基于AVL BOOST柴油机故障仿真研究

郭卫勇

（武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050）

柴油机热工参数蕴涵着大量的故障信息，具有很大的诊断应用价值。目前人们对柴油机热工参数与故障之间的关系主要来源于试验积累和专家经验，但故障模拟试验耗费大，带有破坏性，不可能大量进行；专家经验也有一定程度的局限性，如何经济地获得准确的诊断知识，成为柴油机智能故障诊断的难题［1］。柴油机工作过程的数值计算应运而生，与传统的计算分析方法相比，具有显著的优越性和合理性，它通过循环模拟计算从内燃机各系统的物理模型出发，用微分方程对各系统进行数学描述，用电子计算机数值求解微分方程，以求得各参数的变化规律。随着计算机应用技术和柴油机工作过程数值模拟计算方法的不断发展，故障仿真计算是解决上述难题的有效方法［2］。

1 柴油机工作过程的数学模型

1.1 气缸内模型

依据能量、质量守恒原理，采用零维模型计算系统每一瞬间的热力参数。在导出缸内过程计算的基本微分方程时，做了如下简化假定：

（1）气缸内的工质在任何一个瞬时都是混合均匀，各处温度和压力相同，在进气和扫气期间或是在燃油喷入缸内期间，流入气缸的空气与气缸内的残余废气、空气与燃油完全混合［3］。

（2）燃烧过程为完全燃烧，将燃烧过程简化为给工质的加热过程，即工质过量空气系数Φα的变化过程。

（3）工质为理想气体，其比热、内能仅与气体温度和气体成分有关。

（4）气体流入或流出气缸为准稳定流动，进、出口气体的动能忽略不计。

式中，dQwz为单位曲轴转角内通过气缸周壁交换的热量；dmE、hE为单位曲轴转角内通过排气阀流出气缸的气体质量和焓，包括倒灌；dmA、hA为单位曲轴转角内通过进气阀流入气缸的气体质量和焓，包括倒灌；dmL、hL为单位曲轴转角内气缸内泄漏气体的总质量和相应气体的焓；dmf为气缸中的已燃燃油质量，包括残余废气量折算的燃油量。

1.2 曲轴箱窜气模型

曲轴箱窜气严重影响压缩比和燃烧爆发压力。本文设置两个窜气故障点，分别仿真不同窜气严重程度下的柴油机故障。在现有的条件下模型的建立是通过活塞环和气缸套壁面间隙的假定来完成的。等效窜气面积：

其中即为活塞环和气缸套壁面等效间隙。

1.3 排气系统模型

根据实际需要，排气系统的热力过程计算采用容积法，即将排气系统简化为一个容器，它包括气缸盖排气道、排气支管、排气总管和废气涡轮进气涡壳等容积。将涡轮、净化器、消声器等简化为节流阀，忽略压力波的传播和反射现象，只考虑状态参数随时间的变化，考虑到故障的影响建立了排气系统模型。

式中，dmLB、hLB为单位曲轴转角内由排气系统泄漏的气体的总质量和焓，dmT、hT为单位曲轴转角内流入涡轮的废气质量和焓，dQWB为单位曲轴转角内排气系统的散热量。

1.4 进气系统模型

由于考虑到泄漏等柴油机故障的影响，进气管的气体状态不能简化为定压、定温处理，进气系统模型类似排气系统采用零维模型来处理，将空气冷却器简化成一个节流散热元件。

1.5 燃油的供给和喷射

燃油供给和喷射系统一直是柴油机研究领域的主要方向，因为它是柴油机工作性能的重要影响因素。本文采用一个简单的模型对此系统进行仿真分析，在这个模型中要考虑如下的容积因素：高压泵腔、输送阀腔、输送管和喷油器。燃油的可压缩性按如下公式定义：

每一个控制容积的仿真除了燃油的可压缩性，还要考虑进口和出口容积的流量，按如下公式计算：

其中对应于各种容积。输送阀用一个相对简单的模型来简化，但这个模型可以相对精确地预测出发动机的工作性能。它被简化成一个单向阀，只允许燃油从输送阀腔流入输送管，而不允许反向流动。同样，喷油器也被简化成单向阀，当气缸压力超过针阀的开启压力时燃油喷入气缸内。

