基于A(yíng)VL BOOST柴油機(jī)故障仿真研究

郭衛(wèi)勇

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050）

柴油機(jī)熱工參數(shù)蘊(yùn)涵著大量的故障信息，具有很大的診斷應(yīng)用價(jià)值。目前人們對(duì)柴油機(jī)熱工參數(shù)與故障之間的關(guān)系主要來(lái)源于試驗(yàn)積累和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，但故障模擬試驗(yàn)耗費(fèi)大，帶有破壞性，不可能大量進(jìn)行；專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)也有一定程度的局限性，如何經(jīng)濟(jì)地獲得準(zhǔn)確的診斷知識(shí)，成為柴油機(jī)智能故障診斷的難題［1］。柴油機(jī)工作過(guò)程的數(shù)值計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生，與傳統(tǒng)的計(jì)算分析方法相比，具有顯著的優(yōu)越性和合理性，它通過(guò)循環(huán)模擬計(jì)算從內(nèi)燃機(jī)各系統(tǒng)的物理模型出發(fā)，用微分方程對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，用電子計(jì)算機(jī)數(shù)值求解微分方程，以求得各參數(shù)的變化規(guī)律。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和柴油機(jī)工作過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算方法的不斷發(fā)展，故障仿真計(jì)算是解決上述難題的有效方法［2］。

1 柴油機(jī)工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模型

1.1 氣缸內(nèi)模型

依據(jù)能量、質(zhì)量守恒原理，采用零維模型計(jì)算系統(tǒng)每一瞬間的熱力參數(shù)。在導(dǎo)出缸內(nèi)過(guò)程計(jì)算的基本微分方程時(shí)，做了如下簡(jiǎn)化假定：

（1）氣缸內(nèi)的工質(zhì)在任何一個(gè)瞬時(shí)都是混合均勻，各處溫度和壓力相同，在進(jìn)氣和掃氣期間或是在燃油噴入缸內(nèi)期間，流入氣缸的空氣與氣缸內(nèi)的殘余廢氣、空氣與燃油完全混合［3］。

（2）燃燒過(guò)程為完全燃燒，將燃燒過(guò)程簡(jiǎn)化為給工質(zhì)的加熱過(guò)程，即工質(zhì)過(guò)量空氣系數(shù)Φα的變化過(guò)程。

（3）工質(zhì)為理想氣體，其比熱、內(nèi)能僅與氣體溫度和氣體成分有關(guān)。

（4）氣體流入或流出氣缸為準(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng)，進(jìn)、出口氣體的動(dòng)能忽略不計(jì)。

式中，dQwz為單位曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)通過(guò)氣缸周壁交換的熱量；dmE、hE為單位曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)通過(guò)排氣閥流出氣缸的氣體質(zhì)量和焓，包括倒灌；dmA、hA為單位曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)通過(guò)進(jìn)氣閥流入氣缸的氣體質(zhì)量和焓，包括倒灌；dmL、hL為單位曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)氣缸內(nèi)泄漏氣體的總質(zhì)量和相應(yīng)氣體的焓；dmf為氣缸中的已燃燃油質(zhì)量，包括殘余廢氣量折算的燃油量。

1.2 曲軸箱竄氣模型

曲軸箱竄氣嚴(yán)重影響壓縮比和燃燒爆發(fā)壓力。本文設(shè)置兩個(gè)竄氣故障點(diǎn)，分別仿真不同竄氣嚴(yán)重程度下的柴油機(jī)故障。在現(xiàn)有的條件下模型的建立是通過(guò)活塞環(huán)和氣缸套壁面間隙的假定來(lái)完成的。等效竄氣面積：

其中即為活塞環(huán)和氣缸套壁面等效間隙。

1.3 排氣系統(tǒng)模型

根據(jù)實(shí)際需要，排氣系統(tǒng)的熱力過(guò)程計(jì)算采用容積法，即將排氣系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)容器，它包括氣缸蓋排氣道、排氣支管、排氣總管和廢氣渦輪進(jìn)氣渦殼等容積。將渦輪、凈化器、消聲器等簡(jiǎn)化為節(jié)流閥，忽略壓力波的傳播和反射現(xiàn)象，只考慮狀態(tài)參數(shù)隨時(shí)間的變化，考慮到故障的影響建立了排氣系統(tǒng)模型。

式中，dmLB、hLB為單位曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)由排氣系統(tǒng)泄漏的氣體的總質(zhì)量和焓，dmT、hT為單位曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)流入渦輪的廢氣質(zhì)量和焓，dQWB為單位曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)排氣系統(tǒng)的散熱量。

