柴油機氣缸排溫低的機理分析與故障仿真研究?

任長合 謝小平 沈 軍

（陸軍軍事交通學院船艇動力系 鎮江 212003）

1 引言

柴油機具有功率大、經濟性好等優點，因而被廣泛應用于汽車工業、船舶行業、工程機械及電力工業等領域。由于柴油機自身的結構復雜、工作條件惡劣，是機械系統中故障率最高的設備。柴油機的性能下降或者出現故障，會造成巨大的經濟損失，嚴重時甚至會造成人身危害［1］。柴油機的排氣溫度反映了柴油機負荷和燃燒質量，是分析柴油機性能的重要參數，是判讀柴油機工作是否正常的重要依據。

本文通過對柴油機氣缸排溫低的故障進行機理分析，采用CFD數值仿真軟件AVL-Fire建立柴油機的燃燒室模型，對3種不同原因的故障進行定量仿真研究，為加快排故的速度、提高工作效率提供了理論依據。

2 氣缸排溫低故障分析

為更好地研究柴油機氣缸排溫低的故障，需要該故障進行故障分解，建立故障樹。在故障樹分析中，頂事件是分析系統中最不希望發生的事件，底事件就是位于故障樹底部的事件，是導致頂事件發生的基本原因。

根據故障樹建立的頂事件確定原則，選擇氣缸排溫低的故障現象作為頂事件。導致頂事件發生的直接原因是燃燒不完全、冷卻水溫度過低和排氣不順暢，這中間任何一個原因均會導致氣缸排溫降低。通過機理分析，剖析每個子故障產生的原因，直至分析到部件級故障現象為止，通過分析得出該故障的12個底事件，如圖1所示。

圖1 氣缸排溫低故障樹

對12個底事件進行歸納分析，得到導致氣缸排溫降低的主要原因是以下幾個方面：

1）排氣閥故障。排氣閥打不開或不能完全打開，排煙不能完全排出，造成排溫下降；排氣閥無法關閉，氣缸中的新鮮空氣不能被壓縮，從而達不到發火溫度，燃油不能發火燃燒，排溫下降。當排氣閥打開時間過長，會使得進入氣缸的空氣減少，造成燃燒效率降低，使得排溫下降。

2）進氣閥故障。進氣閥打不開或不能完全打開，使得沒有足夠的新鮮空氣進入氣缸，造成燃燒不完全，直接影響到排氣溫度。當進氣閥打開過早，會造成缸內燃燒環境溫度過低，使排溫降低；進氣閥打開過晚，會使得空氣量不足以使得燃油完全燃燒，影響燃燒效果，排溫降低。

3）高壓油泵、高壓油管、噴油器故障。高壓油泵出現故障將直接影響噴油器的正常工作，如果無法產生足夠的壓力開啟噴油器，從而減少了噴油量使排溫降低，嚴重時會使得柴油機無法正常發火燃燒而停機；壓油管泄漏或噴油器堵塞都會使進入氣缸的油壓油量降低從而使排溫降低；噴油器卡死在關閉位置或噴油器噴孔堵塞，燃油噴射量減少、霧化質量不好，使得燃燒不充分影響氣缸的排氣溫度。

4）定時不正確。柴油機定時包括噴油定時和進排氣定時，噴油定時不正確影響柴油機燃燒質量和排氣溫度。

5）節溫閥故障。節閥故障導致冷卻水溫度過低，使得氣缸排氣溫度隨之降低。

6）進氣系統故障。增壓比減小或者進氣道堵臟，從而導致進氣溫度偏低和新鮮空氣不足，使得燃燒不完全，造成排溫降低。

3 柴油機燃燒模型的建立

CFD軟件AVL-Fire軟件主要是對柴油機的進氣、壓縮、燃燒進行模擬。

3.1 湍流模型

理論上，可以直接采用數值模擬的方法來求解三維非定常N-S方程組，但是鑒于計算量巨大，求解顯得十分困難，因而需要引入湍流模型，實現控制方程中不封頂項與已知量之間的關系。

k-ε模型在一定程度上考慮了流動場中各點的湍能傳遞和流動的作用［2］，能較好地用于某些復雜的流動計算，因而本文采用k-ε模型進行建模，具體模型如下：

式中：W?s為跟噴霧相互作用的湍流源項；Cε1、Cε2、Cε3、CS、PrK、Prε—模型中的常數。

3.2 邊界條件

為了使方程有定解，還需要給出方程的邊界條件，根據模型的實際特點，本文采用固定壁面邊界條件。

其中，壁面位置流體的法向速度為

切向速度滿足對數分布：

缸壁熱通量：

壁面函數：

式中：為壁面處的速度；為壁面處的單位矢量。

為基于氣體和壁面相對速度的參數，y為沿壁面法向的距離；為剪切速度；B、cμ為湍流模型常數；k為湍流動能；Tw為缸壁溫度；Pr為層流中的普朗特數。

3.3 初始條件

以某型號柴油機的性能參數為依據，結合相關文獻［4～6］，對模型的初始值設置見表1。

表1 軟件運行初始值參數表

3.4 模型準確性驗證

鑒于該型號柴油機實際可測量的參數比較有限，本文采用平均有效壓力、最大爆發壓力、排氣溫度和燃油消耗率等4個參數作為模型準確性驗證的目標參數（見表2），為直觀顯示模型準確性，將相對誤差采用柱狀圖的形式表達見圖2。

