柴油机气缸排温低的机理分析与故障仿真研究∗

2018-05-29任长合谢小平

舰船电子工程 2018年5期

任长合谢小平沈军

（陆军军事交通学院船艇动力系镇江 212003）

1 引言

柴油机具有功率大、经济性好等优点，因而被广泛应用于汽车工业、船舶行业、工程机械及电力工业等领域。由于柴油机自身的结构复杂、工作条件恶劣，是机械系统中故障率最高的设备。柴油机的性能下降或者出现故障，会造成巨大的经济损失，严重时甚至会造成人身危害［1］。柴油机的排气温度反映了柴油机负荷和燃烧质量，是分析柴油机性能的重要参数，是判读柴油机工作是否正常的重要依据。

本文通过对柴油机气缸排温低的故障进行机理分析，采用CFD数值仿真软件AVL-Fire建立柴油机的燃烧室模型，对3种不同原因的故障进行定量仿真研究，为加快排故的速度、提高工作效率提供了理论依据。

2 气缸排温低故障分析

为更好地研究柴油机气缸排温低的故障，需要该故障进行故障分解，建立故障树。在故障树分析中，顶事件是分析系统中最不希望发生的事件，底事件就是位于故障树底部的事件，是导致顶事件发生的基本原因。

根据故障树建立的顶事件确定原则，选择气缸排温低的故障现象作为顶事件。导致顶事件发生的直接原因是燃烧不完全、冷却水温度过低和排气不顺畅，这中间任何一个原因均会导致气缸排温降低。通过机理分析，剖析每个子故障产生的原因，直至分析到部件级故障现象为止，通过分析得出该故障的12个底事件，如图1所示。

图1 气缸排温低故障树

对12个底事件进行归纳分析，得到导致气缸排温降低的主要原因是以下几个方面：

1）排气阀故障。排气阀打不开或不能完全打开，排烟不能完全排出，造成排温下降；排气阀无法关闭，气缸中的新鲜空气不能被压缩，从而达不到发火温度，燃油不能发火燃烧，排温下降。当排气阀打开时间过长，会使得进入气缸的空气减少，造成燃烧效率降低，使得排温下降。

2）进气阀故障。进气阀打不开或不能完全打开，使得没有足够的新鲜空气进入气缸，造成燃烧不完全，直接影响到排气温度。当进气阀打开过早，会造成缸内燃烧环境温度过低，使排温降低；进气阀打开过晚，会使得空气量不足以使得燃油完全燃烧，影响燃烧效果，排温降低。

3）高压油泵、高压油管、喷油器故障。高压油泵出现故障将直接影响喷油器的正常工作，如果无法产生足够的压力开启喷油器，从而减少了喷油量使排温降低，严重时会使得柴油机无法正常发火燃烧而停机；压油管泄漏或喷油器堵塞都会使进入气缸的油压油量降低从而使排温降低；喷油器卡死在关闭位置或喷油器喷孔堵塞，燃油喷射量减少、雾化质量不好，使得燃烧不充分影响气缸的排气温度。

4）定时不正确。柴油机定时包括喷油定时和进排气定时，喷油定时不正确影响柴油机燃烧质量和排气温度。

5）节温阀故障。节阀故障导致冷却水温度过低，使得气缸排气温度随之降低。

6）进气系统故障。增压比减小或者进气道堵脏，从而导致进气温度偏低和新鲜空气不足，使得燃烧不完全，造成排温降低。

3 柴油机燃烧模型的建立

CFD软件AVL-Fire软件主要是对柴油机的进气、压缩、燃烧进行模拟。

3.1 湍流模型

理论上，可以直接采用数值模拟的方法来求解三维非定常N-S方程组，但是鉴于计算量巨大，求解显得十分困难，因而需要引入湍流模型，实现控制方程中不封顶项与已知量之间的关系。

k-ε模型在一定程度上考虑了流动场中各点的湍能传递和流动的作用［2］，能较好地用于某些复杂的流动计算，因而本文采用k-ε模型进行建模，具体模型如下：

式中：Ẇs为跟喷雾相互作用的湍流源项；Cε1、Cε2、Cε3、CS、PrK、Prε—模型中的常数。

3.2 边界条件

为了使方程有定解，还需要给出方程的边界条件，根据模型的实际特点，本文采用固定壁面边界条件。

其中，壁面位置流体的法向速度为

切向速度满足对数分布：

缸壁热通量：

壁面函数：

式中：为壁面处的速度；为壁面处的单位矢量。

为基于气体和壁面相对速度的参数，y为沿壁面法向的距离；为剪切速度；B、cμ为湍流模型常数；k为湍流动能；Tw为缸壁温度；Pr为层流中的普朗特数。

3.3 初始条件

以某型号柴油机的性能参数为依据，结合相关文献［4～6］，对模型的初始值设置见表1。

表1 软件运行初始值参数表

3.4 模型准确性验证

鉴于该型号柴油机实际可测量的参数比较有限，本文采用平均有效压力、最大爆发压力、排气温度和燃油消耗率等4个参数作为模型准确性验证的目标参数（见表2），为直观显示模型准确性，将相对误差采用柱状图的形式表达见图2。

表2 仿真参数与实际参数对比表

从图2中可以清晰地看出，目标参数的仿真计算结果与实际值对比，最大爆发压力的相对误差最大，达到2.43%，而燃油消耗率的相对误差最小为0.78%，仿真模型满足精度要求，可以作为柴油机仿真研究的模型，为下一步故障仿真做好了准备。

4 故障仿真研究

结合仿真模型，对前文分析的柴油机气缸排温低的故障原因进行梳理，为方便利用仿真模型进行故障仿真，对仿真模型中的参数进行分析，梳理出可以表征故障树中间现象的相关参数见表3。

图2 目标参数相对误差图

4.1 进气定时故障仿真

进气定时对柴油机排气温度、能量的利用率、容积效率以及扫气均有着重要的影响，气阀的提前开启和延迟关闭，使柴油机的气缸在进气阶段吸入足够多的空气，在排气阶段使气缸内的废气尽可能地排除在外。采用通过验证的仿真模型，在其他参数不变的基础上平移进气正时，进气阀的开启与关闭同时提前或延后，取值间隔5℃A，排气定时不变，对该柴油机进行计算，计算结果见图3。

当进气定时发生故障而导致进气阀提前打开时，随着进气定时的增大，气阀重叠角开始逐渐增大，进入气缸的空气量也逐渐增大，缸内的温度得到了降低，进而改善了进气对柴油机缸内冷却的效果，使得排气温度有了一定程度的降低；因为大量空气的进入，可使得燃油充分的燃烧，使得燃油消耗率明显下降。当进气阀延迟打开时，进入气缸的空气量减少，使得燃烧不完全，油耗率增大，排气温度、最大爆发压力和评价有效压力都减小。

表3 故障仿真模型所需调整参数

图3 进气定时对柴油机相关参数的影响

4.2 排气定时故障仿真

采用通过验证的仿真模型，在其他参数不变的基础上平移排气定时，排气阀的开启与关闭同时提前或延后，取值间隔5℃A，进气定时不变，对该柴油机进行计算，计算结果见图4。

图4 排气定时对柴油机相关参数的影响

由图4可知，当排气定时出现故障而使得排气定时提前时，排气的温度升高幅度较大，燃油消耗率增幅较大，而缸内最高爆发压力和平均有效压力略有下降；当排气定时角延后时，排气温度开始下降，因为排气定时的延后，导致缸内废气排出不彻底，影响了新鲜空气的进入，导致燃烧不完全，使得最高爆发压力和平均有效压力急剧下降，而燃油消耗率快速上升。