基于故障分析的船用柴油機(jī)工作性能節(jié)油仿真研究

高麗宏

摘要：本文研究對象是湛港消拖601的主機(jī)，利用AVL BOOST軟件，建立了新泄6MG（L）26HLX型四沖程船用中速柴油機(jī)工作過程一維仿真的數(shù)學(xué)模型，模擬噴油提前角改變和增壓器效率變化對柴油機(jī)工作性能的影響。結(jié)果表明：通過對實(shí)驗(yàn)測量柴油機(jī)性能參數(shù)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對，模擬仿真計(jì)算的結(jié)果是可靠的，當(dāng)噴油提前角和增壓器效率偏離額定值時(shí)，柴油機(jī)的油耗率會(huì)有明顯的下降。

Abstract： The main engine of Zhan-Jiang port "Xiaotuo601" was studied in this paper. ?AVL-BOOST is used to establish a working model of XinXie 6MG（L）26HLX diesel engine. The working conditions of the diesel engine at different injection timing and turbocharger efficiency was simulated. The result shows the result of the simulation was reliable in comparison with the result of the test. The injection timing and the turbocharger efficiency changed away from the rated one， the fuel oil consumption rate decreased obviously.

關(guān)鍵詞：拖輪;仿真模擬;油耗

Key words： tug;simulation;fuel oil consumption

0 ?引言

船舶柴油機(jī)的工作過程是極其復(fù)雜的，其中涉及大量的物理化學(xué)反應(yīng)、熱傳導(dǎo)和氣體流動(dòng)等能量轉(zhuǎn)化過程。對于實(shí)船使用的柴油機(jī)可以采用實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行研究，通過航行試驗(yàn)和系泊試驗(yàn)等，研究不同工作條件下柴油機(jī)的工作特性，但這種方法耗時(shí)長，成本高，且在實(shí)驗(yàn)過程中要對柴油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，加裝一些必要的傳感器等，難度大[1]。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件的發(fā)展，還可以采用合適的軟件對船舶柴油機(jī)進(jìn)行建模仿真。根據(jù)港作拖輪作業(yè)的實(shí)際情況，對模型進(jìn)行了驗(yàn)證和調(diào)試，最終得到精確度符合要求的柴油機(jī)仿真模型。然后再以這個(gè)模型為基礎(chǔ)，對影響柴油機(jī)油耗的常見原因進(jìn)行仿真計(jì)算，得出主機(jī)操縱維護(hù)管理與主機(jī)油耗的量化關(guān)系，最后與實(shí)船操縱獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比[2]。

本文基于AVL boost軟件對新泄6MG（L）26HLX型四沖程船用中速柴油機(jī)進(jìn)行仿真研究，確立燃燒過程一維整機(jī)模型和缸內(nèi)燃燒高壓循環(huán)模型，綜合考慮柴油機(jī)日常使用過程中常遇到的故障、以及維護(hù)保養(yǎng)要點(diǎn)，模擬研究柴油工作特性的變化，并給出同時(shí)提高柴油機(jī)動(dòng)力性能達(dá)到節(jié)省油耗和減少排放的最優(yōu)方法。

1 ?柴油機(jī)工作過程的數(shù)學(xué)模型

1.1 氣缸內(nèi)能量守恒

通過變換后的熱力學(xué)第一定律可以計(jì)算內(nèi)燃機(jī)高壓循環(huán)，活塞做功、燃油燃燒釋放的熱量、傳熱中的熱損失等的代數(shù)和即是氣缸內(nèi)工質(zhì)內(nèi)能改變量，公式表達(dá)如下：

2 ?仿真對象模型建立

新泄6MG（L）26HLX型船用柴油機(jī)是豎式單排直接噴射式四沖程船用中速柴油機(jī)、采用廢氣渦輪脈沖增壓。柴油機(jī)主要參數(shù)為6缸、缸徑260mm、沖程350mm，壓縮比為13，氣缸內(nèi)最高壓力為14.71MPa，發(fā)火順序?yàn)?-3-5-6-4-2。利用AVL BOOST軟件，以新泄6MG（L）26HLX型建立柴油機(jī)整機(jī)模型，仿真模型的流程圖示如圖1。

圖2 為新紲6MG（L）26HLX柴油機(jī)整機(jī)模型。這個(gè)柴油機(jī)模型包含了兩個(gè)系統(tǒng)邊界，SB1和SB2;一個(gè)渦輪增壓器TC1;一個(gè)空冷器CO1;一個(gè)掃氣箱PL1;六個(gè)氣缸C1～C6;一個(gè)排氣集管PL2;1～15是氣體管路;MP1～MP21是測量點(diǎn)。模型采用的是脈沖增壓系統(tǒng)，C1、C2、C3和C4、C5和C6排氣歧管交匯并分別連接到增壓器TC1的兩個(gè)進(jìn)口，而進(jìn)氣端由一根進(jìn)氣總管PL1、PL2與氣缸相連。

氣缸元件中的參數(shù)設(shè)置是整個(gè)模型建立的關(guān)鍵，主要參數(shù)有：缸徑、沖程等尺寸參數(shù)、活塞運(yùn)動(dòng)參數(shù)、燃燒和熱傳遞相關(guān)設(shè)置、排氣閥和掃氣口相關(guān)設(shè)置等。其中，氣缸的基本尺寸參數(shù)可以依據(jù)說明書確定?；钊倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律可以通過連桿長度和活塞行程等參數(shù)計(jì)算得出，圖3示出了活塞運(yùn)動(dòng)模型和運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，通過改變曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度記錄下活塞的位移得出活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3 ?柴油機(jī)常見故障模擬仿真與性能優(yōu)化

