船舶柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)故障仿真軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306）

0 引言

如今，船舶的智能化正向更科學(xué)、更安全的方向發(fā)展[1]。近年來(lái)，對(duì)船舶管理人員能力的高度重視，使得計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在船舶智能化方向的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)通過(guò)數(shù)學(xué)模型的建立、仿真模型的建立和調(diào)試、運(yùn)行結(jié)果的分析等實(shí)現(xiàn)。

通常，船舶柴油機(jī)故障仿真軟件具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）不僅可以實(shí)現(xiàn)輪機(jī)數(shù)據(jù)資料的監(jiān)測(cè)、處理和報(bào)警，而且減輕了船舶管理人員的負(fù)擔(dān)[2]；2）由于輪機(jī)模擬器組成與實(shí)船相似，所以其可實(shí)時(shí)觀測(cè)進(jìn)排氣系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)等運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而檢查出船舶在運(yùn)行過(guò)程中所出現(xiàn)的故障并診斷解除；3）實(shí)船由于各種原因和條件限制無(wú)法實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)和試航，對(duì)于這類特殊的故障問(wèn)題，可以進(jìn)行故障的提前設(shè)置，例如排氣溫度異常升高、渦輪增壓器轉(zhuǎn)速異常等，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)進(jìn)行反復(fù)的模擬操作，其運(yùn)行后的結(jié)果可以利用計(jì)算機(jī)圖形模擬處理清晰地顯示出來(lái)；4）可實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)預(yù)報(bào)警，預(yù)測(cè)故障，查找原因，提高機(jī)械設(shè)備的可靠性，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命；5）可降低船舶管理人員培訓(xùn)費(fèi)用。

1 故障模擬的原理

船舶柴油機(jī)的故障是具有拓展性和傳播性的，某一系統(tǒng)產(chǎn)生的故障會(huì)延伸至其他系統(tǒng)，對(duì)其他系統(tǒng)產(chǎn)生影響[3]。故障模擬原理的基礎(chǔ)是計(jì)算數(shù)學(xué)模型，即改變模型本身或改變已知參數(shù)，通過(guò)在原有模型的基礎(chǔ)上附加參數(shù)，假定在正常運(yùn)行狀況下的參數(shù)為1，發(fā)生故障時(shí)，取不等于1的參數(shù)值來(lái)改變?cè)械臄?shù)學(xué)模型；或者，把某些故障以符合實(shí)際變化的函數(shù)來(lái)表示并附加到原有的數(shù)學(xué)模型中，構(gòu)成新的數(shù)學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 故障源與故障現(xiàn)象

2 建立進(jìn)排氣系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)庫(kù)

船舶柴油機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)是與滑油系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)同等重要的系統(tǒng)，主要檢測(cè)對(duì)象的性能參數(shù)[4]。

柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力過(guò)低，導(dǎo)致的故障狀態(tài)是進(jìn)氣量不足、燃燒不充分、燃油燃燒點(diǎn)滯后、活塞的膨脹行程變長(zhǎng)、柴油機(jī)輸出功率明顯下降、排氣冒黑煙、排氣溫度升高、燃燒室內(nèi)部的積碳?xì)堅(jiān)^(guò)多、排氣閥件磨損、油量消耗增加；柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力過(guò)高，導(dǎo)致的故障狀態(tài)是進(jìn)氣量過(guò)多、燃燒不良、燃油燃燒點(diǎn)提前、活塞的膨脹行程變短、排氣冒白煙、排氣溫度降低；柴油機(jī)的進(jìn)氣溫度過(guò)高，導(dǎo)致的故障狀態(tài)是燃油燃燒不充分、活塞的壓縮行程變長(zhǎng)、燃油燃燒點(diǎn)滯后、柴油機(jī)輸出功率明顯下降、發(fā)生后燃現(xiàn)象、燃燒室部件燒損等；柴油機(jī)的排氣溫度過(guò)高，導(dǎo)致的故障狀態(tài)是排氣總管的熱負(fù)荷增加、渦輪增壓器的廢氣端沖擊增加，導(dǎo)致增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)壽命降低、燃燒不充分、雜質(zhì)過(guò)多、廢氣端出現(xiàn)臟污；柴油機(jī)的排氣壓力過(guò)高，導(dǎo)致的故障狀態(tài)是渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速過(guò)高、壓氣端機(jī)械負(fù)荷增大、廢氣端沖擊增大，從而造成增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)壽命降低，壓氣端的進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣壓力明顯升高。

