大型動力裝置的故障模擬及分析

李方玉 汪翔 陸軼 孫榮華 胡以懷

摘要：大型船舶動力裝置故障數(shù)據(jù)的獲取，對于建立其故障診斷系統(tǒng)具有重要意義，通過試驗等方式人為制造故障獲取故障數(shù)據(jù)，不僅周期長，而且費用高昂。采用試驗結(jié)合仿真手段，以某大型低速二沖程柴油機為研究對象，在GT-Power軟件中建立其整機工作過程一維模擬模型，通過采集到的臺架試驗數(shù)據(jù)對模型在50%、75%、1000-10負荷工況下進行校核，驗證了模型的準確性。通過對正常工作狀態(tài)下柴油機模型的相關參數(shù)進行修改，模擬了柴油機空氣濾清器臟堵、掃氣口臟堵、缸套冷卻水腔氣堵、壓氣機故障、單缸噴油器阻塞5個典型故障及故障的不同狀態(tài)，得出不同故障及同一故障不同程度下柴油機缸內(nèi)壓力變化和排氣溫度變化規(guī)律，為大型船用動力裝置的故障診斷及排除提供參考依據(jù)。

關鍵詞：動力裝置;工作過程;整機模型;故障模擬

中圖分類號：U664.81

文獻標志碼：A

文章編號：1009 - 9492（ 2022）02-0102-04

0 引言

船用柴油機工作過程的研究對于船舶動力裝置的故障分析與診斷具有重要的參考價值。由于船舶動力裝置工作環(huán)境惡劣、零部件眾多、各部件運動復雜，因此，其發(fā)生故障的概率較高且故障類型較多[1-3]。利用相關手段對船用發(fā)動機的故障機理及其表現(xiàn)形式進行分析顯得尤為重要。隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，加之大型船舶動力裝置試驗成本昂貴，國內(nèi)外學者逐漸青睞于采用數(shù)值仿真方法對其工作過程及相關故障進行研究[4-8]。羅玉君[9]以某船用柴油機為研究對象，建立其數(shù)值仿真模型，模擬了主機系統(tǒng)的常見故障，并以圖形展示發(fā)動機各故障下熱工參數(shù)的變化情況;王公勝[10]利用AVL BOOST仿真軟件搭建某大型二沖程低速柴油機整機模型，研究增壓器效率降低、單缸停油等故障下，柴油機主要熱力參數(shù)的變化情況;Riccardo等[11]建立了發(fā)動機的氣路模型，對進氣管泄漏、渦輪效率下降等故障進行模擬，通過可變閾值及敏感度的方式對故障進行診斷，診斷精度較高;Ciovanni和Ugo[12-13]利用MATLAB/SIMULINK建立8L46A型發(fā)動機模型，通過對柴油機正常工作狀態(tài)下的相應參數(shù)進行調(diào)整，模擬了噴油提前/滯后、排氣管故障等，并分析了各故障下發(fā)動機性能的變化。本文運用CT-Power軟件對某大型船舶動力裝置工作過程進行數(shù)值模擬計算，通過調(diào)整模型正常工作狀況工的相應輸入?yún)?shù)，模擬了空氣濾清器臟堵、缸套冷卻水腔氣堵、單缸噴油器堵塞等故障，得出各故障下排氣溫度、缸內(nèi)壓力的變化情況，為船用低速柴油機的故障診斷及排除提供參考依據(jù)[14-15]。

1 柴油機模型建立及驗證

1.1 模型搭建

以MAN 6S35 ME-B9船用二沖程柴油機為研究對象，其主要技術參數(shù)如表1所示。依據(jù)其實機參數(shù)在發(fā)動機專業(yè)仿真軟件G T-Power中建立其一維仿真模型，如圖1所示。模型主要由進排氣環(huán)境邊界、進排氣系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)、汽缸、渦輪增壓系統(tǒng)、曲軸等組成。模型中，燃燒樣板采用diesel2-coombust，燃燒模型選擇軟件白帶的預測燃燒模型DIJet，噴油器模型選擇InjProfileConn，熱量傳遞模型選擇woschni，柴油機摩擦損失采用Chen-Flynn關系式計算。

1.2 模型驗證

以50%、75%、100%負荷下的柴油機臺架試驗數(shù)據(jù)對模型進行校核，結(jié)果如表2所示。可見，各工況下柴油機主要熱工參數(shù)模擬計算結(jié)果與臺架試驗數(shù)據(jù)相差較小，因此，該模型可作為柴油機故障模擬與燃燒狀況分析的基準模型。

