大型船用低速柴油機的工作過程和故障模擬

曾存 胡以懷 楊雅鈞 胡光忠 李方玉

關鍵詞：船用柴油機;平均值法;過程模擬;故障模擬

0引言

現有柴油機故障診斷技術的故障數據來源有兩種：一種是通過建立相應的柴油機仿真模型，進行相應的故障模擬，從而得到故障數據;另一種是在柴油機試驗臺架上進行故障模擬實驗。由于利用試驗臺架進行故障試驗會對柴油機產生破壞性的影響，試驗成本過高，有一定的局限性，故通過建立柴油機仿真模型進行故障模擬，對故障診斷、完善故障數據庫具有一定的研究意義。

1柴油機仿真模型

為了簡化柴油機的模型，提高故障模擬的效率，利用Matlab/Simulink軟件對傳統柴油機“平均值法”模型進行改進。此次模擬計算對象為上海海事大學自動化機艙實驗室的一臺MAN B&W6S35ME-B9型船用低速二沖程柴油機，該柴油機匹配使用的是MAN公司的TCR 22型渦輪增壓器，由于廢氣量不足，在柴油機低負載下配有一臺18.5 kW的輔助風機增加進氣，其主要基本技術參數和結構參數如表1所示。

整個柴油機系統模型分為空氣濾清器、壓氣機、中冷器、掃氣系統、柴油機本體、排氣系統以及渦輪轉子等7個子模塊，圖1所示為柴油機主要模塊的仿真框圖。

1.1空氣濾清器

此次需要對空氣濾清器堵塞進行分析，故額外增加了空氣濾清器模塊。

1.3中冷器

1.4掃氣箱與排氣管

通過查詢文獻，由于掃氣箱外界溫度基本保持不變，其溫度又是緩慢的變化過程，因此一般認為掃氣箱進出口溫度一致，對此做出一定的改進，再次利用理想氣體狀態方程得到掃氣箱出口溫度。

1.5柴油機本體

1.6渦輪

圖2所示為渦輪效率插值點和RBF函數擬合曲線，與壓氣機效率類似，渦輪效率亦通過渦輪特性曲線采用s-function調用Matlab內置的RBF函數擬合得出。

2仿真模型驗證

在自動化機艙記錄柴油機在25%、50%、75%和90%SE況下的轉速、功率、機艙溫度等19種熱工參數，利用空間幾何法進行異常數據篩選后，共計31個樣本。分別取4個工況的熱工參數均值用以驗證仿真模型，表2所示為部分熱工參數驗證。對比分析表明，所建立的柴油機模型的溫度、壓力、轉速、燃油消耗率等熱工參數基本可以反映柴油機4種工況下的熱工參數的變化，大部分實測參數與計算參數的誤差可以壓縮在5%以內，但是少數模擬參數仍然與實測參數的誤差較大，如在75%負載下渦輪出口溫度的誤差達到了6.3%、部分掃氣壓力的誤差甚至達到了10%左右、模型燃油消耗率的響應速度要比實測記錄的要慢等。

3柴油機的故障模擬

由于仿真模型建立的客觀因素，此次故障模擬主要針對柴油機的換氣系統和部分冷卻系統，主要從壓氣機、中冷器、掃氣箱、排氣系統、渦輪等方面考慮，表3所示為在75%負載下一些柴油機故障發生時部分性能參數的變化。

3.1柴油機故障模擬規則

通過引入故障因子和改變特定參數結合的方式共模擬了空氣濾清器臟堵、機艙溫度升高、掃氣口臟堵、排氣閥漏氣、排氣煙囪臟堵、冷卻系統故障、中冷器水側污垢、渦輪轉子機械故障、渦輪噴嘴臟堵9種故障，表4所示為部分故障模擬規則。

3.2熱力參數分析

圖3所示為在75%負載下，不同空氣濾清器臟堵時柴油機熱工參數的相對偏差。從圖中可以發現：當空氣濾清器發生臟堵時，柴油機系統的壓力和流量整體會隨著空氣濾清器臟堵的不斷惡化而下降，其中由于流量降低，造成過量空氣系數也會產生一定的下降;不完全燃燒或二次燃燒可能發生，排煙溫度、渦輪的進出口溫度反而會有一定的升高，而壓氣后溫度、進氣溫度等由于中冷器的強制冷卻并沒有明顯的變化。因此空氣濾清器發生堵塞時，其直接影響的特征參數為壓氣機的進口壓力，造成流經壓氣機的流量不足，導致缸內不完全燃燒從而使得柴油機的排氣溫度升高，排放物增多。

