船用中速柴油機故障建模仿真研究

李軍 韓永紅

中車資陽機車有限公司發動機事業部調試班 四川資陽 641301

柴油機作為船舶的主要動力裝置，其性能的好壞直接影響到船舶航行的安全和效率。對柴油機故障進行精確模擬和仿真，可以了解柴油機在不同故障情況下內部參數的變化。本文根據發動機模擬軟體升壓和主柴油機臺架試驗數據，建立了柴油機工作過程數值計算的數學模型，主要內容如下。

（1）采用容積法模型將復雜的柴油機模型簡化為幾個簡單獨立的子模塊，包括汽缸模型、增壓器模型、空冷器模型和進排氣模型，最終建立柴油機的整機數學模型[1]。

（2）根據柴油機臺架實驗數據，進行柴油機工作模型的標定，確保建立的柴油機模型具有較高的仿真精確性。

（3）在75%負荷工況下，基于建立的柴油機模型，對柴油機故障進行仿真，故障類型包括噴油器針閥磨損、堵塞、噴油過早或過遲、油管漏油等。從數值分析的角度解釋故障現象，探索柴油機主要性能參數變化的規律，為診斷結果提供依據。

1 柴油機主要參數

采用容積法模型，不用考慮空間上的不均勻性和湍流等細節問題，只需對各個工作過程做宏觀上的數學描述，然后求解微分方程即可。本文建模仿真的柴油機為某船用中速柴油機，主要技術參數如表1所示。

表1 某船用中速柴油機主要技術參數

2 模型仿真計算與驗證

參數設置。參數設置見表2至表3。燃燒放熱規律用Vibe曲線擬合，基本形狀與低速柴油機實際發熱率曲線相似，通過傳熱模型中的各參數值來構建柴油機的仿真模型，模擬柴油機工作時缸內的參數變化[2]。

表2 仿真全局參數

表3 汽缸參數

3 故障仿真實例與分析

3.1 噴油器針閥磨損

當噴油器針閥磨損時，缸內燃燒最大溫度和最大壓力明顯升高，故障缸的有效功率增加，這是由于當噴油器針閥磨損時，會造成燃油的滴漏現象，使噴入缸內的燃油增壓，故障缸的燃燒最大溫度和最大壓力升高，做功增加。由于本模型柴油機有16個缸，單缸燃油消耗率增加并不能使總燃油消耗率明顯增加，總燃油消耗率輕微增加[3]。

3.2 噴油器噴油過早

當故障發生時，最敏感的熱工參數為最大溫度和最大壓力，這是因為噴油提前，燃燒起始時間也同步提前，使得缸內燃燒開始時活塞仍處于上行狀態，活塞上行壓縮缸內氣體使得缸內最大溫度和最大壓力升高，但由于缸內燃燒釋放的能量有一部分用于克服活塞上行做功，使得燃油消耗率增加，同時缸內最大溫度和最大壓力還會使缸內機械負荷增加，容易對燃燒室部件造成損害。

3.3 噴油器油嘴堵塞

柴油機燃油雜質過多及燃燒不良時會在燃燒室內部結炭，當結炭發生在噴油器噴嘴上時會造成噴油器噴嘴結炭，使得噴油器噴油減少甚至停止噴油，當噴油器油嘴堵塞時，單缸的最大溫度、最大壓力及單缸有效功率明顯降低，這是由于噴油器油嘴堵塞會使得噴油量減少，噴油持續時間縮短，缸內燃燒釋放功降低，缸內最大溫度及最大壓力明顯降低。同時由于噴入的燃油減少，該缸的有效功率明顯降低。

4 結語

本文通過建立船用中速柴油機模型，實現柴油機工作過程仿真模擬，并從數目分析角度，探索柴油機主要性能參數變化規律，為故障診斷提供依據。