1.4 進(jìn)氣系統(tǒng)模型

由于考慮到泄漏等柴油機(jī)故障的影響，進(jìn)氣管的氣體狀態(tài)不能簡(jiǎn)化為定壓、定溫處理，進(jìn)氣系統(tǒng)模型類(lèi)似排氣系統(tǒng)采用零維模型來(lái)處理，將空氣冷卻器簡(jiǎn)化成一個(gè)節(jié)流散熱元件。

1.5 燃油的供給和噴射

燃油供給和噴射系統(tǒng)一直是柴油機(jī)研究領(lǐng)域的主要方向，因?yàn)樗遣裼蜋C(jī)工作性能的重要影響因素。本文采用一個(gè)簡(jiǎn)單的模型對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，在這個(gè)模型中要考慮如下的容積因素：高壓泵腔、輸送閥腔、輸送管和噴油器。燃油的可壓縮性按如下公式定義：

每一個(gè)控制容積的仿真除了燃油的可壓縮性，還要考慮進(jìn)口和出口容積的流量，按如下公式計(jì)算：

其中對(duì)應(yīng)于各種容積。輸送閥用一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的模型來(lái)簡(jiǎn)化，但這個(gè)模型可以相對(duì)精確地預(yù)測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。它被簡(jiǎn)化成一個(gè)單向閥，只允許燃油從輸送閥腔流入輸送管，而不允許反向流動(dòng)。同樣，噴油器也被簡(jiǎn)化成單向閥，當(dāng)氣缸壓力超過(guò)針閥的開(kāi)啟壓力時(shí)燃油噴入氣缸內(nèi)。

1.6 渦輪增壓器模型

對(duì)廢氣起渦輪增壓器內(nèi)的熱力過(guò)程進(jìn)行建模，其理論依據(jù)仍然是熱力學(xué)第一定律和質(zhì)量守恒定律。對(duì)廢氣渦輪增壓器熱力過(guò)程模擬時(shí)，應(yīng)該滿(mǎn)足下列平衡條件：

（1）渦輪機(jī)與壓氣機(jī)功率平衡；

（2）渦輪機(jī)與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速相等，并且在一個(gè)循環(huán)內(nèi)認(rèn)為轉(zhuǎn)速是恒定的；

（3）通過(guò)渦輪的廢氣流量應(yīng)等于通過(guò)壓氣機(jī)的空氣流量與循環(huán)噴油量之和；

渦輪增壓器的壓比方程可用下式表達(dá)：

空氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后，溫度由升到，在假定比熱不變的前提下，這個(gè)溫升可用下式表達(dá)：

式中，τK——計(jì)及到向外界傳熱的冷卻系數(shù)，在設(shè)計(jì)渦輪增壓器時(shí)，可在1.04～1.1之間取值；ηKS＝0.75～0.85。

1.7 空冷器模型

空冷器的建模相對(duì)渦輪增壓器簡(jiǎn)單得多。空冷器壓力損失和效率都是以其質(zhì)量流率為變量得到函數(shù)如下：

其中效率得定義如下：

式中a：空氣，c：冷卻介質(zhì)，in：入口，out：出口。

1.8 排氣管模型

渦輪排氣背壓的表述類(lèi)似于中冷器的壓力損失。

其中可以由以前檢測(cè)的排氣背壓值估算。

2 AVL BOOST軟件簡(jiǎn)介及系統(tǒng)建模

2.1 AVL BOOST軟件簡(jiǎn)介

AVL BOOST軟件是奧地利AVL公司開(kāi)發(fā)的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行整機(jī)或零部件模擬計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)模擬計(jì)算程序?？梢阅M包括燃燒在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)所有循環(huán)和進(jìn)排氣系統(tǒng)的特性。它可應(yīng)用于各種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，氣門(mén)正時(shí)的優(yōu)化，增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，各零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能的評(píng)價(jià)等。

該軟件可以應(yīng)用在下列范圍：

（1）各種發(fā)動(dòng)機(jī)草案的對(duì)比

（2）在不損害功率輸出，扭矩和燃油消耗的情況下優(yōu)化組件的幾何形狀，例如進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)，以及氣門(mén)尺寸等。

（3）優(yōu)化氣門(mén)正時(shí)和凸輪型線(xiàn)

（4）增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（5）聲學(xué)

（6）發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能的評(píng)價(jià)（加速／加載，減速／卸載）

