柴油機(jī)氣缸排溫低的機(jī)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(xué)院船艇動(dòng)力系 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

柴油機(jī)具有功率大、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、船舶行業(yè)、工程機(jī)械及電力工業(yè)等領(lǐng)域。由于柴油機(jī)自身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作條件惡劣，是機(jī)械系統(tǒng)中故障率最高的設(shè)備。柴油機(jī)的性能下降或者出現(xiàn)故障，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐扇松砦：Γ?］。柴油機(jī)的排氣溫度反映了柴油機(jī)負(fù)荷和燃燒質(zhì)量，是分析柴油機(jī)性能的重要參數(shù)，是判讀柴油機(jī)工作是否正常的重要依據(jù)。

本文通過對(duì)柴油機(jī)氣缸排溫低的故障進(jìn)行機(jī)理分析，采用CFD數(shù)值仿真軟件AVL-Fire建立柴油機(jī)的燃燒室模型，對(duì)3種不同原因的故障進(jìn)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(jù)。

2 氣缸排溫低故障分析

為更好地研究柴油機(jī)氣缸排溫低的故障，需要該故障進(jìn)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(tǒng)中最不希望發(fā)生的事件，底事件就是位于故障樹底部的事件，是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的基本原因。

根據(jù)故障樹建立的頂事件確定原則，選擇氣缸排溫低的故障現(xiàn)象作為頂事件。導(dǎo)致頂事件發(fā)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(gè)原因均會(huì)導(dǎo)致氣缸排溫降低。通過機(jī)理分析，剖析每個(gè)子故障產(chǎn)生的原因，直至分析到部件級(jí)故障現(xiàn)象為止，通過分析得出該故障的12個(gè)底事件，如圖1所示。

圖1 氣缸排溫低故障樹

對(duì)12個(gè)底事件進(jìn)行歸納分析，得到導(dǎo)致氣缸排溫降低的主要原因是以下幾個(gè)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(guān)閉，氣缸中的新鮮空氣不能被壓縮，從而達(dá)不到發(fā)火溫度，燃油不能發(fā)火燃燒，排溫下降。當(dāng)排氣閥打開時(shí)間過長，會(huì)使得進(jìn)入氣缸的空氣減少，造成燃燒效率降低，使得排溫下降。

2）進(jìn)氣閥故障。進(jìn)氣閥打不開或不能完全打開，使得沒有足夠的新鮮空氣進(jìn)入氣缸，造成燃燒不完全，直接影響到排氣溫度。當(dāng)進(jìn)氣閥打開過早，會(huì)造成缸內(nèi)燃燒環(huán)境溫度過低，使排溫降低；進(jìn)氣閥打開過晚，會(huì)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(xiàn)故障將直接影響噴油器的正常工作，如果無法產(chǎn)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(yán)重時(shí)會(huì)使得柴油機(jī)無法正常發(fā)火燃燒而停機(jī)；壓油管泄漏或噴油器堵塞都會(huì)使進(jìn)入氣缸的油壓油量降低從而使排溫降低；噴油器卡死在關(guān)閉位置或噴油器噴孔堵塞，燃油噴射量減少、霧化質(zhì)量不好，使得燃燒不充分影響氣缸的排氣溫度。

4）定時(shí)不正確。柴油機(jī)定時(shí)包括噴油定時(shí)和進(jìn)排氣定時(shí)，噴油定時(shí)不正確影響柴油機(jī)燃燒質(zhì)量和排氣溫度。

5）節(jié)溫閥故障。節(jié)閥故障導(dǎo)致冷卻水溫度過低，使得氣缸排氣溫度隨之降低。

6）進(jìn)氣系統(tǒng)故障。增壓比減小或者進(jìn)氣道堵臟，從而導(dǎo)致進(jìn)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(jī)燃燒模型的建立

CFD軟件AVL-Fire軟件主要是對(duì)柴油機(jī)的進(jìn)氣、壓縮、燃燒進(jìn)行模擬。

3.1 湍流模型

理論上，可以直接采用數(shù)值模擬的方法來求解三維非定常N-S方程組，但是鑒于計(jì)算量巨大，求解顯得十分困難，因而需要引入湍流模型，實(shí)現(xiàn)控制方程中不封頂項(xiàng)與已知量之間的關(guān)系。

k-ε模型在一定程度上考慮了流動(dòng)場中各點(diǎn)的湍能傳遞和流動(dòng)的作用［2］，能較好地用于某些復(fù)雜的流動(dòng)計(jì)算，因而本文采用k-ε模型進(jìn)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(xiàng)；Cε1、Cε2、Cε3、CS、PrK、Prε—模型中的常數(shù)。

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(jù)模型的實(shí)際特點(diǎn)，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(duì)數(shù)分布：

缸壁熱通量：

壁面函數(shù)：

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(duì)速度的參數(shù)，y為沿壁面法向的距離；為剪切速度；B、cμ為湍流模型常數(shù)；k為湍流動(dòng)能；Tw為缸壁溫度；Pr為層流中的普朗特?cái)?shù)。

3.3 初始條件

以某型號(hào)柴油機(jī)的性能參數(shù)為依據(jù)，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)［4～6］，對(duì)模型的初始值設(shè)置見表1。