表2 仿真參數與實際參數對比表

從圖2中可以清晰地看出，目標參數的仿真計算結果與實際值對比，最大爆發壓力的相對誤差最大，達到2.43%，而燃油消耗率的相對誤差最小為0.78%，仿真模型滿足精度要求，可以作為柴油機仿真研究的模型，為下一步故障仿真做好了準備。

4 故障仿真研究

結合仿真模型，對前文分析的柴油機氣缸排溫低的故障原因進行梳理，為方便利用仿真模型進行故障仿真，對仿真模型中的參數進行分析，梳理出可以表征故障樹中間現象的相關參數見表3。

圖2 目標參數相對誤差圖

4.1 進氣定時故障仿真

進氣定時對柴油機排氣溫度、能量的利用率、容積效率以及掃氣均有著重要的影響，氣閥的提前開啟和延遲關閉，使柴油機的氣缸在進氣階段吸入足夠多的空氣，在排氣階段使氣缸內的廢氣盡可能地排除在外。采用通過驗證的仿真模型，在其他參數不變的基礎上平移進氣正時，進氣閥的開啟與關閉同時提前或延后，取值間隔5℃A，排氣定時不變，對該柴油機進行計算，計算結果見圖3。

當進氣定時發生故障而導致進氣閥提前打開時，隨著進氣定時的增大，氣閥重疊角開始逐漸增大，進入氣缸的空氣量也逐漸增大，缸內的溫度得到了降低，進而改善了進氣對柴油機缸內冷卻的效果，使得排氣溫度有了一定程度的降低；因為大量空氣的進入，可使得燃油充分的燃燒，使得燃油消耗率明顯下降。當進氣閥延遲打開時，進入氣缸的空氣量減少，使得燃燒不完全，油耗率增大，排氣溫度、最大爆發壓力和評價有效壓力都減小。

表3 故障仿真模型所需調整參數

圖3 進氣定時對柴油機相關參數的影響

4.2 排氣定時故障仿真

采用通過驗證的仿真模型，在其他參數不變的基礎上平移排氣定時，排氣閥的開啟與關閉同時提前或延后，取值間隔5℃A，進氣定時不變，對該柴油機進行計算，計算結果見圖4。

圖4 排氣定時對柴油機相關參數的影響

由圖4可知，當排氣定時出現故障而使得排氣定時提前時，排氣的溫度升高幅度較大，燃油消耗率增幅較大，而缸內最高爆發壓力和平均有效壓力略有下降；當排氣定時角延后時，排氣溫度開始下降，因為排氣定時的延后，導致缸內廢氣排出不徹底，影響了新鮮空氣的進入，導致燃燒不完全，使得最高爆發壓力和平均有效壓力急劇下降，而燃油消耗率快速上升。

圖5 噴油定時對柴油機相關參數的影響

4.3 噴油定時故障仿真

噴油提前角對柴油機的排溫有直接的影響，如果提前角過小，會延長后燃期，降低熱效率，使得排氣溫度明顯升高。如果提前角過大，會延長滯燃期，增大最高爆發壓力，使得燃燒粗暴、功率下降。

保證仿真模型中的其他性能參數不變，改變模型中噴油提前角（Injection start timing），間隔為1℃A，運行仿真模型進行計算，見圖5。

從圖5可以看出，噴油提前角增大時，最大爆發壓力會急劇增高，而平均有效壓力的變化并不顯著，排氣溫度和燃油消耗率隨著噴油提前角的增大而減小。

當噴油提前角減小時，由于滯燃期的存在，使著火提前角延后，可能出現在上止點之后，由于這時活塞已下行一段時間，柴油機的爆發壓力和平均有效壓力都降低，由于后燃的存在使得排氣溫度增高、油耗率同時也增高。

5 結語

故障的發生具有不可逆性，目前大多數型號柴油機都無法獲得不同故障狀態下的性能參數變化情況。采用故障樹模型進行機理分析，結合三維仿真模型，通過調整模型參數實現了故障的定量分析，可獲得不同故障狀態下的性能參數的變化情況，為以后的排故工作提供一定的參考依據。

參考文獻

［1］應貴平，王海燕.船舶柴油機仿真技術的綜述［J］.電腦知識與技術，2014，10（26）：6245-6248.

［2］周鵬，柴油機燃燒機理及缸內燃燒過程仿真研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012：24-27.

［3］吳建，王明遠等.噴油器參數對柴油機混合氣形成和燃燒的影響［J］.農機化研究，2010，12：202-205.

［4］AVL Fire軟件的使用方法［M］.

［5］AVL Fire ESE柴油機模型建立說明［M］.

［6］L28/32柴油機使用說明書［M］.

［7］胡海峰，安茂春等.基于隱半Markov模型的故障診斷和故障預測方法研究［J］. 兵工學報，2009，1（30）：69-75.

［8］Rabiner L R.A tutorial on hidden Markov models and se?lected applications in speech recognition［J］.Proceedings of the IEEE.1989，77（2）：257—285.

［9］王正詳，徐浩等.某型柴油機性能仿真與試驗研究［J］.內燃機，2014，2（1）：37-41.

［10］李萬泉，唐昌盛，曲建嶺等.基于數字濾波技術的飛參數據預處理［J］.理論與實踐，2008，28（2）：6-8.