基于GT- Power 的設(shè)備故障模擬及分析

李方玉 汪 翔 趙 舉 張佳妮 胡以懷

(1、上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院,上海200072 2、上海海事大學(xué)商船學(xué)院,上海201306)

憑借其良好的動(dòng)力性、低油耗以及高效率等特點(diǎn),二沖程低速柴油機(jī)廣泛運(yùn)用于船舶[1]。船用柴油機(jī)在工作過程中,由于受到海況、維護(hù)管理、負(fù)荷等外部條件以及設(shè)計(jì)、材料、制造安裝等內(nèi)在因素的影響,船用發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的配合精度、幾何形狀、尺寸精度、表面質(zhì)量以及相互位置等逐漸發(fā)生變化,柴油機(jī)的使用性能和技術(shù)狀態(tài)不斷降低,最終將導(dǎo)致故障的發(fā)生[2]。故障一旦發(fā)生,不僅會(huì)造成柴油機(jī)自身性能的降低,導(dǎo)致整個(gè)船舶推進(jìn)系統(tǒng)性能下降,甚至造成重大安全事故,導(dǎo)致人員傷亡。為此,世界各國(guó)均高度重視船用柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及故障診斷,以提高船舶安全性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)效益[3]。目前,人們對(duì)于船用柴油機(jī)故障的認(rèn)識(shí)主要來自于試驗(yàn)和專家經(jīng)驗(yàn)的積累,以試驗(yàn)的方式對(duì)柴油機(jī)故障進(jìn)行研究不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且具有破壞性,難以大量進(jìn)行,此外專家經(jīng)驗(yàn)往往也存在一定的局限性。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)值計(jì)算方法的快速發(fā)展,數(shù)值模擬技術(shù)運(yùn)用到柴油機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行以及故障模擬與分析等方面,對(duì)于優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)、縮短設(shè)計(jì)周期、降低試驗(yàn)成本以及故障的預(yù)防、診斷與排除起到了重要作用[4]。本文運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)仿真軟件GT-Power 對(duì)大型二沖程柴油機(jī)整機(jī)工作過程進(jìn)行模擬計(jì)算,通過修改柴油機(jī)正常工況下發(fā)動(dòng)機(jī)模型的相應(yīng)輸入?yún)?shù),對(duì)柴油機(jī)的各種性能故障進(jìn)行模擬,得出各個(gè)故障下缸內(nèi)壓力(溫度)、排氣溫度(壓力)的變化情況,為大型船用柴油機(jī)故障診斷與排除提供參考依據(jù)。

1 柴油機(jī)工作過程數(shù)值計(jì)算模型

1.1 基本方程

柴油機(jī)工作過程中缸內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)可由溫度T、質(zhì)量m、壓力P 三個(gè)物理參數(shù)來表示,并遵循能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程和理想氣體狀態(tài)方程。

由熱力學(xué)第一定律可知,氣缸內(nèi)工質(zhì)內(nèi)能變化等于燃料燃燒釋放熱量、進(jìn)氣帶入氣缸熱量、排氣帶走熱量、氣缸與外界交換熱量以及活塞對(duì)外做功,據(jù)此可得氣缸內(nèi)能量守恒方程為：

式中：mc為缸內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量,mi為進(jìn)入缸內(nèi)空氣質(zhì)量,me為流出氣缸氣體質(zhì)量,u 為缸內(nèi)工質(zhì)比內(nèi)能,hi為進(jìn)氣閥處工質(zhì)比焓,QF為燃料燃燒釋放熱量,he為排氣閥處工質(zhì)比焓,P 為缸內(nèi)工質(zhì)壓力,v 為氣缸工作容積,Qw為工質(zhì)與各壁面交換熱量,φ為曲軸轉(zhuǎn)角。

忽略柴油機(jī)氣缸泄漏,缸內(nèi)工質(zhì)滿足以下質(zhì)量守恒方程：

式中：mf為燃料質(zhì)量。

假設(shè)缸內(nèi)工質(zhì)為理想氣體,滿足理想氣體狀態(tài)方程：

式中：R 為氣體常數(shù),T 為缸內(nèi)工質(zhì)溫度。

1.2 柴油機(jī)模型搭建及驗(yàn)證

以船用二沖程電控柴油機(jī)MAN 6S35 ME-B9 為研究對(duì)象,該柴油機(jī)增壓中冷進(jìn)氣,發(fā)火順序?yàn)?-5-3-4-2-6,額定功率為3570kW,額定轉(zhuǎn)速為142r/min,缸徑/行程：350mm/1550mm,噴油時(shí)刻：上止點(diǎn)后2-4°曲軸轉(zhuǎn)角。采用GT-Power 軟件搭建其整機(jī)工作過程一維仿真計(jì)算模型,依據(jù)柴油機(jī)實(shí)機(jī)參數(shù)在GT-Power軟件中建立其一維仿真模型,其中,燃燒采用軟件自帶的預(yù)測(cè)燃燒模型EngCylCombDIJet,燃燒樣板采用diesel2-coombust,熱量傳遞模型采用woschni,噴油器模型選擇InjProfileConn,柴油機(jī)摩擦損失采用Chen-Flynn 關(guān)系式計(jì)算。為保證柴油機(jī)模型的準(zhǔn)確性,利用采集到的原機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù),在25%、50%、75%、100%負(fù)荷下對(duì)模型進(jìn)行校核,通過對(duì)模型參數(shù)的不斷調(diào)整、運(yùn)行計(jì)算以及結(jié)果分析,得出各工況下柴油機(jī)主要參數(shù)的計(jì)算結(jié)果,并將之與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,如表1 所示?？梢?各工況下柴油機(jī)模擬計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)得的主要熱工參數(shù)值相差較小,為后續(xù)柴油機(jī)故障模擬及燃燒狀況分析奠定了基礎(chǔ)。

