大型船用低速柴油機(jī)的工作過程和故障模擬

曾存 胡以懷 楊雅鈞 胡光忠 李方玉

關(guān)鍵詞：船用柴油機(jī);平均值法;過程模擬;故障模擬

0引言

現(xiàn)有柴油機(jī)故障診斷技術(shù)的故障數(shù)據(jù)來源有兩種：一種是通過建立相應(yīng)的柴油機(jī)仿真模型，進(jìn)行相應(yīng)的故障模擬，從而得到故障數(shù)據(jù);另一種是在柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行故障模擬實(shí)驗(yàn)。由于利用試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行故障試驗(yàn)會(huì)對(duì)柴油機(jī)產(chǎn)生破壞性的影響，試驗(yàn)成本過高，有一定的局限性，故通過建立柴油機(jī)仿真模型進(jìn)行故障模擬，對(duì)故障診斷、完善故障數(shù)據(jù)庫(kù)具有一定的研究意義。

1柴油機(jī)仿真模型

為了簡(jiǎn)化柴油機(jī)的模型，提高故障模擬的效率，利用Matlab/Simulink軟件對(duì)傳統(tǒng)柴油機(jī)“平均值法”模型進(jìn)行改進(jìn)。此次模擬計(jì)算對(duì)象為上海海事大學(xué)自動(dòng)化機(jī)艙實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)MAN B&W6S35ME-B9型船用低速二沖程柴油機(jī)，該柴油機(jī)匹配使用的是MAN公司的TCR 22型渦輪增壓器，由于廢氣量不足，在柴油機(jī)低負(fù)載下配有一臺(tái)18.5 kW的輔助風(fēng)機(jī)增加進(jìn)氣，其主要基本技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

整個(gè)柴油機(jī)系統(tǒng)模型分為空氣濾清器、壓氣機(jī)、中冷器、掃氣系統(tǒng)、柴油機(jī)本體、排氣系統(tǒng)以及渦輪轉(zhuǎn)子等7個(gè)子模塊，圖1所示為柴油機(jī)主要模塊的仿真框圖。

1.1空氣濾清器

此次需要對(duì)空氣濾清器堵塞進(jìn)行分析，故額外增加了空氣濾清器模塊。

1.3中冷器

1.4掃氣箱與排氣管

通過查詢文獻(xiàn)，由于掃氣箱外界溫度基本保持不變，其溫度又是緩慢的變化過程，因此一般認(rèn)為掃氣箱進(jìn)出口溫度一致，對(duì)此做出一定的改進(jìn)，再次利用理想氣體狀態(tài)方程得到掃氣箱出口溫度。

1.5柴油機(jī)本體

1.6渦輪

圖2所示為渦輪效率插值點(diǎn)和RBF函數(shù)擬合曲線，與壓氣機(jī)效率類似，渦輪效率亦通過渦輪特性曲線采用s-function調(diào)用Matlab內(nèi)置的RBF函數(shù)擬合得出。

2仿真模型驗(yàn)證

在自動(dòng)化機(jī)艙記錄柴油機(jī)在25%、50%、75%和90%SE況下的轉(zhuǎn)速、功率、機(jī)艙溫度等19種熱工參數(shù)，利用空間幾何法進(jìn)行異常數(shù)據(jù)篩選后，共計(jì)31個(gè)樣本。分別取4個(gè)工況的熱工參數(shù)均值用以驗(yàn)證仿真模型，表2所示為部分熱工參數(shù)驗(yàn)證。對(duì)比分析表明，所建立的柴油機(jī)模型的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、燃油消耗率等熱工參數(shù)基本可以反映柴油機(jī)4種工況下的熱工參數(shù)的變化，大部分實(shí)測(cè)參數(shù)與計(jì)算參數(shù)的誤差可以壓縮在5%以內(nèi)，但是少數(shù)模擬參數(shù)仍然與實(shí)測(cè)參數(shù)的誤差較大，如在75%負(fù)載下渦輪出口溫度的誤差達(dá)到了6.3%、部分掃氣壓力的誤差甚至達(dá)到了10%左右、模型燃油消耗率的響應(yīng)速度要比實(shí)測(cè)記錄的要慢等。

