船用中速柴油机故障建模仿真研究

李军 韩永红

中车资阳机车有限公司发动机事业部调试班 四川资阳 641301

柴油机作为船舶的主要动力装置，其性能的好坏直接影响到船舶航行的安全和效率。对柴油机故障进行精确模拟和仿真，可以了解柴油机在不同故障情况下内部参数的变化。本文根据发动机模拟软体升压和主柴油机台架试验数据，建立了柴油机工作过程数值计算的数学模型，主要内容如下。

（1）采用容积法模型将复杂的柴油机模型简化为几个简单独立的子模块，包括汽缸模型、增压器模型、空冷器模型和进排气模型，最终建立柴油机的整机数学模型[1]。

（2）根据柴油机台架实验数据，进行柴油机工作模型的标定，确保建立的柴油机模型具有较高的仿真精确性。

（3）在75%负荷工况下，基于建立的柴油机模型，对柴油机故障进行仿真，故障类型包括喷油器针阀磨损、堵塞、喷油过早或过迟、油管漏油等。从数值分析的角度解释故障现象，探索柴油机主要性能参数变化的规律，为诊断结果提供依据。

1 柴油机主要参数

采用容积法模型，不用考虑空间上的不均匀性和湍流等细节问题，只需对各个工作过程做宏观上的数学描述，然后求解微分方程即可。本文建模仿真的柴油机为某船用中速柴油机，主要技术参数如表1所示。

表1 某船用中速柴油机主要技术参数

2 模型仿真计算与验证

参数设置。参数设置见表2至表3。燃烧放热规律用Vibe曲线拟合，基本形状与低速柴油机实际发热率曲线相似，通过传热模型中的各参数值来构建柴油机的仿真模型，模拟柴油机工作时缸内的参数变化[2]。

表2 仿真全局参数

表3 汽缸参数

3 故障仿真实例与分析

3.1 喷油器针阀磨损

当喷油器针阀磨损时，缸内燃烧最大温度和最大压力明显升高，故障缸的有效功率增加，这是由于当喷油器针阀磨损时，会造成燃油的滴漏现象，使喷入缸内的燃油增压，故障缸的燃烧最大温度和最大压力升高，做功增加。由于本模型柴油机有16个缸，单缸燃油消耗率增加并不能使总燃油消耗率明显增加，总燃油消耗率轻微增加[3]。

3.2 喷油器喷油过早

当故障发生时，最敏感的热工参数为最大温度和最大压力，这是因为喷油提前，燃烧起始时间也同步提前，使得缸内燃烧开始时活塞仍处于上行状态，活塞上行压缩缸内气体使得缸内最大温度和最大压力升高，但由于缸内燃烧释放的能量有一部分用于克服活塞上行做功，使得燃油消耗率增加，同时缸内最大温度和最大压力还会使缸内机械负荷增加，容易对燃烧室部件造成损害。

3.3 喷油器油嘴堵塞

柴油机燃油杂质过多及燃烧不良时会在燃烧室内部结炭，当结炭发生在喷油器喷嘴上时会造成喷油器喷嘴结炭，使得喷油器喷油减少甚至停止喷油，当喷油器油嘴堵塞时，单缸的最大温度、最大压力及单缸有效功率明显降低，这是由于喷油器油嘴堵塞会使得喷油量减少，喷油持续时间缩短，缸内燃烧释放功降低，缸内最大温度及最大压力明显降低。同时由于喷入的燃油减少，该缸的有效功率明显降低。

4 结语

本文通过建立船用中速柴油机模型，实现柴油机工作过程仿真模拟，并从数目分析角度，探索柴油机主要性能参数变化规律，为故障诊断提供依据。