2 故障參數(shù)設(shè)置

文章以進(jìn)氣壓力1.02bar、進(jìn)氣溫度301K、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速129r/min、單杠循環(huán)噴油量10.58g 為基礎(chǔ)條件進(jìn)行柴油機(jī)故障研究。柴油機(jī)故障類型及故障參數(shù)設(shè)置[5]如表2 所示,其中單缸噴油過早或過晚故障設(shè)置1 號(hào)缸為故障缸。

3 故障模擬計(jì)算及結(jié)果分析

在GT-Power 模型中對(duì)以上故障參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,模擬了中冷器水側(cè)結(jié)垢、中冷器氣側(cè)臟堵、單缸噴油過遲或過早等故障,并對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 中冷器水側(cè)積垢和中冷器氣側(cè)臟堵故障

表1 各工況下主要參數(shù)試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比

表2 柴油機(jī)故障類型及參數(shù)設(shè)置

圖1 位柴油機(jī)中冷器水側(cè)積垢故障下缸內(nèi)壓力和進(jìn)氣溫度變化情況,可以看出,該故障對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)壓力影響較小,缸內(nèi)最高壓力最大變化幅度為0.27%,對(duì)進(jìn)氣溫度影響較大,最大增幅為2.78%。中冷器水側(cè)積垢使進(jìn)氣換熱受阻,柴油機(jī)進(jìn)氣溫度升高,導(dǎo)致進(jìn)入缸內(nèi)的氧氣濃度下降,燃燒品質(zhì)下降,油耗增高,排氣溫度上升。柴油機(jī)中冷器氣側(cè)臟堵故障下缸內(nèi)壓力和排氣溫度變化情況如圖2 所示,該故障下柴油機(jī)缸內(nèi)壓力小幅降低,最高燃燒壓力最大降幅為2.99%,排氣溫度增高,最大增幅為2.61%；并且隨著故障程度的增加,排氣溫度升高幅度加大。這是由于中冷器氣側(cè)臟堵引起進(jìn)氣阻力增加,壓力損失增大,掃氣壓力降低,缸內(nèi)進(jìn)氣流量減少,燃燒惡化,排氣溫度升高,燃燒壓力降低,柴油機(jī)燃油消耗率增大。

圖1 中冷器水側(cè)積垢故障下缸內(nèi)壓力和進(jìn)氣溫度變化圖

圖2 中冷器氣側(cè)污阻故障下缸壓和排氣溫度變化圖

3.2 噴油過早和噴油過遲故障

圖3 為柴油機(jī)單缸噴油過早故障下缸內(nèi)燃燒溫度和排氣壓力變化情況?？梢?噴油過早引起最高燃燒溫度上升,最高燃燒溫度出現(xiàn)時(shí)刻提前,柴油機(jī)排氣壓力降低。這是因?yàn)檫^早噴油使得柴油機(jī)在壓縮階段噴入燃油過多,造成燃燒階段提前,急燃期提前,缸內(nèi)最高燃燒溫度上升,最高燃燒溫度出現(xiàn)的時(shí)刻提前,同時(shí)會(huì)引起最高爆發(fā)壓力大幅增高,柴油機(jī)工作粗暴；此外,噴油過早造成燃燒后燃期縮短,導(dǎo)致排氣壓力和排氣溫度降低。

噴油過遲故障下缸內(nèi)燃燒溫度和排氣溫度變化情況如圖4所示。噴油過遲導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒溫度下降,最高燃燒溫度出現(xiàn)時(shí)刻延后,排氣壓力增高。大型二沖程柴油機(jī)噴油時(shí)刻大多在上止點(diǎn)后,噴油過遲使得膨脹階段早期噴入缸內(nèi)燃油過少,而在膨脹偏后期噴入燃油較多,造成燃燒的急燃期滯后,導(dǎo)致最高燃燒溫度下降并推遲；此外,噴油過遲使得整個(gè)燃燒階段延后,后燃加重,排氣壓力和排氣溫度升高,柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性降低。

圖3 噴油過早故障下缸內(nèi)溫度和排氣壓力變化圖

4 結(jié)論

文章以MAN 6S35 ME-B9 船用二沖程電控柴油機(jī)為研究對(duì)象,搭建其整機(jī)工作過程一維仿真計(jì)算模型,研究了中冷器水側(cè)結(jié)垢、中冷器氣側(cè)臟堵、噴油過早和過遲等故障下柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒狀況,得出結(jié)論如下：

4.1 中冷器水側(cè)結(jié)垢故障對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)壓力影響不大,缸內(nèi)最高壓力最大變化幅度僅為0.27%,但會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣溫度大幅上升,最大增幅為2.78%。中冷器氣道臟堵故障下柴油機(jī)缸壓小幅降低,最高燃燒壓力最大降幅為2.99%,排氣溫度增高,最大增幅為2.61%,并且隨著故障程度增加,排氣溫度升高幅度加大。

4.2 噴油過早故障會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)缸內(nèi)最高燃燒溫度上升,最高燃燒溫度出現(xiàn)時(shí)刻提前,柴油機(jī)排氣壓力降低；噴油過遲故障造成最高燃燒溫度下降,最高燃燒溫度出現(xiàn)時(shí)刻延后,排氣壓力增高。

圖4 噴油過遲故障下缸內(nèi)溫度和排氣壓力變化圖