船用中速柴油機(jī)熱工故障仿真方法研究

袁 對，王業(yè)秋，唐新飛，楊安聲

(1.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021；2.大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 100097；3.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063)

在現(xiàn)代科技發(fā)展的推動下，船舶柴油機(jī)向著大型、綜合及智能的方向轉(zhuǎn)變，這就使得對其操作和維護(hù)的要求越來越嚴(yán)格。柴油機(jī)在運(yùn)行的過程中，由于船舶柴油機(jī)工作環(huán)境惡劣、負(fù)荷范圍大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素，造成了船舶柴油機(jī)發(fā)生故障時(shí)所表現(xiàn)出來的特征和現(xiàn)象很復(fù)雜，其中比較容易且明顯的表現(xiàn)是熱工參數(shù)的變化，相對其他參數(shù)，熱工參數(shù)在獲取時(shí)也比較容易。熱工參數(shù)能直接反映柴油機(jī)的各個(gè)工作過程的狀態(tài)，可將整個(gè)柴油機(jī)細(xì)分為各個(gè)系統(tǒng)來分別監(jiān)測其壓力和溫度這些狀態(tài)參數(shù)。柴油機(jī)由于故障而表現(xiàn)在熱力過程的各個(gè)子系統(tǒng)熱工參數(shù)值的變化上，從而導(dǎo)致柴油機(jī)的性能指標(biāo)的下降、惡化甚至停機(jī)，通常將這種類型的故障稱之為熱工故障[1]。所以，對柴油機(jī)熱工故障的分析和仿真，以及從熱工過程和數(shù)值等方面來研究其特性是非常必要的。

1 仿真對象介紹及模型標(biāo)定

1.1 仿真對象介紹

本文建模仿真的柴油機(jī)機(jī)型為MAN B&W L16/24型柴油機(jī)，該機(jī)型是高增壓4沖程柴油機(jī)，一般作為大型船舶的輔機(jī)，或者中小型船舶的主機(jī)，由于可燒重油，升功率大，所以一直被廣泛使用。本文采用AVL-BOOST來進(jìn)行柴油機(jī)模型的仿真計(jì)算，該軟件將柴油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化和參數(shù)化，只需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)，選取合適的計(jì)算方法，而不用去考慮繁瑣的微分方程求解過程，從而使研究人員從復(fù)雜的編程工作中解放出來[2-3]。搭建的仿真對象的組態(tài)界面如圖1所示。

圖1 MAN B&W L16/24型柴油機(jī)仿真模型組態(tài)

本次模擬的工作狀況是1 000 r/min，100 %負(fù)荷，主要參數(shù)設(shè)置已由表1列出。

表1 仿真參數(shù)輸入表格

1.2 仿真模型標(biāo)定

從表2計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果的對比中可以看出，計(jì)算出來的結(jié)果與試驗(yàn)測量得到的數(shù)據(jù)是相吻合的。

表2 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對比

2 柴油機(jī)熱工故障的基本類型

柴油機(jī)的熱工故障是一種發(fā)生頻率很高的故障，雖然故障的原因有很多不同樣式，但是其最終的表現(xiàn)都反映在熱力過程的各種參數(shù)發(fā)生異常變化這點(diǎn)上。目前，只是直接對在線監(jiān)測到的各種熱力參數(shù)進(jìn)行簡單的分析與辯識，而沒有對所有信息進(jìn)行整合，這種簡單的分析還是對其故障診斷的最常用的手段[4]。

3種常見的熱工故障類型如下。

1)阻塞。阻塞是一種介質(zhì)在流動的過程中，阻力增加的故障。當(dāng)發(fā)生阻塞時(shí)，系統(tǒng)的某一元件或結(jié)構(gòu)在介質(zhì)傳輸過程中，該元件兩側(cè)或者上下游的壓差都會明顯增大。

2)泄漏。泄漏是介質(zhì)在傳輸中或者熱量在傳遞中質(zhì)量或者熱量流失的故障。在介質(zhì)的傳輸過程中，因?yàn)閭鬏敼艿榔茡p或者是密封裝置損壞等因素會導(dǎo)致質(zhì)量的流失。在傳熱的過程中，因?yàn)榻^熱層的破損或者是密封裝置損壞而導(dǎo)致的熱量漏失，會造成熱量的損失。

