基于BOOST软件的柴油机典型故障模拟

赵春生

【摘 要】 在提出柴油机热力过程计算相关假设基础上，以MAN B&W 6S50MC柴油机为研究对象，建立柴油机系统的物理计算模型。利用BOOST软件对柴油机单缸熄火及排气定时故障进行数值模拟，在宏观上把握其工作状态，为柴油机系统的设计、优化及运行管理等提供相关依据。

【关键词】 BOOST软件；柴油机；故障；模拟

近年来，计算机仿真技术在柴油机系统模拟计算中的应用越来越普遍。通过模拟计算，得到某工况下柴油机的运行规律，可为柴油机性能的改进提供一定的理论支撑。在柴油机运行方案设计、试验研究分析等方面，计算机仿真技术已成为预测和改进柴油机性能的主要手段。

本文利用计算机仿真技术，对柴油机系统中的单缸熄火及排气定时故障等进行故障模拟，从而得到柴油机在该故障下的各种性能参数的变化情况，可为柴油机系统的设计、优化及运行管理等提供相关依据。

1 柴油机热力过程计算假设及模型的建立

1.1 相关假设

在进行柴油机缸内热力过程计算时，为了简化问题，本文对柴油机缸内热力过程计算提出以下假设。

缸内工质各相位状态变化均匀，同一瞬时不考虑气缸内不同位置压力、温度和浓度的差别；在换气过程中，进入气缸的新鲜空气与缸内废气瞬时混合；工质必须为理想气体，且其比热、比内能和比焓等性能参数仅与气体温度和成分有关；在换气过程中的工质在缸内的流动过程视为准稳定流动；燃油喷入气缸立即发生燃烧；空燃比从燃烧始点至终点逐渐变小。

1.2 模型的建立

本文采用MAN B&W 6S50MC柴油机机体系统布置，利用BOOST软件建立柴油机工作过程的计算模型（见图1）。在不影响仿真模拟效果的前提下，为方便计算，对柴油机性能影响微弱的元件作适当简化处理。

2 柴油机故障模拟

2.1 柴油机单缸熄火

对于船用柴油机而言，在柴油机运行过程中，若某一气缸发生故障而不能及时排除，为了保证船舶的正常航行，可采取封缸运行，即暂停故障气缸的工作并使船舶主机继续运转。根据我国《钢质海船入级与建造规范》要求，6缸及以下的船用柴油机在1个气缸停止工作的情况下，应能保证柴油机继续运转；6缸以上的船用柴油机必须保证在2个气缸停止工作的情况下仍能继续运转，以使船舶继续航行，并在适当的时候对柴油机作进一步处理。柴油机单缸熄火故障会打破在原本设计工况下柴油机运行时轴系的扭转平衡，进而使轴系发生剧烈的扭转振动，因此，可以通过柴油机的扭转振动情况来判断柴油机缸内熄火故障。

柴油机在单缸停油时各柴油机性能参数与正常工作时的变化关系见表1。从表1可以看出，当柴油机发生故障造成单缸无法正常工作而又不得不继续工作时，在某缸停油后，该柴油机的有效功率和有效扭矩等性能参数明显降低。因此，为了防止柴油机在运行中因超负荷工作而造成燃烧恶化、排烟温度升高及机体剧烈振动等不良状况，应采取75%负荷的转速以下降速运行。

在柴油机工作过程中，换气质量的好坏对其燃烧质量、作功能力以及柴油机的整体性能产生重要影响。排气定时的改变则会直接影响换气时间，在换气压力和进排气口不变的情况下，则会影响到柴油机换气过程的完善程度，进而使后期的燃烧质量受到重要影响。

经过计算得到排气定时故障各参数值（见表2）。随着排气持续角的减小，柴油机的换气性能越差，扫气效率也明显降低，由正常值的0.894逐渐降为0.790。随着排气定时的恶化，每循环进入气缸的新鲜空气量和换气终点时停留在缸内的新鲜空气量均相应减少。此外，随着排气持续角的减小，排气温度也随之升高，由正常值522 K升为646 K，从而造成柴油机喷嘴积碳严重，排放物中氮氧化物成分迅速升高。

柴油机4号缸排气定时的改变对缸内介质压力的影响较小（见图5），而缸内温度变化较为显著，并且随着排气持续角的减小，缸内温度呈现逐渐升高的趋势，最高燃烧温度由正常值的 K升为 K左右（见图6）。在柴油机整个换气过程中，4号缸排气定时出现问题而使排气阀处于关闭时刻时，气缸内压力变化并不明显；但在排气定时发生变化时，因缸内新气与废气交换不充分，换气质量降低，导致缸内温度变化较为明显。

3 结 语

通过对柴油机典型故障进行数值模拟研究，对柴油机单缸熄火及排气定时故障有了较为详细的理论指导。通过故障模拟，可以更加直观地预测柴油机运行时的工作性能，对柴油机操作管理和维护提供一定的理论依据，以便能及时排除故障。