1.6 涡轮增压器模型

对废气起涡轮增压器内的热力过程进行建模，其理论依据仍然是热力学第一定律和质量守恒定律。对废气涡轮增压器热力过程模拟时，应该满足下列平衡条件：

（1）涡轮机与压气机功率平衡；

（2）涡轮机与压气机转速相等，并且在一个循环内认为转速是恒定的；

（3）通过涡轮的废气流量应等于通过压气机的空气流量与循环喷油量之和；

涡轮增压器的压比方程可用下式表达：

空气经过压缩机压缩后，温度由升到，在假定比热不变的前提下，这个温升可用下式表达：

式中，τK——计及到向外界传热的冷却系数，在设计涡轮增压器时，可在1.04～1.1之间取值；ηKS＝0.75～0.85。

1.7 空冷器模型

空冷器的建模相对涡轮增压器简单得多。空冷器压力损失和效率都是以其质量流率为变量得到函数如下：

其中效率得定义如下：

式中a：空气，c：冷却介质，in：入口，out：出口。

1.8 排气管模型

涡轮排气背压的表述类似于中冷器的压力损失。

其中可以由以前检测的排气背压值估算。

2 AVL BOOST软件简介及系统建模

2.1 AVL BOOST软件简介

AVL BOOST软件是奥地利AVL公司开发的对发动机的结构和性能进行整机或零部件模拟计算的发动机模拟计算程序。可以模拟包括燃烧在内的发动机所有循环和进排气系统的特性。它可应用于各种发动机设计方案的优化，气门正时的优化，增压系统的设计，各零部件的优化设计和发动机瞬态性能的评价等。

该软件可以应用在下列范围：

（1）各种发动机草案的对比

（2）在不损害功率输出，扭矩和燃油消耗的情况下优化组件的几何形状，例如进气系统、排气系统，以及气门尺寸等。

（3）优化气门正时和凸轮型线

（4）增压系统的设计

（5）声学

（6）发动机瞬态性能的评价（加速／加载，减速／卸载）

2.2 系统建模

针对所研究的发动机进行观察和测量，收集数据和资料。实际复杂的发动机分解成若干个容易处理的子系统，并运用AVL BOOST提供的模块建立相应的物理模型。根据热力学、传热、传质等方面的知识，将简单的物理模型进行定量的数学描述，将收集的发动机数据和资料输入到相应的模块中去，即建立数学模型。利用已建立的初步模型进行模拟计算，求出该模型所包含的全部物理参量，并通过试验所测值进一步修改模型，最后达到实用。

根据试验系统和L16／24柴油机的结构建立了如图1所示的发动机模拟计算的模型。

SB1、SB2、SB3为系统边界；MP1～MP32为测点；C1～C6为气缸；1～23为管道连接；

图1 L16／24柴油机的AVL BOOST仿真模型

J1～J6为管接头；PL1为进气管道；CO1是空气冷却器；TC1为涡轮增压器；

模型建立以后，关键的就是选择模型的边界条件，因为选取合理的初始值可以对该发动机进行更准确的模拟。下面是需要确定的初始值：

（1）边界条件，如：环境温度、压力、流量系数、燃气热值、空燃比等；

（2）气缸参数，如：缸径、行程、连杆长度、点火顺序、进排气门（道）参数及燃烧和放热模型等；

（3）参数估算：对排气压力、温度和平均机械损失压力等参数进行了必要的估算。

3 仿真模型对柴油机正常工况下的仿真性能分析

根据上述模型对L16／24柴油机进行仿真计算，主要参数的仿真结果如表1所述。由对比关系可以发现仿真模型与柴油机的实际运转结果非常相近，误差保持在1%的范围内，从而确认这个模型的准确性，这是进行故障仿真的前提仿真所得各缸的气缸压力如图2。

表1 正常工况下的柴油机仿真性能与实际值的对比关系

4 柴油机故障模式下的性能分析

由于无法对每个转速下的柴油机相同故障进行全方位的动态仿真，所以本仿真模型仅在气缸的参数一致的全负荷工况下对柴油机不同的故障下的运行点进行仿真。故障点的设定如表2所示，每个故障仅取两个故障值。本文重点对进排气系统故障进行仿真分析，其结果如表2所示。

