基于BOOST軟件的柴油機典型故障模擬

趙春生

【摘 要】 在提出柴油機熱力過程計算相關假設基礎上，以MAN B&W 6S50MC柴油機為研究對象，建立柴油機系統的物理計算模型。利用BOOST軟件對柴油機單缸熄火及排氣定時故障進行數值模擬，在宏觀上把握其工作狀態，為柴油機系統的設計、優化及運行管理等提供相關依據。

【關鍵詞】 BOOST軟件；柴油機；故障；模擬

近年來，計算機仿真技術在柴油機系統模擬計算中的應用越來越普遍。通過模擬計算，得到某工況下柴油機的運行規律，可為柴油機性能的改進提供一定的理論支撐。在柴油機運行方案設計、試驗研究分析等方面，計算機仿真技術已成為預測和改進柴油機性能的主要手段。

本文利用計算機仿真技術，對柴油機系統中的單缸熄火及排氣定時故障等進行故障模擬，從而得到柴油機在該故障下的各種性能參數的變化情況，可為柴油機系統的設計、優化及運行管理等提供相關依據。

1 柴油機熱力過程計算假設及模型的建立

1.1 相關假設

在進行柴油機缸內熱力過程計算時，為了簡化問題，本文對柴油機缸內熱力過程計算提出以下假設。

缸內工質各相位狀態變化均勻，同一瞬時不考慮氣缸內不同位置壓力、溫度和濃度的差別；在換氣過程中，進入氣缸的新鮮空氣與缸內廢氣瞬時混合；工質必須為理想氣體，且其比熱、比內能和比焓等性能參數僅與氣體溫度和成分有關；在換氣過程中的工質在缸內的流動過程視為準穩定流動；燃油噴入氣缸立即發生燃燒；空燃比從燃燒始點至終點逐漸變小。

1.2 模型的建立

本文采用MAN B&W 6S50MC柴油機機體系統布置，利用BOOST軟件建立柴油機工作過程的計算模型（見圖1）。在不影響仿真模擬效果的前提下，為方便計算，對柴油機性能影響微弱的元件作適當簡化處理。

2 柴油機故障模擬

2.1 柴油機單缸熄火

對于船用柴油機而言，在柴油機運行過程中，若某一氣缸發生故障而不能及時排除，為了保證船舶的正常航行，可采取封缸運行，即暫停故障氣缸的工作并使船舶主機繼續運轉。根據我國《鋼質海船入級與建造規范》要求，6缸及以下的船用柴油機在1個氣缸停止工作的情況下，應能保證柴油機繼續運轉；6缸以上的船用柴油機必須保證在2個氣缸停止工作的情況下仍能繼續運轉，以使船舶繼續航行，并在適當的時候對柴油機作進一步處理。柴油機單缸熄火故障會打破在原本設計工況下柴油機運行時軸系的扭轉平衡，進而使軸系發生劇烈的扭轉振動，因此，可以通過柴油機的扭轉振動情況來判斷柴油機缸內熄火故障。

柴油機在單缸停油時各柴油機性能參數與正常工作時的變化關系見表1。從表1可以看出，當柴油機發生故障造成單缸無法正常工作而又不得不繼續工作時，在某缸停油后，該柴油機的有效功率和有效扭矩等性能參數明顯降低。因此，為了防止柴油機在運行中因超負荷工作而造成燃燒惡化、排煙溫度升高及機體劇烈振動等不良狀況，應采取75%負荷的轉速以下降速運行。

在柴油機工作過程中，換氣質量的好壞對其燃燒質量、作功能力以及柴油機的整體性能產生重要影響。排氣定時的改變則會直接影響換氣時間，在換氣壓力和進排氣口不變的情況下，則會影響到柴油機換氣過程的完善程度，進而使后期的燃燒質量受到重要影響。

