船用中速柴油機熱工故障仿真方法研究

袁 對，王業秋，唐新飛，楊安聲

(1.浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316021；2.大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 100097；3.武漢理工大學，湖北 武漢 430063)

在現代科技發展的推動下，船舶柴油機向著大型、綜合及智能的方向轉變，這就使得對其操作和維護的要求越來越嚴格。柴油機在運行的過程中，由于船舶柴油機工作環境惡劣、負荷范圍大、結構復雜等因素，造成了船舶柴油機發生故障時所表現出來的特征和現象很復雜，其中比較容易且明顯的表現是熱工參數的變化，相對其他參數，熱工參數在獲取時也比較容易。熱工參數能直接反映柴油機的各個工作過程的狀態，可將整個柴油機細分為各個系統來分別監測其壓力和溫度這些狀態參數。柴油機由于故障而表現在熱力過程的各個子系統熱工參數值的變化上，從而導致柴油機的性能指標的下降、惡化甚至停機，通常將這種類型的故障稱之為熱工故障[1]。所以，對柴油機熱工故障的分析和仿真，以及從熱工過程和數值等方面來研究其特性是非常必要的。

1 仿真對象介紹及模型標定

1.1 仿真對象介紹

本文建模仿真的柴油機機型為MAN B&W L16/24型柴油機，該機型是高增壓4沖程柴油機，一般作為大型船舶的輔機，或者中小型船舶的主機，由于可燒重油，升功率大，所以一直被廣泛使用。本文采用AVL-BOOST來進行柴油機模型的仿真計算，該軟件將柴油機系統進行了模塊化和參數化，只需要設置相關參數，選取合適的計算方法，而不用去考慮繁瑣的微分方程求解過程，從而使研究人員從復雜的編程工作中解放出來[2-3]。搭建的仿真對象的組態界面如圖1所示。

圖1 MAN B&W L16/24型柴油機仿真模型組態

本次模擬的工作狀況是1 000 r/min，100 %負荷，主要參數設置已由表1列出。

表1 仿真參數輸入表格

1.2 仿真模型標定

從表2計算結果與測試結果的對比中可以看出，計算出來的結果與試驗測量得到的數據是相吻合的。

表2 試驗結果與計算結果的對比

2 柴油機熱工故障的基本類型

柴油機的熱工故障是一種發生頻率很高的故障，雖然故障的原因有很多不同樣式，但是其最終的表現都反映在熱力過程的各種參數發生異常變化這點上。目前，只是直接對在線監測到的各種熱力參數進行簡單的分析與辯識，而沒有對所有信息進行整合，這種簡單的分析還是對其故障診斷的最常用的手段[4]。

3種常見的熱工故障類型如下。

1)阻塞。阻塞是一種介質在流動的過程中，阻力增加的故障。當發生阻塞時，系統的某一元件或結構在介質傳輸過程中，該元件兩側或者上下游的壓差都會明顯增大。

2)泄漏。泄漏是介質在傳輸中或者熱量在傳遞中質量或者熱量流失的故障。在介質的傳輸過程中，因為傳輸管道破損或者是密封裝置損壞等因素會導致質量的流失。在傳熱的過程中，因為絕熱層的破損或者是密封裝置損壞而導致的熱量漏失，會造成熱量的損失。

3)時序或相位錯誤。因為時序或相位的錯誤而造成的能量轉換的失效或低效。

3 柴油機熱工故障分析

為了更加全面系統的分析柴油機的熱工故障，接下來從柴油機功能和組成這2個方面來分析。

3.1 功能

對于柴油機而言其功能就是將燃料的化學能轉化為曲軸或者所帶負荷旋轉的機械能，為了保證這一過程穩定持久，需要熱動力系統、冷卻系統與潤滑系統等子系統之間的配合才能完成。接下來就從這個角度來分析其熱工故障。

1)熱動力系統。柴油機工質的流動過程如圖2所示，首先進氣系統保證工質的輸送，然后燃油輸送系統保證燃油由日用柜輸送到高壓油泵，經過噴油器按照預定好的噴油時刻噴入汽缸燃燒，最后排氣系統保證廢氣在已經事先設定好的時間從汽缸中被排出，通過后處理裝置排放到環境中。

圖2 熱力系統的工質流程圖

2)冷卻系統和潤滑系統。冷卻和潤滑系統是保證柴油機安全平穩運行的兩大重要保障系統，冷卻系統使得柴油機的熱負荷在合理范圍之內，潤滑系統是防止柴油機各個摩擦副之間出現燒毀和咬死的現象，同時可以帶走導熱零部件和摩擦所產生的熱量。

