基于平均值的柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)故障實(shí)時(shí)仿真研究

摘要： 為了給柴油機(jī)PHM算法的驗(yàn)證提供虛擬實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，基于平均值和等效模型原理對(duì)大功率增壓柴油機(jī)故障硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真進(jìn)行了研究，并以空濾器堵塞故障和中冷器效率下降故障為例驗(yàn)證了研究的可行性。研究結(jié)果表明，在實(shí)時(shí)仿真周期為10 ms的情況下，故障實(shí)時(shí)仿真模型平均誤差低于5%，可以滿足柴油機(jī)PHM算法實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證的需求。

關(guān)鍵詞： 柴油機(jī)；故障模擬；硬件在環(huán)

DOI： 10.3969/j.issn.1001 2222.2025.01.013

中圖分類號(hào)：TK427" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B" 文章編號(hào)： 1001 2222（2025）01 0089 06

近年來，大功率柴油機(jī)PHM（故障預(yù)測與健康管理）技術(shù)不斷發(fā)展^［1］，對(duì)故障診斷預(yù)測技術(shù)所需的多樣化故障數(shù)據(jù)以及算法驗(yàn)證提出了較高的要求。雖然在柴油機(jī)臺(tái)架上開展故障模擬試驗(yàn)可以獲取最真實(shí)的一手?jǐn)?shù)據(jù)，但是存在眾多故障不易模擬、容易不可逆損傷柴油機(jī)、試驗(yàn)成本高等問題^［2］，因此，柴油機(jī)故障仿真技術(shù)得到了發(fā)展。趙志強(qiáng)等^［3］基于AVL BOOST軟件和臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了不同負(fù)荷工況下的柴油機(jī)仿真模型，為柴油機(jī)故障狀態(tài)識(shí)別提供了一定依據(jù)。籍曜^［4］依據(jù)共軌燃油系統(tǒng)組成和原理，結(jié)合AMESim仿真軟件搭建了柴油機(jī)共軌燃油系統(tǒng)仿真模型，為共軌燃油系統(tǒng)典型故障建模奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。石大亮等^［5］通過GT Power柴油機(jī)故障仿真試驗(yàn)建立了柴油機(jī)故障數(shù)據(jù)庫，為關(guān)聯(lián)規(guī)則算法提供了一定理論依據(jù)。趙震宇^［6］基于AVL BOOST建立了柴油機(jī)工作過程的數(shù)值仿真模型，為故障分類算法訓(xùn)練奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。馬平陽等^［7］通過GT Power建立了柴油機(jī)仿真模型，并通過柴油機(jī)故障試驗(yàn)校核了幾種工況下的仿真準(zhǔn)確性。劉軒毓^［8］結(jié)合NI LabVIEW與Matlab/Simulink進(jìn)行了柴油機(jī)數(shù)字孿生模型搭建，通過Simulink進(jìn)行柴油機(jī)工作過程計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了一定的故障仿真功能。上述故障模擬方法雖然精度較高，卻存在仿真速度較慢、實(shí)時(shí)性差、無法實(shí)時(shí)驗(yàn)證故障診斷預(yù)測算法的問題。

基于此，本研究兼顧建模精準(zhǔn)性與仿真速度，基于平均值原理完成了某大功率增壓柴油機(jī)建模，研究了常見故障的模擬注入方法，最終將模型部署于硬件在環(huán)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)故障實(shí)時(shí)仿真，可為柴油機(jī)PHM算法的訓(xùn)練和驗(yàn)證提供實(shí)時(shí)驗(yàn)證環(huán)境。

1 柴油機(jī)模型

為滿足柴油機(jī)模型實(shí)時(shí)仿真的需求，采用平均值模型作為基礎(chǔ)柴油機(jī)模型，模型簡化了缸內(nèi)復(fù)雜燃燒過程^［9］，壓力、溫度、流量及扭矩等均采用平均值，忽略空間造成的參數(shù)變化，只考慮時(shí)間的影響^［10］。基礎(chǔ)模型包括空氣濾清器、壓氣機(jī)、中冷器、渦輪、增壓器動(dòng)力學(xué)以及柴油機(jī)本體，柴油機(jī)仿真模型框架如圖1所示。

