船用中速柴油机热工故障仿真方法研究

袁 对，王业秋，唐新飞，杨安声

(1.浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021；2.大连船舶重工集团有限公司，辽宁 大连 100097；3.武汉理工大学，湖北 武汉 430063)

在现代科技发展的推动下，船舶柴油机向着大型、综合及智能的方向转变，这就使得对其操作和维护的要求越来越严格。柴油机在运行的过程中，由于船舶柴油机工作环境恶劣、负荷范围大、结构复杂等因素，造成了船舶柴油机发生故障时所表现出来的特征和现象很复杂，其中比较容易且明显的表现是热工参数的变化，相对其他参数，热工参数在获取时也比较容易。热工参数能直接反映柴油机的各个工作过程的状态，可将整个柴油机细分为各个系统来分别监测其压力和温度这些状态参数。柴油机由于故障而表现在热力过程的各个子系统热工参数值的变化上，从而导致柴油机的性能指标的下降、恶化甚至停机，通常将这种类型的故障称之为热工故障[1]。所以，对柴油机热工故障的分析和仿真，以及从热工过程和数值等方面来研究其特性是非常必要的。

1 仿真对象介绍及模型标定

1.1 仿真对象介绍

本文建模仿真的柴油机机型为MAN B&W L16/24型柴油机，该机型是高增压4冲程柴油机，一般作为大型船舶的辅机，或者中小型船舶的主机，由于可烧重油，升功率大，所以一直被广泛使用。本文采用AVL-BOOST来进行柴油机模型的仿真计算，该软件将柴油机系统进行了模块化和参数化，只需要设置相关参数，选取合适的计算方法，而不用去考虑繁琐的微分方程求解过程，从而使研究人员从复杂的编程工作中解放出来[2-3]。搭建的仿真对象的组态界面如图1所示。

图1 MAN B&W L16/24型柴油机仿真模型组态

本次模拟的工作状况是1 000 r/min，100 %负荷，主要参数设置已由表1列出。

表1 仿真参数输入表格

1.2 仿真模型标定

从表2计算结果与测试结果的对比中可以看出，计算出来的结果与试验测量得到的数据是相吻合的。

表2 试验结果与计算结果的对比

2 柴油机热工故障的基本类型

柴油机的热工故障是一种发生频率很高的故障，虽然故障的原因有很多不同样式，但是其最终的表现都反映在热力过程的各种参数发生异常变化这点上。目前，只是直接对在线监测到的各种热力参数进行简单的分析与辩识，而没有对所有信息进行整合，这种简单的分析还是对其故障诊断的最常用的手段[4]。

3种常见的热工故障类型如下。

1)阻塞。阻塞是一种介质在流动的过程中，阻力增加的故障。当发生阻塞时，系统的某一元件或结构在介质传输过程中，该元件两侧或者上下游的压差都会明显增大。

2)泄漏。泄漏是介质在传输中或者热量在传递中质量或者热量流失的故障。在介质的传输过程中，因为传输管道破损或者是密封装置损坏等因素会导致质量的流失。在传热的过程中，因为绝热层的破损或者是密封装置损坏而导致的热量漏失，会造成热量的损失。

3)时序或相位错误。因为时序或相位的错误而造成的能量转换的失效或低效。

3 柴油机热工故障分析

为了更加全面系统的分析柴油机的热工故障，接下来从柴油机功能和组成这2个方面来分析。

3.1 功能

对于柴油机而言其功能就是将燃料的化学能转化为曲轴或者所带负荷旋转的机械能，为了保证这一过程稳定持久，需要热动力系统、冷却系统与润滑系统等子系统之间的配合才能完成。接下来就从这个角度来分析其热工故障。

1)热动力系统。柴油机工质的流动过程如图2所示，首先进气系统保证工质的输送，然后燃油输送系统保证燃油由日用柜输送到高压油泵，经过喷油器按照预定好的喷油时刻喷入汽缸燃烧，最后排气系统保证废气在已经事先设定好的时间从汽缸中被排出，通过后处理装置排放到环境中。

图2 热力系统的工质流程图

2)冷却系统和润滑系统。冷却和润滑系统是保证柴油机安全平稳运行的两大重要保障系统，冷却系统使得柴油机的热负荷在合理范围之内，润滑系统是防止柴油机各个摩擦副之间出现烧毁和咬死的现象，同时可以带走导热零部件和摩擦所产生的热量。