3.2 組成

由圖3可以看出，柴油機是一個相當復雜的系統，進行建模的時候需要根據其原理將其分層。可以看出柴油機各個子系統之間的聯系是十分緊密的，往往一個子系統發生故障會引起其他幾個子系統的連鎖反應。

圖3 柴油機的組成

按照各個子系統分類劃分，常見的柴油機的熱工故障[5]可以劃分為如表3所示。

表3 柴油機常見的熱工故障

3.3 特征熱工參數的選取

上文已將柴油機分為各個子系統，按照子系統將熱工參數提取出來。結合柴油機的監測和診斷的實際情況來進行分析，圖4列出了柴油機的基本熱工參數。

圖4 柴油機基本熱工參數

圖4反映工質在流動過程和能量轉化過程中的各項參數，以及柴油機的動力性和經濟性指標的參數，表4給出了參數意義的說明。需要說明，燃油消耗率并不屬于熱工參數，這里引用主要是方便下文從經濟性的角度分析故障仿真的結果，并不將其作為熱工故障診斷的參數。

表4 特征熱工參數的物理意義

4 常見熱工故障仿真與結果分析

4.1 常見熱工故障仿真

參數選擇及設置如表5所示。

表5 故障仿真方案

本文選取幾個典型的熱工故障進行模擬[6]，挑選的故障主要是渦輪增壓器故障和噴油故障，這兩種情況對于柴油機性能的影響是最顯著的，而且發生的概率也最大，具有代表性。這里對每種故障設置2種不同的故障程度，分別是輕度故障和嚴重故障。若故障模擬涉及缸內參數，則以3#汽缸為對象。

4.2 熱工故障仿真結果分析

本文選擇工況為1 000 r/min，100 %負荷狀態下，模擬不同熱工故障，關鍵熱工參數的偏離情況如下文所示。為了方便對某一參數的表述，在這里除了最高燃燒壓力、最高燃燒溫度、有效功率、燃油消耗率、平均有效壓力這幾個參數與瞬態無關外，其他參數都是具有瞬態值的，所以其他參數都選用一個工作循環的平均值(穩態值)作為標準。

各個參數符號的物理意義請見表2。

4.2.1 故障1(壓氣機阻塞)

如圖5所示，壓氣機阻塞這種故障表現出來的就是渦輪增壓器低效，直接導致進氣效率下降，從而影響柴油機燃燒品質，其經濟性和動力性也隨之下降，這些變化趨勢會因為故障的加重而越來越明顯。

圖5 壓氣機阻塞故障熱工參數的偏移率曲線

4.2.2 故障2(噴油提前)

圖6 噴油提前故障熱工參數的偏移率曲線

如圖6所示，當噴油時刻提前時，柴油機的機械負荷與熱負荷是有所增加的，雖然此時柴油機的功率會有所上升，燃油消耗率下降，使得柴油機的經濟性和動力性得到改善，但是會嚴重影響柴油機的安全性和使用壽命。

4.2.3 故障3(噴油延遲)

如圖7所示，當噴油推遲發生時，柴油機的爆發壓力與最高燃燒溫度都會降低，雖然這樣可以使得柴油機的機械負荷與熱負荷降低，排放性能也可以得到改善，但是這是以犧牲柴油機的經濟性和動力性能為前提條件的。在一定范圍內，隨著噴油延遲的加重，關鍵熱工參數的偏移趨勢也會越來越明顯。

圖7 噴油延遲故障熱工參數的偏移率曲線

4.2.4 故障4(3#汽缸停油)

如圖8所示，發生單缸停油故障時會使柴油機的動力性明顯下降，如果這個時候負荷依然很高的話，這樣就會使得柴油機的其他各缸超負荷運行，進而導致柴油機的其他各缸的機械負荷也會有所增加。這會影響柴油機的使用壽命。

圖8 單缸停油故障熱工參數的偏移率曲線

4.2.5 故障5(3#汽缸噴油器堵塞)

如圖9所示，當汽缸供油不足時，汽缸每循環放熱量減少，從而導致汽缸的最高壓力和最高溫度有明顯下降，當柴油機的噴油量逐步地減少時這種現象會更加的顯著。從偏移率曲線可以看出，仿真計算的結果與理論分析的結果是相吻合的。

圖9 噴油器堵塞故障熱工參數的偏移率曲線

5 結束語

本文以MAN B&W L16/24型柴油機為仿真對象，利用AVL-BOOST搭建了該型柴油機數值計算的零維模型。從柴油機的功能及組成這角度分析了柴油機的熱工故障，提取了能表現出柴油機熱工故障的相關熱工參數，通過更改模型的相關參數來模擬這5種較經典的柴油機熱工故障，并分析仿真計算結果的正確性，仿真計算的結果與理論分析的結果是相符，該方法可適用于船用中速柴油機熱工故障仿真。