經過計算得到排氣定時故障各參數值（見表2）。隨著排氣持續角的減小，柴油機的換氣性能越差，掃氣效率也明顯降低，由正常值的0.894逐漸降為0.790。隨著排氣定時的惡化，每循環進入氣缸的新鮮空氣量和換氣終點時停留在缸內的新鮮空氣量均相應減少。此外，隨著排氣持續角的減小，排氣溫度也隨之升高，由正常值522 K升為646 K，從而造成柴油機噴嘴積碳嚴重，排放物中氮氧化物成分迅速升高。

柴油機4號缸排氣定時的改變對缸內介質壓力的影響較小（見圖5），而缸內溫度變化較為顯著，并且隨著排氣持續角的減小，缸內溫度呈現逐漸升高的趨勢，最高燃燒溫度由正常值的 K升為 K左右（見圖6）。在柴油機整個換氣過程中，4號缸排氣定時出現問題而使排氣閥處于關閉時刻時，氣缸內壓力變化并不明顯；但在排氣定時發生變化時，因缸內新氣與廢氣交換不充分，換氣質量降低，導致缸內溫度變化較為明顯。

3 結 語

通過對柴油機典型故障進行數值模擬研究，對柴油機單缸熄火及排氣定時故障有了較為詳細的理論指導。通過故障模擬，可以更加直觀地預測柴油機運行時的工作性能，對柴油機操作管理和維護提供一定的理論依據，以便能及時排除故障。

【摘 要】 在提出柴油機熱力過程計算相關假設基礎上，以MAN B&W 6S50MC柴油機為研究對象，建立柴油機系統的物理計算模型。利用BOOST軟件對柴油機單缸熄火及排氣定時故障進行數值模擬，在宏觀上把握其工作狀態，為柴油機系統的設計、優化及運行管理等提供相關依據。

【關鍵詞】 BOOST軟件；柴油機；故障；模擬

近年來，計算機仿真技術在柴油機系統模擬計算中的應用越來越普遍。通過模擬計算，得到某工況下柴油機的運行規律，可為柴油機性能的改進提供一定的理論支撐。在柴油機運行方案設計、試驗研究分析等方面，計算機仿真技術已成為預測和改進柴油機性能的主要手段。

本文利用計算機仿真技術，對柴油機系統中的單缸熄火及排氣定時故障等進行故障模擬，從而得到柴油機在該故障下的各種性能參數的變化情況，可為柴油機系統的設計、優化及運行管理等提供相關依據。

1 柴油機熱力過程計算假設及模型的建立

1.1 相關假設

在進行柴油機缸內熱力過程計算時，為了簡化問題，本文對柴油機缸內熱力過程計算提出以下假設。

缸內工質各相位狀態變化均勻，同一瞬時不考慮氣缸內不同位置壓力、溫度和濃度的差別；在換氣過程中，進入氣缸的新鮮空氣與缸內廢氣瞬時混合；工質必須為理想氣體，且其比熱、比內能和比焓等性能參數僅與氣體溫度和成分有關；在換氣過程中的工質在缸內的流動過程視為準穩定流動；燃油噴入氣缸立即發生燃燒；空燃比從燃燒始點至終點逐漸變小。

1.2 模型的建立

本文采用MAN B&W 6S50MC柴油機機體系統布置，利用BOOST軟件建立柴油機工作過程的計算模型（見圖1）。在不影響仿真模擬效果的前提下，為方便計算，對柴油機性能影響微弱的元件作適當簡化處理。

2 柴油機故障模擬

2.1 柴油機單缸熄火

對于船用柴油機而言，在柴油機運行過程中，若某一氣缸發生故障而不能及時排除，為了保證船舶的正常航行，可采取封缸運行，即暫停故障氣缸的工作并使船舶主機繼續運轉。根據我國《鋼質海船入級與建造規范》要求，6缸及以下的船用柴油機在1個氣缸停止工作的情況下，應能保證柴油機繼續運轉；6缸以上的船用柴油機必須保證在2個氣缸停止工作的情況下仍能繼續運轉，以使船舶繼續航行，并在適當的時候對柴油機作進一步處理。柴油機單缸熄火故障會打破在原本設計工況下柴油機運行時軸系的扭轉平衡，進而使軸系發生劇烈的扭轉振動，因此，可以通過柴油機的扭轉振動情況來判斷柴油機缸內熄火故障。