1.1 空氣濾清器模型

空氣濾清器由于前后溫度基本不變，只需考慮壓降，因此，可簡單等效成壓降元件。空氣濾清器的出口壓力如式（1）所示。

pout=pin+c1×ma+c2。（1）

式中：pin，pout分別為空氣濾清器的進(jìn)、出口壓力；ma為空氣質(zhì)量流量；c1，c2為待定系數(shù)。

1.2 壓氣機(jī)模型

壓氣機(jī)的出口溫度、壓力及所需扭矩計(jì)算如下：

Tout=Tin{1+1ηc［π^κ－1κc－1］}，（2）

pout=pinπc，（3）

Mc=1ηcκκ－130π·ncqmcRgTin［π^{（κ－1κ）}c－1］。（4）

式中：Tin，Tout分別為壓氣機(jī)的進(jìn)、出口溫度；pin，pout分別為壓氣機(jī)的進(jìn)、出口壓力；Mc為壓氣機(jī)消耗的扭矩；nc為壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速；Rg為空氣氣體常數(shù)；κ為進(jìn)氣氣體絕熱指數(shù)；qmc為流經(jīng)壓氣機(jī)的空氣質(zhì)量流量；πc為壓氣機(jī)壓比；ηc為壓氣機(jī)效率。

壓氣機(jī)壓比和效率是壓氣機(jī)質(zhì)量流量和轉(zhuǎn)速的函數(shù)，它們之間的關(guān)系可通過壓氣機(jī)的特性曲線獲取。

ηc=f（qc，nc），（5）

πc=f（qc，nc）。（6）

1.3 渦輪模型

渦輪的出口溫度、壓力及生成扭矩計(jì)算如下：

Tout=Tin1－ηt1－1πt^γ－1γ，（7）

pout=pin/πt，（8）

Mt=γ－1γ30π·ntqmtRgηtTin1－1πt^γ－1γ。（9）

式中：Tin，Tout分別為渦輪的進(jìn)、出口溫度；pin，pout分別為渦輪的進(jìn)、出口壓力；Mt為渦輪生成的扭矩；nt為渦輪轉(zhuǎn)速；Rg為空氣氣體常數(shù)；γ為排氣氣體絕熱指數(shù)；qmt為流經(jīng)渦輪機(jī)的空氣質(zhì)量流量；πt為渦輪膨脹比；ηt為渦輪效率。

渦輪膨脹比和效率是渦輪質(zhì)量流量和轉(zhuǎn)速的函數(shù)，它們之間的關(guān)系同樣可以通過渦輪機(jī)的特性曲線獲取。

ηt=f（qt，nt），（10）

πt=f（qt，nt）。（11）

1.4 增壓器動(dòng)力學(xué)模型

增壓器由壓氣機(jī)、渦輪機(jī)和增壓器轉(zhuǎn)子組成，壓氣機(jī)和渦輪機(jī)的匹配需滿足3個(gè)條件：轉(zhuǎn)速平衡、流量平衡、能量平衡^［11］。因此，有如下等式：

ntc=nc=nt，（12）

qt=qc+mf，（13）

Mt－Mc=Jtcπ30dntcdt。（14）

式中：Jtc為增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

1.5 中冷器模型

中冷器實(shí)際壓降Δpcl可由經(jīng)驗(yàn)公式得到：

Δpcl=（qmqmr）α×Δpr。（15）

式中：Δpr為中冷器的標(biāo)定工況壓降；qm為中冷器的實(shí)際流量；qmr為中冷器的標(biāo)定流量；α為修正系數(shù)。

故中冷器的出口壓力為

pout=pin－Δpcl。（16）

式中：pin，pout分別為中冷器的進(jìn)、出口壓力。

中冷器出口溫度為

Tout=Tin（1－ε）+ε·Tw。（17）

式中：Tw為冷卻液的溫度；ε為中冷器的冷卻效率。

1.6 柴油機(jī)本體模型

發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)φc是關(guān)于轉(zhuǎn)速的二次或多次方程，擬合的方程如下：