2.2 系統(tǒng)建模

針對(duì)所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行觀(guān)察和測(cè)量，收集數(shù)據(jù)和資料。實(shí)際復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)分解成若干個(gè)容易處理的子系統(tǒng)，并運(yùn)用AVL BOOST提供的模塊建立相應(yīng)的物理模型。根據(jù)熱力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)等方面的知識(shí)，將簡(jiǎn)單的物理模型進(jìn)行定量的數(shù)學(xué)描述，將收集的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)和資料輸入到相應(yīng)的模塊中去，即建立數(shù)學(xué)模型。利用已建立的初步模型進(jìn)行模擬計(jì)算，求出該模型所包含的全部物理參量，并通過(guò)試驗(yàn)所測(cè)值進(jìn)一步修改模型，最后達(dá)到實(shí)用。

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)和L16／24柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)建立了如圖1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)模擬計(jì)算的模型。

SB1、SB2、SB3為系統(tǒng)邊界；MP1～MP32為測(cè)點(diǎn)；C1～C6為氣缸；1～23為管道連接；

圖1 L16／24柴油機(jī)的AVL BOOST仿真模型

J1～J6為管接頭；PL1為進(jìn)氣管道；CO1是空氣冷卻器；TC1為渦輪增壓器；

模型建立以后，關(guān)鍵的就是選擇模型的邊界條件，因?yàn)檫x取合理的初始值可以對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行更準(zhǔn)確的模擬。下面是需要確定的初始值：

（1）邊界條件，如：環(huán)境溫度、壓力、流量系數(shù)、燃?xì)鉄嶂?、空燃比等?/p>

（2）氣缸參數(shù)，如：缸徑、行程、連桿長(zhǎng)度、點(diǎn)火順序、進(jìn)排氣門(mén)（道）參數(shù)及燃燒和放熱模型等；

（3）參數(shù)估算：對(duì)排氣壓力、溫度和平均機(jī)械損失壓力等參數(shù)進(jìn)行了必要的估算。

3 仿真模型對(duì)柴油機(jī)正常工況下的仿真性能分析

根據(jù)上述模型對(duì)L16／24柴油機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，主要參數(shù)的仿真結(jié)果如表1所述。由對(duì)比關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)仿真模型與柴油機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果非常相近，誤差保持在1%的范圍內(nèi)，從而確認(rèn)這個(gè)模型的準(zhǔn)確性，這是進(jìn)行故障仿真的前提仿真所得各缸的氣缸壓力如圖2。

表1 正常工況下的柴油機(jī)仿真性能與實(shí)際值的對(duì)比關(guān)系

4 柴油機(jī)故障模式下的性能分析

由于無(wú)法對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)速下的柴油機(jī)相同故障進(jìn)行全方位的動(dòng)態(tài)仿真，所以本仿真模型僅在氣缸的參數(shù)一致的全負(fù)荷工況下對(duì)柴油機(jī)不同的故障下的運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行仿真。故障點(diǎn)的設(shè)定如表2所示，每個(gè)故障僅取兩個(gè)故障值。本文重點(diǎn)對(duì)進(jìn)排氣系統(tǒng)故障進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果如表2所示。

圖2 仿真氣缸壓力

表2 故障的設(shè)定

4.1 渦輪增壓器故障

增壓器總效率的惡化可能由壓氣機(jī)效率渦輪效率或其機(jī)械效率下降引起（＝）。壓氣機(jī)葉輪和擴(kuò)壓器葉片污垢堆積會(huì)改變壓氣機(jī)特性曲線(xiàn)的位置，同時(shí)使其效率惡化。但壓氣機(jī)特性線(xiàn)位置的改變無(wú)法定量預(yù)測(cè)，而效率的下降可用一些修正系數(shù)來(lái)模擬。隨或下降，由于渦輪實(shí)際發(fā)出功率減小或壓氣機(jī)實(shí)際耗功增大，使壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速下降，壓比下降，流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)流量減小。同時(shí)，排氣溫度升高，柴油機(jī)耗油率增大見(jiàn)圖3。

特別地，當(dāng)增壓器故障嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致進(jìn)氣流量迅速減小，在葉片擴(kuò)壓器內(nèi)和工作輪進(jìn)口處氣流與壁面分離引起壓氣機(jī)喘振，使得氣流出現(xiàn)劇烈振蕩，壓氣機(jī)的出口壓力顯著降低，并伴隨很大的壓力波動(dòng)，如下圖4所示。