柴油機在單缸停油時各柴油機性能參數與正常工作時的變化關系見表1。從表1可以看出，當柴油機發生故障造成單缸無法正常工作而又不得不繼續工作時，在某缸停油后，該柴油機的有效功率和有效扭矩等性能參數明顯降低。因此，為了防止柴油機在運行中因超負荷工作而造成燃燒惡化、排煙溫度升高及機體劇烈振動等不良狀況，應采取75%負荷的轉速以下降速運行。

在柴油機工作過程中，換氣質量的好壞對其燃燒質量、作功能力以及柴油機的整體性能產生重要影響。排氣定時的改變則會直接影響換氣時間，在換氣壓力和進排氣口不變的情況下，則會影響到柴油機換氣過程的完善程度，進而使后期的燃燒質量受到重要影響。

經過計算得到排氣定時故障各參數值（見表2）。隨著排氣持續角的減小，柴油機的換氣性能越差，掃氣效率也明顯降低，由正常值的0.894逐漸降為0.790。隨著排氣定時的惡化，每循環進入氣缸的新鮮空氣量和換氣終點時停留在缸內的新鮮空氣量均相應減少。此外，隨著排氣持續角的減小，排氣溫度也隨之升高，由正常值522 K升為646 K，從而造成柴油機噴嘴積碳嚴重，排放物中氮氧化物成分迅速升高。

柴油機4號缸排氣定時的改變對缸內介質壓力的影響較小（見圖5），而缸內溫度變化較為顯著，并且隨著排氣持續角的減小，缸內溫度呈現逐漸升高的趨勢，最高燃燒溫度由正常值的 K升為 K左右（見圖6）。在柴油機整個換氣過程中，4號缸排氣定時出現問題而使排氣閥處于關閉時刻時，氣缸內壓力變化并不明顯；但在排氣定時發生變化時，因缸內新氣與廢氣交換不充分，換氣質量降低，導致缸內溫度變化較為明顯。

3 結 語

通過對柴油機典型故障進行數值模擬研究，對柴油機單缸熄火及排氣定時故障有了較為詳細的理論指導。通過故障模擬，可以更加直觀地預測柴油機運行時的工作性能，對柴油機操作管理和維護提供一定的理論依據，以便能及時排除故障。

【摘 要】 在提出柴油機熱力過程計算相關假設基礎上，以MAN B&W 6S50MC柴油機為研究對象，建立柴油機系統的物理計算模型。利用BOOST軟件對柴油機單缸熄火及排氣定時故障進行數值模擬，在宏觀上把握其工作狀態，為柴油機系統的設計、優化及運行管理等提供相關依據。

【關鍵詞】 BOOST軟件；柴油機；故障；模擬

近年來，計算機仿真技術在柴油機系統模擬計算中的應用越來越普遍。通過模擬計算，得到某工況下柴油機的運行規律，可為柴油機性能的改進提供一定的理論支撐。在柴油機運行方案設計、試驗研究分析等方面，計算機仿真技術已成為預測和改進柴油機性能的主要手段。

本文利用計算機仿真技術，對柴油機系統中的單缸熄火及排氣定時故障等進行故障模擬，從而得到柴油機在該故障下的各種性能參數的變化情況，可為柴油機系統的設計、優化及運行管理等提供相關依據。