【摘 要】 在提出柴油机热力过程计算相关假设基础上，以MAN B&W 6S50MC柴油机为研究对象，建立柴油机系统的物理计算模型。利用BOOST软件对柴油机单缸熄火及排气定时故障进行数值模拟，在宏观上把握其工作状态，为柴油机系统的设计、优化及运行管理等提供相关依据。

【关键词】 BOOST软件；柴油机；故障；模拟

近年来，计算机仿真技术在柴油机系统模拟计算中的应用越来越普遍。通过模拟计算，得到某工况下柴油机的运行规律，可为柴油机性能的改进提供一定的理论支撑。在柴油机运行方案设计、试验研究分析等方面，计算机仿真技术已成为预测和改进柴油机性能的主要手段。

本文利用计算机仿真技术，对柴油机系统中的单缸熄火及排气定时故障等进行故障模拟，从而得到柴油机在该故障下的各种性能参数的变化情况，可为柴油机系统的设计、优化及运行管理等提供相关依据。

1 柴油机热力过程计算假设及模型的建立

1.1 相关假设

在进行柴油机缸内热力过程计算时，为了简化问题，本文对柴油机缸内热力过程计算提出以下假设。

缸内工质各相位状态变化均匀，同一瞬时不考虑气缸内不同位置压力、温度和浓度的差别；在换气过程中，进入气缸的新鲜空气与缸内废气瞬时混合；工质必须为理想气体，且其比热、比内能和比焓等性能参数仅与气体温度和成分有关；在换气过程中的工质在缸内的流动过程视为准稳定流动；燃油喷入气缸立即发生燃烧；空燃比从燃烧始点至终点逐渐变小。

1.2 模型的建立

本文采用MAN B&W 6S50MC柴油机机体系统布置，利用BOOST软件建立柴油机工作过程的计算模型（见图1）。在不影响仿真模拟效果的前提下，为方便计算，对柴油机性能影响微弱的元件作适当简化处理。

2 柴油机故障模拟

2.1 柴油机单缸熄火

对于船用柴油机而言，在柴油机运行过程中，若某一气缸发生故障而不能及时排除，为了保证船舶的正常航行，可采取封缸运行，即暂停故障气缸的工作并使船舶主机继续运转。根据我国《钢质海船入级与建造规范》要求，6缸及以下的船用柴油机在1个气缸停止工作的情况下，应能保证柴油机继续运转；6缸以上的船用柴油机必须保证在2个气缸停止工作的情况下仍能继续运转，以使船舶继续航行，并在适当的时候对柴油机作进一步处理。柴油机单缸熄火故障会打破在原本设计工况下柴油机运行时轴系的扭转平衡，进而使轴系发生剧烈的扭转振动，因此，可以通过柴油机的扭转振动情况来判断柴油机缸内熄火故障。

柴油机在单缸停油时各柴油机性能参数与正常工作时的变化关系见表1。从表1可以看出，当柴油机发生故障造成单缸无法正常工作而又不得不继续工作时，在某缸停油后，该柴油机的有效功率和有效扭矩等性能参数明显降低。因此，为了防止柴油机在运行中因超负荷工作而造成燃烧恶化、排烟温度升高及机体剧烈振动等不良状况，应采取75%负荷的转速以下降速运行。

在柴油机工作过程中，换气质量的好坏对其燃烧质量、作功能力以及柴油机的整体性能产生重要影响。排气定时的改变则会直接影响换气时间，在换气压力和进排气口不变的情况下，则会影响到柴油机换气过程的完善程度，进而使后期的燃烧质量受到重要影响。

经过计算得到排气定时故障各参数值（见表2）。随着排气持续角的减小，柴油机的换气性能越差，扫气效率也明显降低，由正常值的0.894逐渐降为0.790。随着排气定时的恶化，每循环进入气缸的新鲜空气量和换气终点时停留在缸内的新鲜空气量均相应减少。此外，随着排气持续角的减小，排气温度也随之升高，由正常值522 K升为646 K，从而造成柴油机喷嘴积碳严重，排放物中氮氧化物成分迅速升高。

柴油机4号缸排气定时的改变对缸内介质压力的影响较小（见图5），而缸内温度变化较为显著，并且随着排气持续角的减小，缸内温度呈现逐渐升高的趋势，最高燃烧温度由正常值的 K升为 K左右（见图6）。在柴油机整个换气过程中，4号缸排气定时出现问题而使排气阀处于关闭时刻时，气缸内压力变化并不明显；但在排气定时发生变化时，因缸内新气与废气交换不充分，换气质量降低，导致缸内温度变化较为明显。

3 结 语

通过对柴油机典型故障进行数值模拟研究，对柴油机单缸熄火及排气定时故障有了较为详细的理论指导。通过故障模拟，可以更加直观地预测柴油机运行时的工作性能，对柴油机操作管理和维护提供一定的理论依据，以便能及时排除故障。

