船舶柴油機進排氣系統故障仿真軟件設計與實現

（上海海事大學 商船學院，上海 201306）

0 引言

如今，船舶的智能化正向更科學、更安全的方向發展[1]。近年來，對船舶管理人員能力的高度重視，使得計算機仿真技術在船舶智能化方向的優勢越來越明顯。計算機仿真技術通過數學模型的建立、仿真模型的建立和調試、運行結果的分析等實現。

通常，船舶柴油機故障仿真軟件具有以下優點：1）不僅可以實現輪機數據資料的監測、處理和報警，而且減輕了船舶管理人員的負擔[2]；2）由于輪機模擬器組成與實船相似，所以其可實時觀測進排氣系統、滑油系統、冷卻水系統和燃油系統等運行狀態，進而檢查出船舶在運行過程中所出現的故障并診斷解除；3）實船由于各種原因和條件限制無法實現的試驗和試航，對于這類特殊的故障問題，可以進行故障的提前設置，例如排氣溫度異常升高、渦輪增壓器轉速異常等，通過計算機仿真模擬技術進行反復的模擬操作，其運行后的結果可以利用計算機圖形模擬處理清晰地顯示出來；4）可實現趨勢預報警，預測故障，查找原因，提高機械設備的可靠性，延長設備的使用壽命；5）可降低船舶管理人員培訓費用。

1 故障模擬的原理

船舶柴油機的故障是具有拓展性和傳播性的，某一系統產生的故障會延伸至其他系統，對其他系統產生影響[3]。故障模擬原理的基礎是計算數學模型，即改變模型本身或改變已知參數，通過在原有模型的基礎上附加參數，假定在正常運行狀況下的參數為1，發生故障時，取不等于1的參數值來改變原有的數學模型；或者，把某些故障以符合實際變化的函數來表示并附加到原有的數學模型中，構成新的數學模型，如圖1所示。

圖1 故障源與故障現象

2 建立進排氣系統故障數據庫

船舶柴油機的進排氣系統是與滑油系統和燃油系統同等重要的系統，主要檢測對象的性能參數[4]。

柴油機的進氣壓力過低，導致的故障狀態是進氣量不足、燃燒不充分、燃油燃燒點滯后、活塞的膨脹行程變長、柴油機輸出功率明顯下降、排氣冒黑煙、排氣溫度升高、燃燒室內部的積碳殘渣過多、排氣閥件磨損、油量消耗增加；柴油機的進氣壓力過高，導致的故障狀態是進氣量過多、燃燒不良、燃油燃燒點提前、活塞的膨脹行程變短、排氣冒白煙、排氣溫度降低；柴油機的進氣溫度過高，導致的故障狀態是燃油燃燒不充分、活塞的壓縮行程變長、燃油燃燒點滯后、柴油機輸出功率明顯下降、發生后燃現象、燃燒室部件燒損等；柴油機的排氣溫度過高，導致的故障狀態是排氣總管的熱負荷增加、渦輪增壓器的廢氣端沖擊增加，導致增壓器運轉壽命降低、燃燒不充分、雜質過多、廢氣端出現臟污；柴油機的排氣壓力過高，導致的故障狀態是渦輪增壓器的轉速過高、壓氣端機械負荷增大、廢氣端沖擊增大，從而造成增壓器運轉壽命降低，壓氣端的進氣溫度和進氣壓力明顯升高。

3 仿真功能與軟件設計

3.1 柴油機基本參數

本文選取MTU 20V956TB92型船舶柴油機進排氣系統進行研究，發動機主要由進排氣凸輪及傳動機構、空氣過濾器、海水空冷器、緊急切斷氣源閥、廢氣渦輪增壓器、增壓空氣預熱器、配氣機構等部件組成，發動機部分參數如表1所示，廢氣渦輪增壓器技術參數如表2所示。

表1 MTU 20V956TB92型船舶柴油機部分參數

表2 廢氣渦輪增壓器技術參數

采用Visual Studio作為開發工具，.NET 4.5作為程序的開發平臺，選用 C#作為開發語言，Windows7為操作系統。采用CoreIDRAW對船舶柴油機進排氣系統中的部件進行外觀設計，設計遵循國家標準和部件外形等原則，主要實現以下功能：

1）廢氣渦輪增壓器吸入燃燒空氣，空氣被壓縮后經增壓空氣冷卻器和緊急空氣關閉閥送入發動機的燃燒室，緊急空氣關閉閥裝在連接箱上，在緊急情況下，該閥可隔絕空氣進入氣缸，實現緊急停車；

2）仿真柴油機的進氣過程，渦輪增壓機從進氣過濾器處吸氣，進氣被壓縮后，流入海水中冷器進行冷卻，經緊急切斷空氣閥后進入進氣總管，各缸的進氣閥在配氣凸輪的驅動下完成進氣沖程；