3.2 组成

由图3可以看出，柴油机是一个相当复杂的系统，进行建模的时候需要根据其原理将其分层。可以看出柴油机各个子系统之间的联系是十分紧密的，往往一个子系统发生故障会引起其他几个子系统的连锁反应。

图3 柴油机的组成

按照各个子系统分类划分，常见的柴油机的热工故障[5]可以划分为如表3所示。

表3 柴油机常见的热工故障

3.3 特征热工参数的选取

上文已将柴油机分为各个子系统，按照子系统将热工参数提取出来。结合柴油机的监测和诊断的实际情况来进行分析，图4列出了柴油机的基本热工参数。

图4 柴油机基本热工参数

图4反映工质在流动过程和能量转化过程中的各项参数，以及柴油机的动力性和经济性指标的参数，表4给出了参数意义的说明。需要说明，燃油消耗率并不属于热工参数，这里引用主要是方便下文从经济性的角度分析故障仿真的结果，并不将其作为热工故障诊断的参数。

表4 特征热工参数的物理意义

4 常见热工故障仿真与结果分析

4.1 常见热工故障仿真

参数选择及设置如表5所示。

表5 故障仿真方案

本文选取几个典型的热工故障进行模拟[6]，挑选的故障主要是涡轮增压器故障和喷油故障，这两种情况对于柴油机性能的影响是最显著的，而且发生的概率也最大，具有代表性。这里对每种故障设置2种不同的故障程度，分别是轻度故障和严重故障。若故障模拟涉及缸内参数，则以3#汽缸为对象。

4.2 热工故障仿真结果分析

本文选择工况为1 000 r/min，100 %负荷状态下，模拟不同热工故障，关键热工参数的偏离情况如下文所示。为了方便对某一参数的表述，在这里除了最高燃烧压力、最高燃烧温度、有效功率、燃油消耗率、平均有效压力这几个参数与瞬态无关外，其他参数都是具有瞬态值的，所以其他参数都选用一个工作循环的平均值(稳态值)作为标准。

各个参数符号的物理意义请见表2。

4.2.1 故障1(压气机阻塞)

如图5所示，压气机阻塞这种故障表现出来的就是涡轮增压器低效，直接导致进气效率下降，从而影响柴油机燃烧品质，其经济性和动力性也随之下降，这些变化趋势会因为故障的加重而越来越明显。

图5 压气机阻塞故障热工参数的偏移率曲线

4.2.2 故障2(喷油提前)

图6 喷油提前故障热工参数的偏移率曲线

如图6所示，当喷油时刻提前时，柴油机的机械负荷与热负荷是有所增加的，虽然此时柴油机的功率会有所上升，燃油消耗率下降，使得柴油机的经济性和动力性得到改善，但是会严重影响柴油机的安全性和使用寿命。

4.2.3 故障3(喷油延迟)

如图7所示，当喷油推迟发生时，柴油机的爆发压力与最高燃烧温度都会降低，虽然这样可以使得柴油机的机械负荷与热负荷降低，排放性能也可以得到改善，但是这是以牺牲柴油机的经济性和动力性能为前提条件的。在一定范围内，随着喷油延迟的加重，关键热工参数的偏移趋势也会越来越明显。

图7 喷油延迟故障热工参数的偏移率曲线

4.2.4 故障4(3#汽缸停油)

如图8所示，发生单缸停油故障时会使柴油机的动力性明显下降，如果这个时候负荷依然很高的话，这样就会使得柴油机的其他各缸超负荷运行，进而导致柴油机的其他各缸的机械负荷也会有所增加。这会影响柴油机的使用寿命。

图8 单缸停油故障热工参数的偏移率曲线

4.2.5 故障5(3#汽缸喷油器堵塞)

如图9所示，当汽缸供油不足时，汽缸每循环放热量减少，从而导致汽缸的最高压力和最高温度有明显下降，当柴油机的喷油量逐步地减少时这种现象会更加的显著。从偏移率曲线可以看出，仿真计算的结果与理论分析的结果是相吻合的。

图9 喷油器堵塞故障热工参数的偏移率曲线

5 结束语

本文以MAN B&W L16/24型柴油机为仿真对象，利用AVL-BOOST搭建了该型柴油机数值计算的零维模型。从柴油机的功能及组成这角度分析了柴油机的热工故障，提取了能表现出柴油机热工故障的相关热工参数，通过更改模型的相关参数来模拟这5种较经典的柴油机热工故障，并分析仿真计算结果的正确性，仿真计算的结果与理论分析的结果是相符，该方法可适用于船用中速柴油机热工故障仿真。