φc=c1×n3+c2×n2+c3×n+c4。（18）

式中：c1，c2，c3，c4為待定系數(shù)。

忽略殘余廢氣系數(shù)，則進(jìn)入氣缸的氣體流量可按下式計(jì)算：

ma=φcpVn120RT。（19）

式中：φc為氣缸充量系數(shù)；V為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排量；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；p為進(jìn)氣管壓力；R為進(jìn)氣管中氣體常數(shù)；T為進(jìn)氣管溫度。

指示熱效率為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和空燃比的函數(shù)：

ηit=f（n，a）。（20）

認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)指示扭矩Ti是指示熱效率、燃油質(zhì)量流量和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)：

Ti=mfHuηit30πn×1 000。（21）

式中：Hu為燃料低熱值；mf為燃油消耗量。

排氣管溫度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算如下：

T2=T1+KT1+ma/mf=T1+KT1+a/f。（22）

式中：KT為排氣溫度因子；T1為進(jìn)氣溫度；T2為排氣溫度。排氣溫度因子看作是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和空燃比的函數(shù)：

KT=f（n，a）。（23）

摩擦扭矩采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

pf=75+48n1 000+0.4v2m1 000，（24）

Tf=318.3pfVs·i4。（25）

式中：pf為平均摩擦壓力；Tf為平均摩擦扭矩；vm為活塞平均速度；Vs·i為發(fā)動(dòng)機(jī)排量。

假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是恒定的，則發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)計(jì)算如下式所示：

Ti－Tf－Tload=Jπ30dndt。（26）

式中：Ti為發(fā)動(dòng)機(jī)指示扭矩；Tf為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失扭矩；Tload為負(fù)荷消耗扭矩；J為發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2 故障注入模型

在模型上進(jìn)行故障模擬的原始方法是通過設(shè)定模型在故障態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的各個(gè)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)故障，然而這種方法的理論依據(jù)有限，對(duì)于大功率柴油機(jī)，其破壞性試驗(yàn)成本代價(jià)相對(duì)較高且采集大量的故障數(shù)據(jù)也較困難，因此逐漸被新的故障模擬方法所代替。結(jié)合工程實(shí)際，本研究采取以下3種方法建立故障注入模型。

2.1 基于節(jié)流等效模型的堵塞類故障模擬

在柴油機(jī)進(jìn)排氣管路、供油管路、冷卻管路中，常會(huì)出現(xiàn)管路堵塞引起的性能下降故障。針對(duì)此類故障，可將管路的堵塞等效為節(jié)流孔，主要影響下游管路的流體壓力變化，堵塞故障等效原理如圖2所示。

節(jié)流孔的流量計(jì)算公式如下：

q=Cd×A0×p1×2·（p1－p2）ρ。（27）

可推出：

Δp=p1－p2=（qCd×A0×p1）2ρ2。（28）

式中：p1為節(jié)流孔上游壓力；p2為節(jié)流孔下游壓力；q為節(jié)流孔的體積流量；Cd為流量系數(shù)；A0為有效流通面積；ρ為空氣密度。通過調(diào)節(jié)狹縫等造成的小口收縮系數(shù)來表征故障程度，同時(shí)，引入偏移度：

δ=yi－y0y0×100%。（29）

式中：δ為各個(gè)故障特征參數(shù)下的偏移度；yi為每一種故障程度下故障參數(shù)的數(shù)值；y0為正常狀態(tài)下參數(shù)的數(shù)值。

2.2 基于管路等效模型的泄漏類故障模擬

對(duì)于排氣管路、供油管路、冷卻管路中的流體泄漏故障，可將其等效成原有流動(dòng)氣路或油路上添加了一條流向外界的支路，在此采用管道模型進(jìn)行替代，泄漏故障等效原理如圖3所示。