3）仿真柴油機的排氣過程，柴油機的排氣是通過彎管流入恒壓排氣室恒壓流道，恒壓排氣室內的排氣通過排氣流量控制閥引入渦輪機做功，從渦輪機中流出最后廢氣匯入排氣總管經排氣消音器排入大氣。

3.2 故障注入

可模擬的故障包括增壓器喘振、增壓空氣濾器臟污、增壓器噴嘴結碳、增壓空氣溫度過高、增壓空氣壓力過低、排氣溫度高、排溫偏差高、排煙顏色異常、進排氣漏氣、進排氣門咬死等。

3.3 控件的設計

1）Button控件：Button控件是由System.Windows.Form.Button類提供的，該控件最常用就是編寫處理按鈕的Click事件代碼，在該系統中，Button包括緊急空氣關閉閥按鈕和返回主菜單按鈕等；

2）PictureBox控件：PictureBox控件是由System.Windows.Form.PictureBox類提供的，該控件作用為顯示圖片內容，在該系統中，PictureBox控件包括主機圖形、增壓器圖形、電動機圖形、冷卻器圖形、輔助鼓風機圖形、空氣濾器圖形、緊急空氣關閉閥圖形和電磁閥圖形等；

3）Label控件：Label控件是由 System.Windows.Form.Label類提供的，用來提供其他控件的描述文字，在該系統中，Label控件包括各種文字說明；

4）oilTank控件：oilTank控件是柱狀顯示控件，在該系統中，oilTank控件可顯示主機排溫變化。

3.4 FORM設計

進排氣系統界面包括兩個 FORM，一個是進氣系統，一個是排氣系統。進、排氣系統背景顏色均為DarkGray，窗體界面控件的尺寸均為1 680×1 050。

3.5 仿真功能設計說明

進排氣系統是在主機開啟后（包括壓縮空氣系統、啟動系統、燃油系統、滑油系統和冷卻水系統等），顯示主機排溫數據和增壓器的各項數據，并將平均排溫和各缸排溫做比較顯示在排氣系統界面。仿真功能的數據傳輸流程如圖2所示。

圖2 仿真功能的數據傳輸流程

3.6 信息交互接口設計

信息交互與仿真是使得仿真系統與實際系統具有相似特性的關鍵之處。進排氣系統與主機模型系統、缸內燃燒系統和機旁操作系統的數據傳輸使得整個仿真系統的邏輯與實際系統基本相同，因此在故障發生時，相關系統也會發生對應的故障。在故障診斷系統中，只需設置相關故障，改變相關系統正常運行參數，就可以直接通過各系統之間的數據傳輸達到各個系統之間的故障連鎖。同時將故障數據實時回傳至故障診斷系統界面，描述故障的可能原因，為進一步排除故障做好準備。進排氣系統與其他系統的信息交互示意圖如圖3所示。

故障診斷系統與進排氣系統的信息交互主要是故障診斷系統給進排氣系統的故障信號，進排氣系統將改變對應變量的取值范圍，使得相應的變量能夠超出正常運行取值范圍，同時再將這些超出范圍的數據傳輸給故障診斷系統。進排氣系統在超出其正常值的范圍下運行，會產生不正常數據信號，異常信號傳輸到故障診斷系統，其他變量或邏輯也會相應發生改變，從而仿真出故障時候的現象。

圖3 進排氣系統與其他系統的信息交互

進排氣系統中的排氣系統和主機模型有信息交互。在冷卻水系統、滑油系統、燃油系統或缸內燃燒系統發生故障時，上述系統會向主機模型傳輸信息，主機模型接收到故障信息會產生一系列的反饋，導致柴油機排氣溫度發生波動，體現在排氣溫度的數據傳輸上，再反饋到主機模型。由于主機模型有對排氣溫度的數據獲取，在超過規定溫度后，主機模型將自動降速運行。如無法排除故障，主機最終將停車。

4 結論

總結分析了船舶柴油機進排氣系統的原理與結構，并通過C#語言完成了對MTU 20V956TB92型船舶柴油機進排氣系統的設計，以仿真軟件擺脫了對于實物的依賴，該故障仿真軟件的結果同實船的實測數據相吻合，對于船舶管理人員的培訓具有實用價值，滿足了船員培訓的需求，應用前景十分廣闊。

[1] 翁澤民, 黃加亮, 黃少竹.船舶柴油機故障診斷仿真系統研究[J].計算機仿真, 2000, 17(6)： 48-50.

[2] 黃加亮, 蔡振雄, 張均東.船舶柴油機智能故障診斷仿真方法的研究[J].航海技術, 2001(3)： 37-39.

[3] 徐恒達.船舶柴油機故障分析診斷系統[D].遼寧大連： 大連理工大學, 2015.

[4] 申小明.船舶柴油機渦輪增壓器配合及計算機仿真研究[D].武漢： 武漢理工大學, 2008.