基于故障分析的船用柴油機工作性能節(jié)油仿真研究

高麗宏

摘要：本文研究對象是湛港消拖601的主機，利用AVL BOOST軟件，建立了新泄6MG（L）26HLX型四沖程船用中速柴油機工作過程一維仿真的數(shù)學模型，模擬噴油提前角改變和增壓器效率變化對柴油機工作性能的影響。結果表明：通過對實驗測量柴油機性能參數(shù)數(shù)據(jù)與模擬計算結果進行比對，模擬仿真計算的結果是可靠的，當噴油提前角和增壓器效率偏離額定值時，柴油機的油耗率會有明顯的下降。

Abstract： The main engine of Zhan-Jiang port "Xiaotuo601" was studied in this paper. ?AVL-BOOST is used to establish a working model of XinXie 6MG（L）26HLX diesel engine. The working conditions of the diesel engine at different injection timing and turbocharger efficiency was simulated. The result shows the result of the simulation was reliable in comparison with the result of the test. The injection timing and the turbocharger efficiency changed away from the rated one， the fuel oil consumption rate decreased obviously.

關鍵詞：拖輪;仿真模擬;油耗

Key words： tug;simulation;fuel oil consumption

0 ?引言

船舶柴油機的工作過程是極其復雜的，其中涉及大量的物理化學反應、熱傳導和氣體流動等能量轉化過程。對于實船使用的柴油機可以采用實驗法進行研究，通過航行試驗和系泊試驗等，研究不同工作條件下柴油機的工作特性，但這種方法耗時長，成本高，且在實驗過程中要對柴油機系統(tǒng)進行改進，加裝一些必要的傳感器等，難度大[1]。隨著計算機應用軟件的發(fā)展，還可以采用合適的軟件對船舶柴油機進行建模仿真。根據(jù)港作拖輪作業(yè)的實際情況，對模型進行了驗證和調試，最終得到精確度符合要求的柴油機仿真模型。然后再以這個模型為基礎，對影響柴油機油耗的常見原因進行仿真計算，得出主機操縱維護管理與主機油耗的量化關系，最后與實船操縱獲得的數(shù)據(jù)進行對比[2]。

本文基于AVL boost軟件對新泄6MG（L）26HLX型四沖程船用中速柴油機進行仿真研究，確立燃燒過程一維整機模型和缸內燃燒高壓循環(huán)模型，綜合考慮柴油機日常使用過程中常遇到的故障、以及維護保養(yǎng)要點，模擬研究柴油工作特性的變化，并給出同時提高柴油機動力性能達到節(jié)省油耗和減少排放的最優(yōu)方法。

1 ?柴油機工作過程的數(shù)學模型

1.1 氣缸內能量守恒

通過變換后的熱力學第一定律可以計算內燃機高壓循環(huán)，活塞做功、燃油燃燒釋放的熱量、傳熱中的熱損失等的代數(shù)和即是氣缸內工質內能改變量，公式表達如下：

2 ?仿真對象模型建立

新泄6MG（L）26HLX型船用柴油機是豎式單排直接噴射式四沖程船用中速柴油機、采用廢氣渦輪脈沖增壓。柴油機主要參數(shù)為6缸、缸徑260mm、沖程350mm，壓縮比為13，氣缸內最高壓力為14.71MPa，發(fā)火順序為1-3-5-6-4-2。利用AVL BOOST軟件，以新泄6MG（L）26HLX型建立柴油機整機模型，仿真模型的流程圖示如圖1。

圖2 為新紲6MG（L）26HLX柴油機整機模型。這個柴油機模型包含了兩個系統(tǒng)邊界，SB1和SB2;一個渦輪增壓器TC1;一個空冷器CO1;一個掃氣箱PL1;六個氣缸C1～C6;一個排氣集管PL2;1～15是氣體管路;MP1～MP21是測量點。模型采用的是脈沖增壓系統(tǒng)，C1、C2、C3和C4、C5和C6排氣歧管交匯并分別連接到增壓器TC1的兩個進口，而進氣端由一根進氣總管PL1、PL2與氣缸相連。

氣缸元件中的參數(shù)設置是整個模型建立的關鍵，主要參數(shù)有：缸徑、沖程等尺寸參數(shù)、活塞運動參數(shù)、燃燒和熱傳遞相關設置、排氣閥和掃氣口相關設置等。其中，氣缸的基本尺寸參數(shù)可以依據(jù)說明書確定。活塞的運動規(guī)律可以通過連桿長度和活塞行程等參數(shù)計算得出，圖3示出了活塞運動模型和運動規(guī)律曲線，通過改變曲軸的轉動角度記錄下活塞的位移得出活塞運動規(guī)律。