3 仿真功能與軟件設(shè)計(jì)

3.1 柴油機(jī)基本參數(shù)

本文選取MTU 20V956TB92型船舶柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)動(dòng)機(jī)主要由進(jìn)排氣凸輪及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、空氣過(guò)濾器、海水空冷器、緊急切斷氣源閥、廢氣渦輪增壓器、增壓空氣預(yù)熱器、配氣機(jī)構(gòu)等部件組成，發(fā)動(dòng)機(jī)部分參數(shù)如表1所示，廢氣渦輪增壓器技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表1 MTU 20V956TB92型船舶柴油機(jī)部分參數(shù)

表2 廢氣渦輪增壓器技術(shù)參數(shù)

采用Visual Studio作為開發(fā)工具，.NET 4.5作為程序的開發(fā)平臺(tái)，選用 C#作為開發(fā)語(yǔ)言，Windows7為操作系統(tǒng)。采用CoreIDRAW對(duì)船舶柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)中的部件進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和部件外形等原則，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）廢氣渦輪增壓器吸入燃燒空氣，空氣被壓縮后經(jīng)增壓空氣冷卻器和緊急空氣關(guān)閉閥送入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，緊急空氣關(guān)閉閥裝在連接箱上，在緊急情況下，該閥可隔絕空氣進(jìn)入氣缸，實(shí)現(xiàn)緊急停車；

2）仿真柴油機(jī)的進(jìn)氣過(guò)程，渦輪增壓機(jī)從進(jìn)氣過(guò)濾器處吸氣，進(jìn)氣被壓縮后，流入海水中冷器進(jìn)行冷卻，經(jīng)緊急切斷空氣閥后進(jìn)入進(jìn)氣總管，各缸的進(jìn)氣閥在配氣凸輪的驅(qū)動(dòng)下完成進(jìn)氣沖程；

3）仿真柴油機(jī)的排氣過(guò)程，柴油機(jī)的排氣是通過(guò)彎管流入恒壓排氣室恒壓流道，恒壓排氣室內(nèi)的排氣通過(guò)排氣流量控制閥引入渦輪機(jī)做功，從渦輪機(jī)中流出最后廢氣匯入排氣總管經(jīng)排氣消音器排入大氣。

3.2 故障注入

可模擬的故障包括增壓器喘振、增壓空氣濾器臟污、增壓器噴嘴結(jié)碳、增壓空氣溫度過(guò)高、增壓空氣壓力過(guò)低、排氣溫度高、排溫偏差高、排煙顏色異常、進(jìn)排氣漏氣、進(jìn)排氣門咬死等。

3.3 控件的設(shè)計(jì)

1）Button控件：Button控件是由System.Windows.Form.Button類提供的，該控件最常用就是編寫處理按鈕的Click事件代碼，在該系統(tǒng)中，Button包括緊急空氣關(guān)閉閥按鈕和返回主菜單按鈕等；

2）PictureBox控件：PictureBox控件是由System.Windows.Form.PictureBox類提供的，該控件作用為顯示圖片內(nèi)容，在該系統(tǒng)中，PictureBox控件包括主機(jī)圖形、增壓器圖形、電動(dòng)機(jī)圖形、冷卻器圖形、輔助鼓風(fēng)機(jī)圖形、空氣濾器圖形、緊急空氣關(guān)閉閥圖形和電磁閥圖形等；

3）Label控件：Label控件是由 System.Windows.Form.Label類提供的，用來(lái)提供其他控件的描述文字，在該系統(tǒng)中，Label控件包括各種文字說(shuō)明；

4）oilTank控件：oilTank控件是柱狀顯示控件，在該系統(tǒng)中，oilTank控件可顯示主機(jī)排溫變化。

3.4 FORM設(shè)計(jì)

進(jìn)排氣系統(tǒng)界面包括兩個(gè) FORM，一個(gè)是進(jìn)氣系統(tǒng)，一個(gè)是排氣系統(tǒng)。進(jìn)、排氣系統(tǒng)背景顏色均為DarkGray，窗體界面控件的尺寸均為1 680×1 050。