【摘 要】 在提出柴油机热力过程计算相关假设基础上，以MAN B&W 6S50MC柴油机为研究对象，建立柴油机系统的物理计算模型。利用BOOST软件对柴油机单缸熄火及排气定时故障进行数值模拟，在宏观上把握其工作状态，为柴油机系统的设计、优化及运行管理等提供相关依据。

【关键词】 BOOST软件；柴油机；故障；模拟

近年来，计算机仿真技术在柴油机系统模拟计算中的应用越来越普遍。通过模拟计算，得到某工况下柴油机的运行规律，可为柴油机性能的改进提供一定的理论支撑。在柴油机运行方案设计、试验研究分析等方面，计算机仿真技术已成为预测和改进柴油机性能的主要手段。

本文利用计算机仿真技术，对柴油机系统中的单缸熄火及排气定时故障等进行故障模拟，从而得到柴油机在该故障下的各种性能参数的变化情况，可为柴油机系统的设计、优化及运行管理等提供相关依据。

1 柴油机热力过程计算假设及模型的建立

1.1 相关假设

在进行柴油机缸内热力过程计算时，为了简化问题，本文对柴油机缸内热力过程计算提出以下假设。

缸内工质各相位状态变化均匀，同一瞬时不考虑气缸内不同位置压力、温度和浓度的差别；在换气过程中，进入气缸的新鲜空气与缸内废气瞬时混合；工质必须为理想气体，且其比热、比内能和比焓等性能参数仅与气体温度和成分有关；在换气过程中的工质在缸内的流动过程视为准稳定流动；燃油喷入气缸立即发生燃烧；空燃比从燃烧始点至终点逐渐变小。

1.2 模型的建立

本文采用MAN B&W 6S50MC柴油机机体系统布置，利用BOOST软件建立柴油机工作过程的计算模型（见图1）。在不影响仿真模拟效果的前提下，为方便计算，对柴油机性能影响微弱的元件作适当简化处理。

2 柴油机故障模拟

2.1 柴油机单缸熄火

对于船用柴油机而言，在柴油机运行过程中，若某一气缸发生故障而不能及时排除，为了保证船舶的正常航行，可采取封缸运行，即暂停故障气缸的工作并使船舶主机继续运转。根据我国《钢质海船入级与建造规范》要求，6缸及以下的船用柴油机在1个气缸停止工作的情况下，应能保证柴油机继续运转；6缸以上的船用柴油机必须保证在2个气缸停止工作的情况下仍能继续运转，以使船舶继续航行，并在适当的时候对柴油机作进一步处理。柴油机单缸熄火故障会打破在原本设计工况下柴油机运行时轴系的扭转平衡，进而使轴系发生剧烈的扭转振动，因此，可以通过柴油机的扭转振动情况来判断柴油机缸内熄火故障。

柴油机在单缸停油时各柴油机性能参数与正常工作时的变化关系见表1。从表1可以看出，当柴油机发生故障造成单缸无法正常工作而又不得不继续工作时，在某缸停油后，该柴油机的有效功率和有效扭矩等性能参数明显降低。因此，为了防止柴油机在运行中因超负荷工作而造成燃烧恶化、排烟温度升高及机体剧烈振动等不良状况，应采取75%负荷的转速以下降速运行。

在柴油机工作过程中，换气质量的好坏对其燃烧质量、作功能力以及柴油机的整体性能产生重要影响。排气定时的改变则会直接影响换气时间，在换气压力和进排气口不变的情况下，则会影响到柴油机换气过程的完善程度，进而使后期的燃烧质量受到重要影响。

经过计算得到排气定时故障各参数值（见表2）。随着排气持续角的减小，柴油机的换气性能越差，扫气效率也明显降低，由正常值的0.894逐渐降为0.790。随着排气定时的恶化，每循环进入气缸的新鲜空气量和换气终点时停留在缸内的新鲜空气量均相应减少。此外，随着排气持续角的减小，排气温度也随之升高，由正常值522 K升为646 K，从而造成柴油机喷嘴积碳严重，排放物中氮氧化物成分迅速升高。

柴油机4号缸排气定时的改变对缸内介质压力的影响较小（见图5），而缸内温度变化较为显著，并且随着排气持续角的减小，缸内温度呈现逐渐升高的趋势，最高燃烧温度由正常值的 K升为 K左右（见图6）。在柴油机整个换气过程中，4号缸排气定时出现问题而使排气阀处于关闭时刻时，气缸内压力变化并不明显；但在排气定时发生变化时，因缸内新气与废气交换不充分，换气质量降低，导致缸内温度变化较为明显。

3 结 语

通过对柴油机典型故障进行数值模拟研究，对柴油机单缸熄火及排气定时故障有了较为详细的理论指导。通过故障模拟，可以更加直观地预测柴油机运行时的工作性能，对柴油机操作管理和维护提供一定的理论依据，以便能及时排除故障。