3 ?柴油機常見故障模擬仿真與性能優(yōu)化

3.1 模擬結果與實測數(shù)據(jù)對比

為了驗證模型的準確性，對比實船測量柴油機性能參數(shù)與模擬仿真結果，如表1所示，可以看出性能參數(shù)的相對誤差5%之內，因此，可以認為基于AV boost的建模是準確的。

式中：ge為有效燃油消耗率（kg/kW·h）;Ne為有效效率（kW）;i為氣缸數(shù)量;ξ為每轉的工作行程數(shù)量;兩臺主機，每臺主機功率為2206kW，主機轉速800r/min;

圖4給出了有效燃油消耗率實驗值與仿真值的對比，可以看出，隨著柴油機負荷的增加仿真值與實測值先增大后減小，最后差值趨于不變，相同負荷條件下，最大誤差在5%以內。這進一步說明使用該模型對柴油機進行仿真計算結果是可信的。

3.2 噴油提前角對柴油機性能的影響

船用柴油機采用壓縮發(fā)火，點燃噴入氣缸中的燃油，燃油在氣缸中的燃燒分為滯燃期、速燃期、緩燃期和后燃期四個過程。一般希望燃油能夠在速燃期完全燃燒，后燃期越短越好。燃油噴入氣缸到開始燃燒的時間間隔定義為滯燃期，滯燃期的長短直接影響到柴油機的做功能力和后燃期的長短。滯燃期是由噴油提前角決定的，噴油提前角過小，后燃嚴重，噴油提前角過大，燃燒粗暴，因此，只有供油提前角最佳時，柴油機才能發(fā)揮最好的動力性能和經(jīng)濟性。基于AV boost模型，模擬了不同噴油提前角條件下柴油機工作性能參數(shù)如表2所示。

為了便于比較，把不同噴油提前角下模擬的柴油機性能參數(shù)與正常工況下進行比較，得到柴油機性能參數(shù)變化的百分比。如圖5所示，由圖5可知，隨著噴油提前角的不斷變大，柴油機的各項性能參數(shù)發(fā)生了很大變化。隨著噴油提前角減小，燃油燃燒滯燃期減小，柴油機的定容升壓比減小，定壓預脹比增加，導致最高爆發(fā)壓力減小，后燃增強，排煙溫度升高，柴油機的熱效率降低，有效燃油消耗率增加。而當噴油提前角在正常基礎上進一步減小時，滯燃期明顯增加，柴油機最高爆發(fā)壓力增加，這有可能使得柴油機超過額定機械負荷，柴油機定壓預脹比略有增加，柴油機的速燃期增強，后燃期減弱，排煙溫度會略有降低，平均有效燃油消耗率基本不變。

3.3 增壓器效率改變對柴油機整機性能影響

現(xiàn)代船用柴油機都采用廢氣渦輪增壓器來提高主機的功率。一般來說隨著使用時間的延長，渦輪增壓器的效率會降低，這會對柴油機的性能參數(shù)產(chǎn)生影響。本部分內容基于AV boost模擬柴油機渦輪增壓器效率降低時，柴油機的性能參數(shù)變化情況。表3列出了增壓器效率下降時主機性能參數(shù)的詳細數(shù)據(jù)。

圖6給出了增壓器效率不同時柴油機性能參數(shù)的變化對比情況。由圖可以看出，增壓器效率降低時，進入主機的空氣量減少，這會導致最高爆發(fā)壓力和平均有效壓力都減小，其中掃氣壓力略有減小，燃油消耗率明顯減小，由于主機做功能力降低，主機的排煙溫度呈現(xiàn)先增大在減小的趨勢，這更多是由于掃氣壓力降低導致燃油燃燒不充分造成的。

4 ?結論

通過本文研究發(fā)現(xiàn)，采用數(shù)值模擬仿真研究柴油機的常見故障，計算分析柴油機的性能變化及油耗情況是一種行之有效的方法。通過本文研究得到如下結論：

①通過使用AVL BOOST軟件，建立的柴油機模型可以準確模擬出柴油機工作過程中缸內參數(shù)的變化。通過實驗驗證建立的模型在對柴油機進行理論分析時是有效的。

②模擬仿真的柴油機的燃油消耗率與實驗測量的燃油消耗率，隨著負荷的變化而變化，二者差值在5%以內。

③故障仿真模擬表面，噴油噴油提前或者滯后對柴油機的工作性能影響很大，尤其當噴油提前角減小時，燃油消耗率明顯增加。增壓器效率降低，導致柴油機的工作性能下降，燃油消耗率增加。

參考文獻：

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