基于AVL BOOST 的船用柴油機典型故障仿真及其數據分析

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展，智能故障診斷技術受到業內廣泛關注，若要快速、準確地識別船舶柴油機可能出現的故障，需有較豐富的樣本數據作為支撐，而通過臺架試驗獲取故障樣本數據，目前難度很大，因此柴油機的故障仿真數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濟成本。同時，通過探究柴油機故障的產生、演變、破壞過程，以及其隨熱工參數的改變而變化的規律，可以為柴油機故障診斷提供更加詳盡的參數和數據[5-7]。

本文擬采用AVL BOOST 軟件構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——發火點提前、單缸停油和曲軸箱竄氣，通過分析仿真計算結果，獲得100%負荷工況下各種故障發生時柴油機的熱力參數、性能參數變化規律和多維故障數據樣本，用以為柴油機故障狀態識別和智能故障診斷系統構建提供依據。

1 柴油機運行過程數學模型

1.1 燃燒放熱率計算模型

AVL BOOST 軟件內置有多個燃燒放熱模型，可通過計算每次循環的總放熱量來計算每度曲軸轉角所釋放的熱量。本文采用單韋伯模型。一般使用韋伯函數計算柴油機的放熱情況，結果與真實數據相差不大。

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

1.2 傳熱系數

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

式中：aw為傳熱系數；aWoschni為 模型的傳熱系數；d為筒徑，m；p為壓力，Pa；T為絕對溫度，K；z為常數，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如表1 所示。

表1 柴油機主要參數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） 模型的參數輸入。

建立柴油機整機模型后，輸入或選取各元件參數，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律曲線等數據。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據。圖2 為活塞運動規律曲線，圖3 為掃氣口的總有效面積隨活塞位移變化規律曲線。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設置。

圖2 活塞運動規律曲線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設置Table 2 Setting of main thermal parameters of diesel engine

2.2 模型仿真結果和驗證

二沖程柴油機一個循環為360°，模型每次運行20 個循環即可達到平衡。表3 給出了100%負荷工況的仿真模型運行結果。模型運行結果與臺架試驗結果相比，每個參數的相對誤差均小于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、后排氣溫度等數值與實機臺架試驗值相符，誤差均小于5%，仿真模型運行結果符合精度要求，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據對比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據對比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據對比Fig. 6 Temperature comparison after turbine exhaust under different loads

3 故障仿真及其數據分析

3.1 發火點提前

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

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

表4 不同發火點下各參數對比Table 4 Comparison of parameters variation with different start angles of combustion

對于缸內燃燒壓力過大的問題，經分析，有可能是氣缸內壓縮空氣的壓力和溫度比正常值低，導致進入氣缸內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，從而導致缸內產生過高的燃燒壓力。

因此，若出現最高燃燒壓力過高、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的變化情況，可以此作為識別發火點提前狀態的依據。由圖8 所示特征參數的變化趨勢可見，隨著發火點的提前，這些參數基本上呈線性擴大的趨勢，其中，最高燃燒壓力在發火點提前角為?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

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

圖8 不同發火點提前角下特征參數變化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作為柴油機單缸熄火狀態的識別引用參數。分析其變化規律可知，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，缸內燃油和空氣混合不均勻且總量變少，導致缸內燃燒質量變差，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象作為曲軸箱竄氣狀態識別的特征參數。由圖12 可見，6 種特征參數隨活塞有效竄氣間隙的增加而均呈現擴大趨勢，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變化Fig. 12 Variation of characteristic parameters with different effective gas gaps

4 結 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據分析，結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。

本文研究范圍內的典型故障仿真數據顯示，發火點提前類故障特征參數隨發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，不同的氣缸之間區別較小；曲軸箱竄氣類故障特征參數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、熱工參數的幅值出現顯著而有規律的變化，這些參數可作為特征參數對故障類型及故障程度進行識別，為構建智能故障狀態識別及故障診斷系統提供多維、豐富且真實的數據基礎。