3)時(shí)序或相位錯(cuò)誤。因?yàn)闀r(shí)序或相位的錯(cuò)誤而造成的能量轉(zhuǎn)換的失效或低效。

3 柴油機(jī)熱工故障分析

為了更加全面系統(tǒng)的分析柴油機(jī)的熱工故障，接下來從柴油機(jī)功能和組成這2個(gè)方面來分析。

3.1 功能

對于柴油機(jī)而言其功能就是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為曲軸或者所帶負(fù)荷旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，為了保證這一過程穩(wěn)定持久，需要熱動力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)與潤滑系統(tǒng)等子系統(tǒng)之間的配合才能完成。接下來就從這個(gè)角度來分析其熱工故障。

1)熱動力系統(tǒng)。柴油機(jī)工質(zhì)的流動過程如圖2所示，首先進(jìn)氣系統(tǒng)保證工質(zhì)的輸送，然后燃油輸送系統(tǒng)保證燃油由日用柜輸送到高壓油泵，經(jīng)過噴油器按照預(yù)定好的噴油時(shí)刻噴入汽缸燃燒，最后排氣系統(tǒng)保證廢氣在已經(jīng)事先設(shè)定好的時(shí)間從汽缸中被排出，通過后處理裝置排放到環(huán)境中。

圖2 熱力系統(tǒng)的工質(zhì)流程圖

2)冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)。冷卻和潤滑系統(tǒng)是保證柴油機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行的兩大重要保障系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)使得柴油機(jī)的熱負(fù)荷在合理范圍之內(nèi)，潤滑系統(tǒng)是防止柴油機(jī)各個(gè)摩擦副之間出現(xiàn)燒毀和咬死的現(xiàn)象，同時(shí)可以帶走導(dǎo)熱零部件和摩擦所產(chǎn)生的熱量。

3.2 組成

由圖3可以看出，柴油機(jī)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，進(jìn)行建模的時(shí)候需要根據(jù)其原理將其分層?？梢钥闯霾裼蜋C(jī)各個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)系是十分緊密的，往往一個(gè)子系統(tǒng)發(fā)生故障會引起其他幾個(gè)子系統(tǒng)的連鎖反應(yīng)。

圖3 柴油機(jī)的組成

按照各個(gè)子系統(tǒng)分類劃分，常見的柴油機(jī)的熱工故障[5]可以劃分為如表3所示。

表3 柴油機(jī)常見的熱工故障

3.3 特征熱工參數(shù)的選取

上文已將柴油機(jī)分為各個(gè)子系統(tǒng)，按照子系統(tǒng)將熱工參數(shù)提取出來。結(jié)合柴油機(jī)的監(jiān)測和診斷的實(shí)際情況來進(jìn)行分析，圖4列出了柴油機(jī)的基本熱工參數(shù)。

圖4 柴油機(jī)基本熱工參數(shù)

圖4反映工質(zhì)在流動過程和能量轉(zhuǎn)化過程中的各項(xiàng)參數(shù)，以及柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的參數(shù)，表4給出了參數(shù)意義的說明。需要說明，燃油消耗率并不屬于熱工參數(shù)，這里引用主要是方便下文從經(jīng)濟(jì)性的角度分析故障仿真的結(jié)果，并不將其作為熱工故障診斷的參數(shù)。

表4 特征熱工參數(shù)的物理意義

4 常見熱工故障仿真與結(jié)果分析

4.1 常見熱工故障仿真

參數(shù)選擇及設(shè)置如表5所示。

表5 故障仿真方案

本文選取幾個(gè)典型的熱工故障進(jìn)行模擬[6]，挑選的故障主要是渦輪增壓器故障和噴油故障，這兩種情況對于柴油機(jī)性能的影響是最顯著的，而且發(fā)生的概率也最大，具有代表性。這里對每種故障設(shè)置2種不同的故障程度，分別是輕度故障和嚴(yán)重故障。若故障模擬涉及缸內(nèi)參數(shù)，則以3#汽缸為對象。