其泄漏流量計(jì)算公式如下：

Qvolume=πd4128μlΔpr，（30）

μ=νρ，（31）

Qmass=πd4128νlΔpr。（32）

式中：Qvolume為體積流量；μ為流體動(dòng)力黏度；ν為流體運(yùn)動(dòng)黏度；Δpr為管道兩端壓差；d為管道直徑；l為管道長度。通過調(diào)節(jié)泄漏的管道直徑大小來表示故障程度，由于模型進(jìn)行了理想化和平均值假設(shè)，故此數(shù)值不具備實(shí)際物理意義。

2.3 基于故障因子的效率類故障模擬

對(duì)于如壓氣機(jī)效率、渦輪效率、指示熱效率等非線性函數(shù)，在試驗(yàn)臺(tái)架上難以模擬，采用基于故障因子的直接調(diào)參法進(jìn)行故障模擬。即當(dāng)正常時(shí)設(shè)定為１，而當(dāng)出現(xiàn)了某一個(gè)故障時(shí)則根據(jù)該故障對(duì)柴油機(jī)的實(shí)際影響，設(shè)置其為大于或者小于１的值，并且通過改變此值的大小來模擬故障的嚴(yán)重程度，這種方法的理論基礎(chǔ)非常嚴(yán)格，并且故障具有傳播性，可以反映出故障對(duì)整臺(tái)柴油機(jī)性能的影響情況，但是故障因子對(duì)故障程度的可解釋性較低。

3 故障硬件在環(huán)仿真模擬與驗(yàn)證

3.1 故障模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為可視化開發(fā)與驗(yàn)證柴油機(jī)PHM算法，設(shè)計(jì)了基于B/S架構(gòu)的故障模擬系統(tǒng)，如圖4所示。

該開發(fā)驗(yàn)證測試平臺(tái)可采集硬件在環(huán)平臺(tái)和實(shí)機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器端，柴油機(jī)PHM算法部署在服務(wù)器上實(shí)時(shí)運(yùn)算，并將結(jié)果發(fā)送至前端展示。柴油機(jī)健康管理框架及項(xiàng)點(diǎn)故障診斷算法在硬件在環(huán)平臺(tái)上完成開發(fā)驗(yàn)證后，在整機(jī)上開展整機(jī)故障模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2 故障模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證大功率增壓柴油機(jī)故障硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真模型的有效性，本研究以空濾器堵塞故障和中冷器效率下降故障為例，進(jìn)行模型驗(yàn)證。

空濾器堵塞時(shí)通過空濾器的空氣流量下降，因此采用遮擋進(jìn)氣道口的方式來模擬空濾器堵塞故障。在空濾器前進(jìn)氣管道上安裝升降式閥門，以控制進(jìn)氣管道的進(jìn)氣流量，空濾器堵塞故障模擬裝置如圖5所示。

模擬試驗(yàn)中整機(jī)采集參數(shù)包括轉(zhuǎn)速、齒桿位移、大氣壓力、進(jìn)氣壓力、機(jī)油壓力、回水溫度、排氣溫度等熱力性能參數(shù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。設(shè)計(jì)柴油機(jī)負(fù)載為30%時(shí)，不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下空濾器正常和不同程度堵塞的異常情況，為防止柴油機(jī)損壞，并未設(shè)計(jì)大負(fù)荷堵塞及100%堵塞情況。

中冷器效率下降時(shí)會(huì)引起氣路和水路的熱交換能力下降，從而引起氣路溫度升高，考慮試驗(yàn)的簡易性和安全性，采取調(diào)節(jié)中冷器冷卻水溫度的方法來模擬中冷器效率下降，中冷器冷卻水溫度越高對(duì)應(yīng)中冷器效率下降越嚴(yán)重。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。設(shè)計(jì)柴油機(jī)負(fù)載為80%時(shí)，不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下中冷器效率正常和不同程度下降異常情況，100%效率下降程度對(duì)應(yīng)了中冷器冷卻能力最小限值，超過此閾值需對(duì)中冷器進(jìn)行清洗或更換。