图2 仿真气缸压力

表2 故障的设定

4.1 涡轮增压器故障

增压器总效率的恶化可能由压气机效率涡轮效率或其机械效率下降引起（＝）。压气机叶轮和扩压器叶片污垢堆积会改变压气机特性曲线的位置，同时使其效率恶化。但压气机特性线位置的改变无法定量预测，而效率的下降可用一些修正系数来模拟。随或下降，由于涡轮实际发出功率减小或压气机实际耗功增大，使压气机转速下降，压比下降，流过发动机流量减小。同时，排气温度升高，柴油机耗油率增大见图3。

特别地，当增压器故障严重时导致进气流量迅速减小，在叶片扩压器内和工作轮进口处气流与壁面分离引起压气机喘振，使得气流出现剧烈振荡，压气机的出口压力显著降低，并伴随很大的压力波动，如下图4所示。

图3 涡轮增压器故障下的性能预测

图4 压气机喘振压力波动

4.2 中冷器效率故障

中冷器的效率计算公式为：

a：空气，c：冷却介质，in：入口，out：出口。

中冷器效率恶化，除了受自身性能的影响还要受到压气机出口温度和冷却介质的影响（如海水温度升高）。中冷器冷却能力下降时，气缸进气温度明显升高，柴油机排气温度升高，输出功率下降，压气机转速升高，压比升高，流量增大，配合运行曲线移向高处，喘振裕量有所减小，同时柴油机耗油率升高工如图5所示。

图5 中冷器效率故障下的性能预测

4.3 中冷器气侧污阻

空冷器气侧污阻，一方面使气侧的压损增大，另一方面使传热恶化。气侧污阻使气流阻力增大，压损系数减小。气侧压损增大使扫气压力下降，流过发动机流量减小，配合运行线左移，喘振裕量有较大减小。同时涡轮进口废气温度升高，输出功率下降，涡轮发出的功率下降，柴油机耗油率增大，见图6。

图6 中冷器气侧污阻故障下的性能预测

4.4 排气歧管污堵

低速柴油机的排气口或排气歧管堵塞，使流通有效面积减小。流道堵塞使流过发动机的流量有所减小（压气机出口压力不一定减小，高负荷甚至可能升高），配合运行线左移，喘振裕量有较大减小。同时涡轮进口废气温度明显升高，柴油机油耗略有增大，输出功率减小，见图7所示。

图7 排气歧管污堵故障下的性能预测

4.5 涡轮排气总管污堵

同排气歧管污堵一样，涡轮排气总管的堵塞，也使有效流通面积减小，流过发动机的流量有所减少，配合运行线左移，喘振裕量有所减小。同时涡轮进口废气温度明显升高，柴油机油耗略有增大，输出功率减小。同时进气和排气压力也有较明显的下降趋势，见图8所示。

图8 涡轮排气总管故障下的性能预测

5 结 语

本文利用AVL BOOST软件对L16／24柴油机的工作过程进行仿真，利用柴油机工作时热力参数的变化来判断其工作状态，这些参数包括气缸压力示功图、排气温度、转速、涡轮进出口气体温度、空冷器进出口温度及压力等。热力参数分析法着重对柴油机性能好坏作出判断，在这些参数中，示功图包含的信息量最多，根据示功图可以计算指示功、压力升高率和压缩压力，可以判断燃烧质量的好坏等。通过这个模型可以对一系列的故障进行仿真，从仿真结果中预测柴油机在故障下的性能参数的变化规律。

1 赵同宾.柴油机热工故障仿真研究［D］论文）.武汉理工大学，2002

2 张明书.罗海宁 ？郝彬.12PA6V柴油机热工故障仿真系统研究［J］.农机使用与维修，2007（6）

3 孟威，船舶柴油主机数学建模及电站仿真仪表的研究［D］论文），大连海事大学，2009

4 赵同宾，高孝洪.基于热力参数分析的柴油机缺点仿真研讨［J］.柴油机，2005年增刊

5 顾宏中.涡轮增压柴油机热力进程模拟计算［M］.上海：上海交通大学出版社，1983.