圖3 渦輪增壓器故障下的性能預(yù)測(cè)

圖4 壓氣機(jī)喘振壓力波動(dòng)

4.2 中冷器效率故障

中冷器的效率計(jì)算公式為：

a：空氣，c：冷卻介質(zhì)，in：入口，out：出口。

中冷器效率惡化，除了受自身性能的影響還要受到壓氣機(jī)出口溫度和冷卻介質(zhì)的影響（如海水溫度升高）。中冷器冷卻能力下降時(shí)，氣缸進(jìn)氣溫度明顯升高，柴油機(jī)排氣溫度升高，輸出功率下降，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速升高，壓比升高，流量增大，配合運(yùn)行曲線(xiàn)移向高處，喘振裕量有所減小，同時(shí)柴油機(jī)耗油率升高工如圖5所示。

圖5 中冷器效率故障下的性能預(yù)測(cè)

4.3 中冷器氣側(cè)污阻

空冷器氣側(cè)污阻，一方面使氣側(cè)的壓損增大，另一方面使傳熱惡化。氣側(cè)污阻使氣流阻力增大，壓損系數(shù)減小。氣側(cè)壓損增大使掃氣壓力下降，流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)流量減小，配合運(yùn)行線(xiàn)左移，喘振裕量有較大減小。同時(shí)渦輪進(jìn)口廢氣溫度升高，輸出功率下降，渦輪發(fā)出的功率下降，柴油機(jī)耗油率增大，見(jiàn)圖6。

圖6 中冷器氣側(cè)污阻故障下的性能預(yù)測(cè)

4.4 排氣歧管污堵

低速柴油機(jī)的排氣口或排氣歧管堵塞，使流通有效面積減小。流道堵塞使流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的流量有所減?。▔簹鈾C(jī)出口壓力不一定減小，高負(fù)荷甚至可能升高），配合運(yùn)行線(xiàn)左移，喘振裕量有較大減小。同時(shí)渦輪進(jìn)口廢氣溫度明顯升高，柴油機(jī)油耗略有增大，輸出功率減小，見(jiàn)圖7所示。

圖7 排氣歧管污堵故障下的性能預(yù)測(cè)

4.5 渦輪排氣總管污堵

同排氣歧管污堵一樣，渦輪排氣總管的堵塞，也使有效流通面積減小，流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的流量有所減少，配合運(yùn)行線(xiàn)左移，喘振裕量有所減小。同時(shí)渦輪進(jìn)口廢氣溫度明顯升高，柴油機(jī)油耗略有增大，輸出功率減小。同時(shí)進(jìn)氣和排氣壓力也有較明顯的下降趨勢(shì)，見(jiàn)圖8所示。

圖8 渦輪排氣總管故障下的性能預(yù)測(cè)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用AVL BOOST軟件對(duì)L16／24柴油機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行仿真，利用柴油機(jī)工作時(shí)熱力參數(shù)的變化來(lái)判斷其工作狀態(tài)，這些參數(shù)包括氣缸壓力示功圖、排氣溫度、轉(zhuǎn)速、渦輪進(jìn)出口氣體溫度、空冷器進(jìn)出口溫度及壓力等。熱力參數(shù)分析法著重對(duì)柴油機(jī)性能好壞作出判斷，在這些參數(shù)中，示功圖包含的信息量最多，根據(jù)示功圖可以計(jì)算指示功、壓力升高率和壓縮壓力，可以判斷燃燒質(zhì)量的好壞等。通過(guò)這個(gè)模型可以對(duì)一系列的故障進(jìn)行仿真，從仿真結(jié)果中預(yù)測(cè)柴油機(jī)在故障下的性能參數(shù)的變化規(guī)律。

1 趙同賓.柴油機(jī)熱工故障仿真研究［D］論文）.武漢理工大學(xué)，2002

2 張明書(shū).羅海寧 ？郝彬.12PA6V柴油機(jī)熱工故障仿真系統(tǒng)研究［J］.農(nóng)機(jī)使用與維修，2007（6）

3 孟威，船舶柴油主機(jī)數(shù)學(xué)建模及電站仿真儀表的研究［D］論文），大連海事大學(xué)，2009

4 趙同賓，高孝洪.基于熱力參數(shù)分析的柴油機(jī)缺點(diǎn)仿真研討［J］.柴油機(jī)，2005年增刊

5 顧宏中.渦輪增壓柴油機(jī)熱力進(jìn)程模擬計(jì)算［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1983.