3柴油機(jī)的故障模擬

由于仿真模型建立的客觀因素，此次故障模擬主要針對(duì)柴油機(jī)的換氣系統(tǒng)和部分冷卻系統(tǒng)，主要從壓氣機(jī)、中冷器、掃氣箱、排氣系統(tǒng)、渦輪等方面考慮，表3所示為在75%負(fù)載下一些柴油機(jī)故障發(fā)生時(shí)部分性能參數(shù)的變化。

3.1柴油機(jī)故障模擬規(guī)則

通過引入故障因子和改變特定參數(shù)結(jié)合的方式共模擬了空氣濾清器臟堵、機(jī)艙溫度升高、掃氣口臟堵、排氣閥漏氣、排氣煙囪臟堵、冷卻系統(tǒng)故障、中冷器水側(cè)污垢、渦輪轉(zhuǎn)子機(jī)械故障、渦輪噴嘴臟堵9種故障，表4所示為部分故障模擬規(guī)則。

3.2熱力參數(shù)分析

圖3所示為在75%負(fù)載下，不同空氣濾清器臟堵時(shí)柴油機(jī)熱工參數(shù)的相對(duì)偏差。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)空氣濾清器發(fā)生臟堵時(shí)，柴油機(jī)系統(tǒng)的壓力和流量整體會(huì)隨著空氣濾清器臟堵的不斷惡化而下降，其中由于流量降低，造成過量空氣系數(shù)也會(huì)產(chǎn)生一定的下降;不完全燃燒或二次燃燒可能發(fā)生，排煙溫度、渦輪的進(jìn)出口溫度反而會(huì)有一定的升高，而壓氣后溫度、進(jìn)氣溫度等由于中冷器的強(qiáng)制冷卻并沒有明顯的變化。因此空氣濾清器發(fā)生堵塞時(shí)，其直接影響的特征參數(shù)為壓氣機(jī)的進(jìn)口壓力，造成流經(jīng)壓氣機(jī)的流量不足，導(dǎo)致缸內(nèi)不完全燃燒從而使得柴油機(jī)的排氣溫度升高，排放物增多。

圖4所示為在75%負(fù)載下，不同中冷器的冷卻水溫度時(shí)柴油機(jī)熱工參數(shù)的相對(duì)偏差。從圖中可以看出：柴油機(jī)各部件的壓力和溫度都相應(yīng)升高，氣體流量有著略微下降，增壓器轉(zhuǎn)速和油耗略有上升。因此冷卻系統(tǒng)故障時(shí)其影響最直接的柴油機(jī)特征參數(shù)為掃氣系統(tǒng)的進(jìn)出口狀態(tài)，即為掃氣系統(tǒng)的進(jìn)出口壓力和溫度。

圖5所示為在75%負(fù)載下，中冷器水側(cè)污垢時(shí)柴油機(jī)熱工參數(shù)的相對(duì)偏差。從圖中可以看出：由于中冷器水側(cè)污垢使得冷卻系數(shù)下降，進(jìn)氣流量不易與外界實(shí)現(xiàn)熱交換，使得整體的壓力和溫度都有所升高。因此冷卻系統(tǒng)故障時(shí)其影響最直接的柴油機(jī)特征參數(shù)也是掃氣系統(tǒng)的進(jìn)出口狀態(tài)，即為掃氣系統(tǒng)的進(jìn)出口壓力和溫度。

圖6所示為在75%負(fù)載下，排氣煙囪臟堵時(shí)柴油機(jī)熱工參數(shù)的相對(duì)偏差。從圖中可以看出：柴油機(jī)的整體壓力、流量和壓氣機(jī)的出口溫度都有所下降;由于進(jìn)氣流量降低，使得缸內(nèi)混合氣體不完全燃燒甚至?xí)l(fā)生二次燃燒，導(dǎo)致排氣溫度、渦輪出口溫度等都有上升，而渦輪轉(zhuǎn)子做功能力的下降則會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致渦輪的出口溫度上升。因此當(dāng)排氣煙囪臟堵時(shí)，其影響最直接的是渦輪增壓器的工作性能，即為壓氣機(jī)的壓縮能力（壓氣機(jī)出口壓力和進(jìn)氣流量）和渦輪的做功能力（增壓器轉(zhuǎn)速和渦輪出口溫度）。