1 柴油機熱力過程計算假設及模型的建立

1.1 相關假設

在進行柴油機缸內熱力過程計算時，為了簡化問題，本文對柴油機缸內熱力過程計算提出以下假設。

缸內工質各相位狀態變化均勻，同一瞬時不考慮氣缸內不同位置壓力、溫度和濃度的差別；在換氣過程中，進入氣缸的新鮮空氣與缸內廢氣瞬時混合；工質必須為理想氣體，且其比熱、比內能和比焓等性能參數僅與氣體溫度和成分有關；在換氣過程中的工質在缸內的流動過程視為準穩定流動；燃油噴入氣缸立即發生燃燒；空燃比從燃燒始點至終點逐漸變小。

1.2 模型的建立

本文采用MAN B&W 6S50MC柴油機機體系統布置，利用BOOST軟件建立柴油機工作過程的計算模型（見圖1）。在不影響仿真模擬效果的前提下，為方便計算，對柴油機性能影響微弱的元件作適當簡化處理。

2 柴油機故障模擬

2.1 柴油機單缸熄火

對于船用柴油機而言，在柴油機運行過程中，若某一氣缸發生故障而不能及時排除，為了保證船舶的正常航行，可采取封缸運行，即暫停故障氣缸的工作并使船舶主機繼續運轉。根據我國《鋼質海船入級與建造規范》要求，6缸及以下的船用柴油機在1個氣缸停止工作的情況下，應能保證柴油機繼續運轉；6缸以上的船用柴油機必須保證在2個氣缸停止工作的情況下仍能繼續運轉，以使船舶繼續航行，并在適當的時候對柴油機作進一步處理。柴油機單缸熄火故障會打破在原本設計工況下柴油機運行時軸系的扭轉平衡，進而使軸系發生劇烈的扭轉振動，因此，可以通過柴油機的扭轉振動情況來判斷柴油機缸內熄火故障。

柴油機在單缸停油時各柴油機性能參數與正常工作時的變化關系見表1。從表1可以看出，當柴油機發生故障造成單缸無法正常工作而又不得不繼續工作時，在某缸停油后，該柴油機的有效功率和有效扭矩等性能參數明顯降低。因此，為了防止柴油機在運行中因超負荷工作而造成燃燒惡化、排煙溫度升高及機體劇烈振動等不良狀況，應采取75%負荷的轉速以下降速運行。

在柴油機工作過程中，換氣質量的好壞對其燃燒質量、作功能力以及柴油機的整體性能產生重要影響。排氣定時的改變則會直接影響換氣時間，在換氣壓力和進排氣口不變的情況下，則會影響到柴油機換氣過程的完善程度，進而使后期的燃燒質量受到重要影響。

經過計算得到排氣定時故障各參數值（見表2）。隨著排氣持續角的減小，柴油機的換氣性能越差，掃氣效率也明顯降低，由正常值的0.894逐漸降為0.790。隨著排氣定時的惡化，每循環進入氣缸的新鮮空氣量和換氣終點時停留在缸內的新鮮空氣量均相應減少。此外，隨著排氣持續角的減小，排氣溫度也隨之升高，由正常值522 K升為646 K，從而造成柴油機噴嘴積碳嚴重，排放物中氮氧化物成分迅速升高。

柴油機4號缸排氣定時的改變對缸內介質壓力的影響較小（見圖5），而缸內溫度變化較為顯著，并且隨著排氣持續角的減小，缸內溫度呈現逐漸升高的趨勢，最高燃燒溫度由正常值的 K升為 K左右（見圖6）。在柴油機整個換氣過程中，4號缸排氣定時出現問題而使排氣閥處于關閉時刻時，氣缸內壓力變化并不明顯；但在排氣定時發生變化時，因缸內新氣與廢氣交換不充分，換氣質量降低，導致缸內溫度變化較為明顯。

3 結 語

通過對柴油機典型故障進行數值模擬研究，對柴油機單缸熄火及排氣定時故障有了較為詳細的理論指導。通過故障模擬，可以更加直觀地預測柴油機運行時的工作性能，對柴油機操作管理和維護提供一定的理論依據，以便能及時排除故障。