中冷器氣側(cè)堵塞和F3 中冷器水側(cè)堵塞2 種中冷器相關(guān)故障發(fā)生時(shí)，會(huì)造成渦輪排氣溫度小幅度的升高，升高幅度在5% 左右。在輕微故障的情況下，對(duì)參數(shù)造成的影響可以當(dāng)成排氣溫度在正常運(yùn)行范圍內(nèi)的變化。因此判斷中冷器故障不是造成渦輪端超溫的主要原因。

而F1 壓氣機(jī)故障，F(xiàn)5 渦輪機(jī)低效，F(xiàn)6 渦輪后排氣管堵塞和F7 軸承磨損這4 種故障都會(huì)造成渦輪排氣溫度的顯著升高。F1 和F5 在3 種不同負(fù)荷工況下都可造成S3 和S4 上升的幅值達(dá)到10%，嚴(yán)重情況下S4 的上升幅值可達(dá)20%。值得注意的是，在低負(fù)荷情況下，F(xiàn)1 和F6 所造成的溫度升高幅度是大于高負(fù)荷情況所造成的溫度幅值升高。但從數(shù)據(jù)來(lái)看，故障所造成的溫度升高數(shù)值較為接近，幅值不同是因?yàn)榈拓?fù)荷情況下渦輪段前后排氣溫度的基數(shù)要低于高負(fù)荷情況下的溫度。

2.3 渦輪端壓力參數(shù)響應(yīng)變化分析

圖5 為S5 渦輪前排氣壓力以及S6 渦輪后排氣壓力在不同故障情況下所發(fā)生的幅值變化。

可以看出，S5 渦輪前排氣壓力對(duì)7 種故障情況都會(huì)有相應(yīng)的變化。F3 中冷器水側(cè)堵塞以及F4 渦輪噴嘴環(huán)臟堵會(huì)造成壓力的上升，盡管F3 所造成的影響可以忽略不計(jì)。F2 中冷器氣側(cè)堵塞雖然會(huì)導(dǎo)致渦輪進(jìn)氣壓力降低，但降低幅值最高也不超過(guò)5%。其余4 種故障，F(xiàn)1 壓氣機(jī)故障，F(xiàn)5 渦輪機(jī)低效，F(xiàn)6 渦輪后排氣管堵塞和F7 軸承磨損都會(huì)造成渦輪前排氣壓力較大幅度的降低。S5 對(duì)故障的整體響應(yīng)變化和S1 增壓壓力極為相似，變化幅值低于S1。

S6 渦輪后排氣壓力一般為環(huán)境出口壓力，對(duì)大多數(shù)故障實(shí)際上不會(huì)有任何變化反應(yīng)。因此，渦輪后排氣壓力幾乎不能作為故障診斷的特征參數(shù)。只有當(dāng)F6 渦輪后排氣管臟堵時(shí)，由于排氣管道流通面積的減小，排氣不暢，流出渦輪增壓器的廢氣受到的阻力才會(huì)發(fā)生顯著增大。

2.4 渦輪增壓器運(yùn)行參數(shù)響應(yīng)變化分析

圖6 為S7 渦輪增壓器轉(zhuǎn)速以及S8 空氣質(zhì)量流量在不同故障情況下所發(fā)生的幅值變化?？梢钥闯?，雖然兩種參數(shù)變化的幅值相差接近1 倍，但整體變化相似度卻很高，符合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

F1 壓氣機(jī)故障，F(xiàn)5 渦輪機(jī)低效，F(xiàn)6 渦輪后排氣管堵塞以及F7 軸承磨損這4 種故障都可以造成S7 渦輪增壓器轉(zhuǎn)速和S8 空氣質(zhì)量流量大幅度降低。尤其是S8 空氣質(zhì)量流量，4 種故障所造成的幅值降低都可達(dá)10%以上。F1 和F6 在柴油機(jī)低負(fù)荷工況，即便是故障發(fā)生的早期階段都可以造成S8 空氣質(zhì)量流量降低約10%，故障嚴(yán)重時(shí)甚至可以降低20%以上。高負(fù)荷工況下，F(xiàn)1 和F5 也都可以造成S8 約15% 的幅值降低。S7 渦輪增壓器轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)與S8 空氣質(zhì)量流量一致，但幅值變化在均在15%以?xún)?nèi)。

F3 中冷器水側(cè)堵塞和F4 渦輪噴嘴環(huán)臟堵都可以造成S7 渦輪增壓器轉(zhuǎn)速和S8 空氣質(zhì)量流量2 種參數(shù)出現(xiàn)小幅度的上升，變化的幅值在5%以?xún)?nèi)。值得注意的是，F(xiàn)2 中冷器氣側(cè)堵塞通常也會(huì)造成壓氣機(jī)空氣質(zhì)量流量的降低，但由于故障嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致渦輪增壓器發(fā)生喘振故障，此時(shí)柴油機(jī)主機(jī)性能隨之處于波動(dòng)狀態(tài)，柴油機(jī)各主機(jī)參數(shù)無(wú)法保持穩(wěn)定數(shù)值[13]，仿真的數(shù)據(jù)會(huì)和柴油機(jī)運(yùn)行的實(shí)際情況發(fā)生較大差異。因此在模擬F2 中冷器氣側(cè)堵塞時(shí)，只模擬故障發(fā)生的初期階段。在F2 故障發(fā)生時(shí)，S8 空氣質(zhì)量流量以及此前所分析的幾種特征參數(shù)的變化幅值都處于較低的數(shù)值。