表1 軟件運(yùn)行初始值參數(shù)表

3.4 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

鑒于該型號(hào)柴油機(jī)實(shí)際可測量的參數(shù)比較有限，本文采用平均有效壓力、最大爆發(fā)壓力、排氣溫度和燃油消耗率等4個(gè)參數(shù)作為模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證的目標(biāo)參數(shù)（見表2），為直觀顯示模型準(zhǔn)確性，將相對(duì)誤差采用柱狀圖的形式表達(dá)見圖2。

表2 仿真參數(shù)與實(shí)際參數(shù)對(duì)比表

從圖2中可以清晰地看出，目標(biāo)參數(shù)的仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值對(duì)比，最大爆發(fā)壓力的相對(duì)誤差最大，達(dá)到2.43%，而燃油消耗率的相對(duì)誤差最小為0.78%，仿真模型滿足精度要求，可以作為柴油機(jī)仿真研究的模型，為下一步故障仿真做好了準(zhǔn)備。

4 故障仿真研究

結(jié)合仿真模型，對(duì)前文分析的柴油機(jī)氣缸排溫低的故障原因進(jìn)行梳理，為方便利用仿真模型進(jìn)行故障仿真，對(duì)仿真模型中的參數(shù)進(jìn)行分析，梳理出可以表征故障樹中間現(xiàn)象的相關(guān)參數(shù)見表3。

圖2 目標(biāo)參數(shù)相對(duì)誤差圖

4.1 進(jìn)氣定時(shí)故障仿真

進(jìn)氣定時(shí)對(duì)柴油機(jī)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(guān)閉，使柴油機(jī)的氣缸在進(jìn)氣階段吸入足夠多的空氣，在排氣階段使氣缸內(nèi)的廢氣盡可能地排除在外。采用通過驗(yàn)證的仿真模型，在其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上平移進(jìn)氣正時(shí)，進(jìn)氣閥的開啟與關(guān)閉同時(shí)提前或延后，取值間隔5℃A，排氣定時(shí)不變，對(duì)該柴油機(jī)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖3。

當(dāng)進(jìn)氣定時(shí)發(fā)生故障而導(dǎo)致進(jìn)氣閥提前打開時(shí)，隨著進(jìn)氣定時(shí)的增大，氣閥重疊角開始逐漸增大，進(jìn)入氣缸的空氣量也逐漸增大，缸內(nèi)的溫度得到了降低，進(jìn)而改善了進(jìn)氣對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)冷卻的效果，使得排氣溫度有了一定程度的降低；因?yàn)榇罅靠諝獾倪M(jìn)入，可使得燃油充分的燃燒，使得燃油消耗率明顯下降。當(dāng)進(jìn)氣閥延遲打開時(shí)，進(jìn)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(fā)壓力和評(píng)價(jià)有效壓力都減小。

表3 故障仿真模型所需調(diào)整參數(shù)

圖3 進(jìn)氣定時(shí)對(duì)柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)的影響

4.2 排氣定時(shí)故障仿真

采用通過驗(yàn)證的仿真模型，在其他參數(shù)不變的基礎(chǔ)上平移排氣定時(shí)，排氣閥的開啟與關(guān)閉同時(shí)提前或延后，取值間隔5℃A，進(jìn)氣定時(shí)不變，對(duì)該柴油機(jī)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 排氣定時(shí)對(duì)柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)的影響

由圖4可知，當(dāng)排氣定時(shí)出現(xiàn)故障而使得排氣定時(shí)提前時(shí)，排氣的溫度升高幅度較大，燃油消耗率增幅較大，而缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力和平均有效壓力略有下降；當(dāng)排氣定時(shí)角延后時(shí)，排氣溫度開始下降，因?yàn)榕艢舛〞r(shí)的延后，導(dǎo)致缸內(nèi)廢氣排出不徹底，影響了新鮮空氣的進(jìn)入，導(dǎo)致燃燒不完全，使得最高爆發(fā)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(shí)對(duì)柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)的影響

4.3 噴油定時(shí)故障仿真

噴油提前角對(duì)柴油機(jī)的排溫有直接的影響，如果提前角過小，會(huì)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(huì)延長滯燃期，增大最高爆發(fā)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(shù)不變，改變模型中噴油提前角（Injection start timing），間隔為1℃A，運(yùn)行仿真模型進(jìn)行計(jì)算，見圖5。

從圖5可以看出，噴油提前角增大時(shí)，最大爆發(fā)壓力會(huì)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(dāng)噴油提前角減小時(shí)，由于滯燃期的存在，使著火提前角延后，可能出現(xiàn)在上止點(diǎn)之后，由于這時(shí)活塞已下行一段時(shí)間，柴油機(jī)的爆發(fā)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(shí)也增高。

5 結(jié)語

故障的發(fā)生具有不可逆性，目前大多數(shù)型號(hào)柴油機(jī)都無法獲得不同故障狀態(tài)下的性能參數(shù)變化情況。采用故障樹模型進(jìn)行機(jī)理分析，結(jié)合三維仿真模型，通過調(diào)整模型參數(shù)實(shí)現(xiàn)了故障的定量分析，可獲得不同故障狀態(tài)下的性能參數(shù)的變化情況，為以后的排故工作提供一定的參考依據(jù)。

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