4.2 熱工故障仿真結(jié)果分析

本文選擇工況為1 000 r/min，100 %負(fù)荷狀態(tài)下，模擬不同熱工故障，關(guān)鍵熱工參數(shù)的偏離情況如下文所示。為了方便對某一參數(shù)的表述，在這里除了最高燃燒壓力、最高燃燒溫度、有效功率、燃油消耗率、平均有效壓力這幾個(gè)參數(shù)與瞬態(tài)無關(guān)外，其他參數(shù)都是具有瞬態(tài)值的，所以其他參數(shù)都選用一個(gè)工作循環(huán)的平均值(穩(wěn)態(tài)值)作為標(biāo)準(zhǔn)。

各個(gè)參數(shù)符號的物理意義請見表2。

4.2.1 故障1(壓氣機(jī)阻塞)

如圖5所示，壓氣機(jī)阻塞這種故障表現(xiàn)出來的就是渦輪增壓器低效，直接導(dǎo)致進(jìn)氣效率下降，從而影響柴油機(jī)燃燒品質(zhì)，其經(jīng)濟(jì)性和動力性也隨之下降，這些變化趨勢會因?yàn)楣收系募又囟絹碓矫黠@。

圖5 壓氣機(jī)阻塞故障熱工參數(shù)的偏移率曲線

4.2.2 故障2(噴油提前)

圖6 噴油提前故障熱工參數(shù)的偏移率曲線

如圖6所示，當(dāng)噴油時(shí)刻提前時(shí)，柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)荷是有所增加的，雖然此時(shí)柴油機(jī)的功率會有所上升，燃油消耗率下降，使得柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性得到改善，但是會嚴(yán)重影響柴油機(jī)的安全性和使用壽命。

4.2.3 故障3(噴油延遲)

如圖7所示，當(dāng)噴油推遲發(fā)生時(shí)，柴油機(jī)的爆發(fā)壓力與最高燃燒溫度都會降低，雖然這樣可以使得柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)荷降低，排放性能也可以得到改善，但是這是以犧牲柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性能為前提條件的。在一定范圍內(nèi)，隨著噴油延遲的加重，關(guān)鍵熱工參數(shù)的偏移趨勢也會越來越明顯。

圖7 噴油延遲故障熱工參數(shù)的偏移率曲線

4.2.4 故障4(3#汽缸停油)

如圖8所示，發(fā)生單缸停油故障時(shí)會使柴油機(jī)的動力性明顯下降，如果這個(gè)時(shí)候負(fù)荷依然很高的話，這樣就會使得柴油機(jī)的其他各缸超負(fù)荷運(yùn)行，進(jìn)而導(dǎo)致柴油機(jī)的其他各缸的機(jī)械負(fù)荷也會有所增加。這會影響柴油機(jī)的使用壽命。

圖8 單缸停油故障熱工參數(shù)的偏移率曲線

4.2.5 故障5(3#汽缸噴油器堵塞)

如圖9所示，當(dāng)汽缸供油不足時(shí)，汽缸每循環(huán)放熱量減少，從而導(dǎo)致汽缸的最高壓力和最高溫度有明顯下降，當(dāng)柴油機(jī)的噴油量逐步地減少時(shí)這種現(xiàn)象會更加的顯著。從偏移率曲線可以看出，仿真計(jì)算的結(jié)果與理論分析的結(jié)果是相吻合的。

圖9 噴油器堵塞故障熱工參數(shù)的偏移率曲線

5 結(jié)束語

本文以MAN B&W L16/24型柴油機(jī)為仿真對象，利用AVL-BOOST搭建了該型柴油機(jī)數(shù)值計(jì)算的零維模型。從柴油機(jī)的功能及組成這角度分析了柴油機(jī)的熱工故障，提取了能表現(xiàn)出柴油機(jī)熱工故障的相關(guān)熱工參數(shù)，通過更改模型的相關(guān)參數(shù)來模擬這5種較經(jīng)典的柴油機(jī)熱工故障，并分析仿真計(jì)算結(jié)果的正確性，仿真計(jì)算的結(jié)果與理論分析的結(jié)果是相符，該方法可適用于船用中速柴油機(jī)熱工故障仿真。