圖4所示為在75%負載下，不同中冷器的冷卻水溫度時柴油機熱工參數的相對偏差。從圖中可以看出：柴油機各部件的壓力和溫度都相應升高，氣體流量有著略微下降，增壓器轉速和油耗略有上升。因此冷卻系統故障時其影響最直接的柴油機特征參數為掃氣系統的進出口狀態，即為掃氣系統的進出口壓力和溫度。

圖5所示為在75%負載下，中冷器水側污垢時柴油機熱工參數的相對偏差。從圖中可以看出：由于中冷器水側污垢使得冷卻系數下降，進氣流量不易與外界實現熱交換，使得整體的壓力和溫度都有所升高。因此冷卻系統故障時其影響最直接的柴油機特征參數也是掃氣系統的進出口狀態，即為掃氣系統的進出口壓力和溫度。

圖6所示為在75%負載下，排氣煙囪臟堵時柴油機熱工參數的相對偏差。從圖中可以看出：柴油機的整體壓力、流量和壓氣機的出口溫度都有所下降;由于進氣流量降低，使得缸內混合氣體不完全燃燒甚至會發生二次燃燒，導致排氣溫度、渦輪出口溫度等都有上升，而渦輪轉子做功能力的下降則會進一步導致渦輪的出口溫度上升。因此當排氣煙囪臟堵時，其影響最直接的是渦輪增壓器的工作性能，即為壓氣機的壓縮能力（壓氣機出口壓力和進氣流量）和渦輪的做功能力（增壓器轉速和渦輪出口溫度）。

圖7所示為在75%負載下，渦輪噴嘴臟堵時柴油機熱工參數的相對偏差。從圖中可以看出：柴油機的整體壓力、流量和壓氣機的出口溫度都有所下降;排氣溫度、渦輪出口溫度等有所上升。特別和排氣煙囪臟堵相比，渦輪前壓力對渦輪噴嘴臟堵故障更加敏感。因此渦輪噴嘴臟堵時，最直接的影響是渦輪狀態即為渦輪的進口壓力和出口溫度。

圖8所示為在75%負載下，渦輪轉子機械故障時柴油機熱工參數的相對偏差。從圖中可以看出：其柴油機的性能參數表現與排氣煙囪臟堵時基本一致，其直接影響因素都是壓氣機的壓縮能力（壓氣機出口壓力和進氣流量）和渦輪的做功能力（增壓器轉速和渦輪出口溫度）。

圖9所示為在75%負載下，機艙溫度升高時柴油機熱工參數的相對偏差。從圖中可以看出：隨著環境溫度的升高，柴油機的整體溫度上升，而由于中冷器的強制冷卻，其掃氣系統的進出口溫度變化不明顯;柴油機的整體壓力、氣體流量以及過量空氣系數下降，增壓器轉速和油耗略有上升。因此當機艙溫度升高時，其對整個柴油機的性能都有著較為直接的影響。

圖10所示為在75%負載下，掃氣口臟堵時柴油機熱工參數的相對偏差。從圖中可以看出：隨著掃氣口堵塞的不斷加劇，氣缸內的進氣流量顯著下降，過量空氣系數和增壓器轉速降低，致使缸內燃燒惡化，排氣溫度、渦輪前后溫度上升;柴油機的整體壓力下降，油耗略有上升;壓氣機的氣體流量受到的影響十分小，幾乎可以忽略。因此當掃氣口臟堵時，其對柴油機的進排氣流量、排氣溫度以及柴油機的進出口壓力有著較為直接的影響。

圖11所示為在75%負載下，排氣閥漏氣時柴油機熱工參數的相對偏差。從圖中可以看出：其柴油機的性能參數表現與渦輪轉子機械故障的趨勢一致，不同的是渦輪的廢氣流量對排氣閥漏氣故障更加敏感，由于廢氣流量的下降，致使渦輪的做功能力下降，進氣流量下降，空氣濾清器下降，排氣溫度和渦輪進出口溫度上升，柴油機的整體壓力下降。因此，排氣閥泄漏最直接影響因素為渦輪的做功能力即廢氣流量和增壓器轉速。

4結束語

隨著柴油機仿真技術的完善，利用柴油機的故障模擬建立完備的數據庫系統成了新的研究熱點。本文對傳統的柴油機仿真模型進行改進，通過引入故障因子和調整特定參數實現柴油機不同故障的模擬，并對具體故障下柴油機的性能參數進行詳細地分析闡述，為故障診斷技術的研究提供可靠的數據樣本。

此次沒有建立柴油機的調速機構，無法模擬柴油機變工況下的故障情況;相較于“容積法”模型而言，“平均值法”模型的準確性略低，無法模擬柴油機爆發壓力圖的詳細變化，因此，如何在仿真速度與準確性之間尋求新的平衡還需進一步研究。