3 故障仿真結(jié)果分析

表4 總結(jié)了仿真的不同故障類(lèi)型下各個(gè)特征參數(shù)所發(fā)生的幅值變化。其中所顯示的符號(hào)“-”或“+”分別表示故障模式下特征參數(shù)值相對(duì)于正常工況下的標(biāo)準(zhǔn)值變化是升高還是降低。此外，（-）/（+）表示參數(shù)變化在5% 以?xún)?nèi)，（--）/（++）表示參數(shù)變化在5%～10%，（---）/（+++）表示參數(shù)變化在10%以上。其中的數(shù)值變化均采用在柴油機(jī)100%負(fù)荷工況下所仿真故障的嚴(yán)重情況。變化幅值小于1%的數(shù)據(jù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷在柴油機(jī)數(shù)據(jù)的正常變化范圍內(nèi)，不再分析。

表4 各個(gè)故障下渦輪增壓器參數(shù)變化情況Tab.4 Summary of turbocharger parameter changes under various faults

由表4 可知，所有故障所對(duì)應(yīng)的參數(shù)敏感度均有差別。其中F1 壓氣機(jī)故障和F5 渦輪機(jī)低效，F(xiàn)6 渦輪后排氣管堵塞和F7 軸承磨損對(duì)應(yīng)的參數(shù)變化相似度較高，但F1 和F5 有S2 壓氣機(jī)出口溫度，F(xiàn)6 和F7 有S6 渦輪后排氣溫度這2 個(gè)決定性參數(shù)區(qū)別存在。因此，這給渦輪增壓器故障診斷提供了依據(jù)。

在分析的8 種參數(shù)中，S1 增壓壓力和S5 渦輪前排氣壓力對(duì)故障的敏感程度最高，成為故障檢測(cè)的理想指標(biāo)。由于2 種參數(shù)的變化趨勢(shì)極為相似，而S1 增壓壓力的變化幅值更高，因此選擇S1 作為故障診斷的監(jiān)測(cè)參數(shù)。由于很難僅通過(guò)評(píng)估單一參數(shù)的變化區(qū)分哪些故障正在發(fā)生，為了診斷出可能的故障，有必要與其他參數(shù)同時(shí)組成作為故障診斷依據(jù)的特征參數(shù)。分析中可以發(fā)現(xiàn)，S3 渦輪前排氣溫度和S4 渦輪后排氣溫度，S7 渦輪增壓器轉(zhuǎn)速和S8 壓氣機(jī)空氣質(zhì)量流量這2 組參數(shù)的重復(fù)性較高，且都對(duì)部分故障有較高的敏感度，可以只選擇每組參數(shù)中的其中1 個(gè)，如敏感度相對(duì)較高的S4 渦輪后排氣溫度和S8 空氣質(zhì)量流量作為故障診斷的主要依據(jù)參數(shù)，S6 渦輪后排氣壓力作為輔助參數(shù)，用以區(qū)分參數(shù)變化相似度較高故障類(lèi)型，即可準(zhǔn)確識(shí)別出所仿真的7 種渦輪增壓系統(tǒng)故障。

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立了柴油機(jī)一維模擬計(jì)算模型，通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，表明仿真模型可獲得柴油機(jī)各系統(tǒng)下的熱工參數(shù)，數(shù)據(jù)誤差在5%以?xún)?nèi)，為故障診斷提供參考。

1）增壓壓力和渦輪前排氣壓力對(duì)故障的敏感度最高。中冷器故障和渦輪噴嘴環(huán)堵塞故障發(fā)生時(shí)有明顯上升趨勢(shì)，嚴(yán)重故障狀態(tài)時(shí)上升幅值均可達(dá)到10%以上。在壓氣機(jī)故障、渦輪機(jī)故障、渦輪后排氣管臟堵和軸承磨損故障發(fā)生時(shí)明顯降低，嚴(yán)重故障狀態(tài)下下降幅值可達(dá)15%以上。

2）渦輪前后排氣溫度在除了渦輪噴嘴環(huán)堵塞的其余故障發(fā)生時(shí)都會(huì)有不同程度的幅值上升。其中，對(duì)壓氣機(jī)故障、渦輪機(jī)故障以及渦輪后排氣管臟堵的敏感度尤為顯著。低負(fù)荷嚴(yán)重故障狀態(tài)時(shí)上升幅值均可達(dá)到15%以上。

3）通過(guò)數(shù)據(jù)分析，從研究的8 個(gè)參數(shù)中篩選出增壓壓力、渦輪后排氣溫度、空氣質(zhì)量流量、壓氣機(jī)出口溫度以及渦輪后排氣壓力這5 個(gè)熱工參數(shù)，優(yōu)選作為渦輪增壓器故障診斷的監(jiān)測(cè)參數(shù)。