3.3 故障實(shí)時(shí)仿真與驗(yàn)證

在Dspace硬件在環(huán)平臺(tái)部署柴油機(jī)故障仿真模型，仿真步長為10 ms。在上位機(jī)中設(shè)置與故障模擬試驗(yàn)相同的工況與故障注入程度。空濾器堵塞故障模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖6至圖9所示。

空濾器堵塞故障模擬試驗(yàn)中，在相同轉(zhuǎn)速和負(fù)載工況下，齒桿位移基本一致，表示每組噴油量基本相同。由于中冷器強(qiáng)制冷卻，進(jìn)氣溫度也基本一致，沒有發(fā)生明顯的變化。但是隨著空濾器堵塞程度增加，進(jìn)氣壓力降低，排氣溫度上升。柴油機(jī)空濾器堵塞故障仿真模型的齒桿位移、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力和排氣溫度仿真結(jié)果與故障模擬試驗(yàn)結(jié)果的平均誤差分別為1.61%，1.22%，2.27%，4.05%。

中冷器效率下降故障模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖10至圖12所示。

中冷器效率下降故障模擬試驗(yàn)中，在相同轉(zhuǎn)速和負(fù)載工況下，隨著中冷器效率的下降，進(jìn)氣溫度和排氣溫度呈明顯上升趨勢。齒桿位移、進(jìn)氣溫度和排氣溫度仿真結(jié)果與故障模擬試驗(yàn)結(jié)果的平均誤差分別為0.57%，1.17%，3.07%。

可以看出模型具有良好的精度，可以有效地反映試驗(yàn)現(xiàn)象，滿足柴油機(jī)PHM算法的訓(xùn)練與驗(yàn)證需求。

4 結(jié)束語

基于平均值和等效模型原理的增壓柴油機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型，可以有效對(duì)堵塞、泄漏、效率下降類故障進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬。隨著故障注入程度的變化，模型穩(wěn)態(tài)工況時(shí)的熱工參數(shù)變化趨勢與故障模擬試驗(yàn)結(jié)果一致，且精度較高，可以為柴油機(jī)PHM算法的訓(xùn)練提供仿真數(shù)據(jù)樣本和算法實(shí)時(shí)驗(yàn)證環(huán)境。

不同故障注入程度下，雖然試驗(yàn)與仿真的熱工參數(shù)變化呈現(xiàn)同樣的趨勢，但是故障模擬試驗(yàn)中的熱工參數(shù)并不呈線性關(guān)系，有一定的隨機(jī)性，而仿真結(jié)果更加線性。另外，由于模型中的齒桿位移采用了開環(huán)控制，導(dǎo)致對(duì)瞬態(tài)過程的模擬能力較弱，可能會(huì)對(duì)PHM算法的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，因此在后續(xù)工作中需考慮模型的隨機(jī)過程建模和瞬態(tài)工況標(biāo)定。

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Real Time Simulation on Air Intake System Faults of Diesel Engine Based on Mean Value

LIN Yifeng1，LV Hui2，YIN Jinguan2，SUN Shiyue2，ZHI Haifeng2，LI Feifei2

（1.Shanxi Institute of Energy，Jinzhong 030600，China;2.China North Engine Research Institute（Tianjin），Tianjin 300406，China）

Abstract： In order to provide a real time simulation environment for diesel engine PHM algorithm verification， the hardware in the loop real time simulation of high power supercharged diesel engine failure was conducted based on mean value and equivalent model principle， and the feasibility was verified by setting the air filter clogging fault and the intercooler efficiency degradation fault. The research results show that the average error of fault real time simulation model is less than 5% with a real time simulation period of 10 ms， which can meet the needs of real time simulation verification of PHM algorithm for diesel engine.

Key words： diesel engine;fault simulation;hardware in the loop

［編輯： 袁曉燕］