圖7所示為在75%負(fù)載下，渦輪噴嘴臟堵時(shí)柴油機(jī)熱工參數(shù)的相對(duì)偏差。從圖中可以看出：柴油機(jī)的整體壓力、流量和壓氣機(jī)的出口溫度都有所下降;排氣溫度、渦輪出口溫度等有所上升。特別和排氣煙囪臟堵相比，渦輪前壓力對(duì)渦輪噴嘴臟堵故障更加敏感。因此渦輪噴嘴臟堵時(shí)，最直接的影響是渦輪狀態(tài)即為渦輪的進(jìn)口壓力和出口溫度。

圖8所示為在75%負(fù)載下，渦輪轉(zhuǎn)子機(jī)械故障時(shí)柴油機(jī)熱工參數(shù)的相對(duì)偏差。從圖中可以看出：其柴油機(jī)的性能參數(shù)表現(xiàn)與排氣煙囪臟堵時(shí)基本一致，其直接影響因素都是壓氣機(jī)的壓縮能力（壓氣機(jī)出口壓力和進(jìn)氣流量）和渦輪的做功能力（增壓器轉(zhuǎn)速和渦輪出口溫度）。

圖9所示為在75%負(fù)載下，機(jī)艙溫度升高時(shí)柴油機(jī)熱工參數(shù)的相對(duì)偏差。從圖中可以看出：隨著環(huán)境溫度的升高，柴油機(jī)的整體溫度上升，而由于中冷器的強(qiáng)制冷卻，其掃氣系統(tǒng)的進(jìn)出口溫度變化不明顯;柴油機(jī)的整體壓力、氣體流量以及過量空氣系數(shù)下降，增壓器轉(zhuǎn)速和油耗略有上升。因此當(dāng)機(jī)艙溫度升高時(shí)，其對(duì)整個(gè)柴油機(jī)的性能都有著較為直接的影響。

圖10所示為在75%負(fù)載下，掃氣口臟堵時(shí)柴油機(jī)熱工參數(shù)的相對(duì)偏差。從圖中可以看出：隨著掃氣口堵塞的不斷加劇，氣缸內(nèi)的進(jìn)氣流量顯著下降，過量空氣系數(shù)和增壓器轉(zhuǎn)速降低，致使缸內(nèi)燃燒惡化，排氣溫度、渦輪前后溫度上升;柴油機(jī)的整體壓力下降，油耗略有上升;壓氣機(jī)的氣體流量受到的影響十分小，幾乎可以忽略。因此當(dāng)掃氣口臟堵時(shí)，其對(duì)柴油機(jī)的進(jìn)排氣流量、排氣溫度以及柴油機(jī)的進(jìn)出口壓力有著較為直接的影響。

圖11所示為在75%負(fù)載下，排氣閥漏氣時(shí)柴油機(jī)熱工參數(shù)的相對(duì)偏差。從圖中可以看出：其柴油機(jī)的性能參數(shù)表現(xiàn)與渦輪轉(zhuǎn)子機(jī)械故障的趨勢(shì)一致，不同的是渦輪的廢氣流量對(duì)排氣閥漏氣故障更加敏感，由于廢氣流量的下降，致使渦輪的做功能力下降，進(jìn)氣流量下降，空氣濾清器下降，排氣溫度和渦輪進(jìn)出口溫度上升，柴油機(jī)的整體壓力下降。因此，排氣閥泄漏最直接影響因素為渦輪的做功能力即廢氣流量和增壓器轉(zhuǎn)速。

4結(jié)束語

隨著柴油機(jī)仿真技術(shù)的完善，利用柴油機(jī)的故障模擬建立完備的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)成了新的研究熱點(diǎn)。本文對(duì)傳統(tǒng)的柴油機(jī)仿真模型進(jìn)行改進(jìn)，通過引入故障因子和調(diào)整特定參數(shù)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)不同故障的模擬，并對(duì)具體故障下柴油機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)地分析闡述，為故障診斷技術(shù)的研究提供可靠的數(shù)據(jù)樣本。

此次沒有建立柴油機(jī)的調(diào)速機(jī)構(gòu)，無法模擬柴油機(jī)變工況下的故障情況;相較于“容積法”模型而言，“平均值法”模型的準(zhǔn)確性略低，無法模擬柴油機(jī)爆發(fā)壓力圖的詳細(xì)變化，因此，如何在仿真速度與準(zhǔn)確性之間尋求新的平衡還需進(jìn)一步研究。