3.5 仿真功能設(shè)計(jì)說(shuō)明

進(jìn)排氣系統(tǒng)是在主機(jī)開啟后（包括壓縮空氣系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)等），顯示主機(jī)排溫?cái)?shù)據(jù)和增壓器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并將平均排溫和各缸排溫做比較顯示在排氣系統(tǒng)界面。仿真功能的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。

圖2 仿真功能的數(shù)據(jù)傳輸流程

3.6 信息交互接口設(shè)計(jì)

信息交互與仿真是使得仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)具有相似特性的關(guān)鍵之處。進(jìn)排氣系統(tǒng)與主機(jī)模型系統(tǒng)、缸內(nèi)燃燒系統(tǒng)和機(jī)旁操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸使得整個(gè)仿真系統(tǒng)的邏輯與實(shí)際系統(tǒng)基本相同，因此在故障發(fā)生時(shí)，相關(guān)系統(tǒng)也會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的故障。在故障診斷系統(tǒng)中，只需設(shè)置相關(guān)故障，改變相關(guān)系統(tǒng)正常運(yùn)行參數(shù)，就可以直接通過(guò)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到各個(gè)系統(tǒng)之間的故障連鎖。同時(shí)將故障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至故障診斷系統(tǒng)界面，描述故障的可能原因，為進(jìn)一步排除故障做好準(zhǔn)備。進(jìn)排氣系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的信息交互示意圖如圖3所示。

故障診斷系統(tǒng)與進(jìn)排氣系統(tǒng)的信息交互主要是故障診斷系統(tǒng)給進(jìn)排氣系統(tǒng)的故障信號(hào)，進(jìn)排氣系統(tǒng)將改變對(duì)應(yīng)變量的取值范圍，使得相應(yīng)的變量能夠超出正常運(yùn)行取值范圍，同時(shí)再將這些超出范圍的數(shù)據(jù)傳輸給故障診斷系統(tǒng)。進(jìn)排氣系統(tǒng)在超出其正常值的范圍下運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生不正常數(shù)據(jù)信號(hào)，異常信號(hào)傳輸?shù)焦收显\斷系統(tǒng)，其他變量或邏輯也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變，從而仿真出故障時(shí)候的現(xiàn)象。

圖3 進(jìn)排氣系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的信息交互

進(jìn)排氣系統(tǒng)中的排氣系統(tǒng)和主機(jī)模型有信息交互。在冷卻水系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)或缸內(nèi)燃燒系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，上述系統(tǒng)會(huì)向主機(jī)模型傳輸信息，主機(jī)模型接收到故障信息會(huì)產(chǎn)生一系列的反饋，導(dǎo)致柴油機(jī)排氣溫度發(fā)生波動(dòng)，體現(xiàn)在排氣溫度的數(shù)據(jù)傳輸上，再反饋到主機(jī)模型。由于主機(jī)模型有對(duì)排氣溫度的數(shù)據(jù)獲取，在超過(guò)規(guī)定溫度后，主機(jī)模型將自動(dòng)降速運(yùn)行。如無(wú)法排除故障，主機(jī)最終將停車。

4 結(jié)論

總結(jié)分析了船舶柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)，并通過(guò)C#語(yǔ)言完成了對(duì)MTU 20V956TB92型船舶柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以仿真軟件擺脫了對(duì)于實(shí)物的依賴，該故障仿真軟件的結(jié)果同實(shí)船的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合，對(duì)于船舶管理人員的培訓(xùn)具有實(shí)用價(jià)值，滿足了船員培訓(xùn)的需求，應(yīng)用前景十分廣闊。

[1] 翁澤民, 黃加亮, 黃少竹.船舶柴油機(jī)故障診斷仿真系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真, 2000, 17(6)： 48-50.

[2] 黃加亮, 蔡振雄, 張均東.船舶柴油機(jī)智能故障診斷仿真方法的研究[J].航海技術(shù), 2001(3)： 37-39.

[3] 徐恒達(dá).船舶柴油機(jī)故障分析診斷系統(tǒng)[D].遼寧大連： 大連理工大學(xué), 2015.

[4] 申小明.船舶柴油機(jī)渦輪增壓器配合及計(jì)算機(jī)仿真研究[D].武漢： 武漢理工大學(xué), 2008.