3.1 模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，對比實(shí)船測量柴油機(jī)性能參數(shù)與模擬仿真結(jié)果，如表1所示，可以看出性能參數(shù)的相對誤差5%之內(nèi)，因此，可以認(rèn)為基于AV boost的建模是準(zhǔn)確的。

式中：ge為有效燃油消耗率（kg/kW·h）;Ne為有效效率（kW）;i為氣缸數(shù)量;ξ為每轉(zhuǎn)的工作行程數(shù)量;兩臺主機(jī)，每臺主機(jī)功率為2206kW，主機(jī)轉(zhuǎn)速800r/min;

圖4給出了有效燃油消耗率實(shí)驗(yàn)值與仿真值的對比，可以看出，隨著柴油機(jī)負(fù)荷的增加仿真值與實(shí)測值先增大后減小，最后差值趨于不變，相同負(fù)荷條件下，最大誤差在5%以內(nèi)。這進(jìn)一步說明使用該模型對柴油機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算結(jié)果是可信的。

3.2 噴油提前角對柴油機(jī)性能的影響

船用柴油機(jī)采用壓縮發(fā)火，點(diǎn)燃噴入氣缸中的燃油，燃油在氣缸中的燃燒分為滯燃期、速燃期、緩燃期和后燃期四個(gè)過程。一般希望燃油能夠在速燃期完全燃燒，后燃期越短越好。燃油噴入氣缸到開始燃燒的時(shí)間間隔定義為滯燃期，滯燃期的長短直接影響到柴油機(jī)的做功能力和后燃期的長短。滯燃期是由噴油提前角決定的，噴油提前角過小，后燃嚴(yán)重，噴油提前角過大，燃燒粗暴，因此，只有供油提前角最佳時(shí)，柴油機(jī)才能發(fā)揮最好的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性?；贏V boost模型，模擬了不同噴油提前角條件下柴油機(jī)工作性能參數(shù)如表2所示。

為了便于比較，把不同噴油提前角下模擬的柴油機(jī)性能參數(shù)與正常工況下進(jìn)行比較，得到柴油機(jī)性能參數(shù)變化的百分比。如圖5所示，由圖5可知，隨著噴油提前角的不斷變大，柴油機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)發(fā)生了很大變化。隨著噴油提前角減小，燃油燃燒滯燃期減小，柴油機(jī)的定容升壓比減小，定壓預(yù)脹比增加，導(dǎo)致最高爆發(fā)壓力減小，后燃增強(qiáng)，排煙溫度升高，柴油機(jī)的熱效率降低，有效燃油消耗率增加。而當(dāng)噴油提前角在正常基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小時(shí)，滯燃期明顯增加，柴油機(jī)最高爆發(fā)壓力增加，這有可能使得柴油機(jī)超過額定機(jī)械負(fù)荷，柴油機(jī)定壓預(yù)脹比略有增加，柴油機(jī)的速燃期增強(qiáng)，后燃期減弱，排煙溫度會(huì)略有降低，平均有效燃油消耗率基本不變。

3.3 增壓器效率改變對柴油機(jī)整機(jī)性能影響

現(xiàn)代船用柴油機(jī)都采用廢氣渦輪增壓器來提高主機(jī)的功率。一般來說隨著使用時(shí)間的延長，渦輪增壓器的效率會(huì)降低，這會(huì)對柴油機(jī)的性能參數(shù)產(chǎn)生影響。本部分內(nèi)容基于AV boost模擬柴油機(jī)渦輪增壓器效率降低時(shí)，柴油機(jī)的性能參數(shù)變化情況。表3列出了增壓器效率下降時(shí)主機(jī)性能參數(shù)的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

圖6給出了增壓器效率不同時(shí)柴油機(jī)性能參數(shù)的變化對比情況。由圖可以看出，增壓器效率降低時(shí)，進(jìn)入主機(jī)的空氣量減少，這會(huì)導(dǎo)致最高爆發(fā)壓力和平均有效壓力都減小，其中掃氣壓力略有減小，燃油消耗率明顯減小，由于主機(jī)做功能力降低，主機(jī)的排煙溫度呈現(xiàn)先增大在減小的趨勢，這更多是由于掃氣壓力降低導(dǎo)致燃油燃燒不充分造成的。

4 ?結(jié)論

通過本文研究發(fā)現(xiàn)，采用數(shù)值模擬仿真研究柴油機(jī)的常見故障，計(jì)算分析柴油機(jī)的性能變化及油耗情況是一種行之有效的方法。通過本文研究得到如下結(jié)論：

①通過使用AVL BOOST軟件，建立的柴油機(jī)模型可以準(zhǔn)確模擬出柴油機(jī)工作過程中缸內(nèi)參數(shù)的變化。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證建立的模型在對柴油機(jī)進(jìn)行理論分析時(shí)是有效的。

②模擬仿真的柴油機(jī)的燃油消耗率與實(shí)驗(yàn)測量的燃油消耗率，隨著負(fù)荷的變化而變化，二者差值在5%以內(nèi)。

③故障仿真模擬表面，噴油噴油提前或者滯后對柴油機(jī)的工作性能影響很大，尤其當(dāng)噴油提前角減小時(shí)，燃油消耗率明顯增加。增壓器效率降低，導(dǎo)致柴油機(jī)的工作性能下降，燃油消耗率增加。

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