2 故障參數(shù)設置

以柴油機進氣溫度30IK、進氣壓力1.02 bar（1 bar=0.1 MPa）、柴油機轉(zhuǎn)速129 r/min、單杠循環(huán)噴油量10.58g為基本條件進行故障模擬與分析。故障類型與相關參數(shù)設置[15]如表3所示，其中單缸噴油器阻塞故障設定1號缸為故障缸。

3 故障模擬及結(jié)果分析

在柴油機模型中設置上述故障參數(shù)，模擬了空氣濾清器臟堵、缸套冷卻水腔氣堵、中冷器水側(cè)結(jié)垢、單缸噴油阻塞等故障，并對計算結(jié)果進行分析。

3.1 空氣濾清器臟堵和掃氣口臟堵故障

船舶柴油機實際運行時的環(huán)境十分惡劣，作為柴油機進氣系統(tǒng)的前端保護裝置，空氣濾清器能夠有效濾除進氣中的灰塵和各種雜質(zhì)，對發(fā)動機進氣質(zhì)量、缸內(nèi)燃燒狀況以及尾氣排放有著決定性作用。如圖2所示，隨著空氣濾清器臟堵故障程度增加，柴油機汽缸內(nèi)壓縮壓力和燃燒壓力均有較大幅度降低，最高燃燒壓力最大降幅為21.76%，柴油機排氣溫度大幅升高，最大幅度達24.02%。這是由于空氣濾清器臟堵會造成壓氣機進氣流通阻力增加，壓氣機出口壓力降低，進而導致缸內(nèi)壓縮壓力降低;進氣流量減少，柴油機缸內(nèi)進氣充量減少，燃燒惡化，燃燒壓力降低，燃油消耗率增加，排氣溫度升高。

圖3所示為柴油機掃氣口臟堵故障下缸內(nèi)壓力和排氣溫度變化情況，可以看出，該故障下柴油機缸內(nèi)壓縮壓力和燃燒壓力有小幅降低，最高燃燒壓力最大下降7.25%，排氣溫度小幅上升，最大幅度達6.16%;且隨著故障程度的增加，缸內(nèi)壓力和排氣溫度的變化幅度逐漸增大。這主要是因為掃氣口臟堵使得掃氣壓力下降，進入柴油機缸內(nèi)的空氣流量減少，造成燃燒不充分，燃燒品質(zhì)下降，燃燒壓力降低，油耗增高，排溫升高。

3.2 缸套冷卻水腔氣堵和壓氣機故障

缸套冷卻水腔氣堵故障下柴油機缸內(nèi)壓力和排氣溫度變化情況如圖4所示，可以看出，該故障下缸內(nèi)壓力與排氣溫度均有小幅增加，最高燃燒壓力最大增幅為5.42%，排氣溫度最大增幅為0.62%。這是因為在柴油機缸套冷卻水腔氣堵故障下，缸內(nèi)工質(zhì)與氣缸壁之間換熱受阻，冷卻水帶走熱量減少，柴油機缸內(nèi)溫度高，熱效率有所提高，活塞做功增加，排溫升高。

圖5所示為柴油機壓氣機故障下缸內(nèi)壓力和排氣溫度變化情況。排氣溫度指渦輪入口處排氣溫度?？梢钥闯?，隨著故障程度增加，柴油機壓縮壓力和燃燒壓力逐漸降低，最高燃燒壓力最大降幅為19.59%，排氣溫度逐漸升高，最大幅度達20.87%。這是由于壓氣機故障導致其增壓能力下降，壓氣機出口氣體壓力和溫度降低，進氣流量減少，位于壓氣機后的中冷器出口溫度和壓力降低，缸內(nèi)進氣量減少，柴油機燃燒惡化，油耗增加，燃燒壓力降低，活塞做功減少，功率降低，排氣溫度升高。

3.3 單缸噴油器阻塞故障

單缸噴油器阻塞故障對故障缸及其排氣溫度影響如圖6所示，圖7所示為該故障下扭矩變化曲線?？梢钥闯觯瑖娪推鞫氯麑Σ裼蜋C缸內(nèi)壓縮壓力影響不大，但會造成燃燒壓力大幅降低，最高燃燒壓力最大降幅達23.35%，排氣溫度下降.并引起柴油機輸出扭矩降低。噴油器阻塞使柴油機單缸循環(huán)供油量減少，相同進氣條件下，燃料不足，燃燒溫度降低，燃燒壓力減小，排氣溫度下降，活塞做功減少，柴油機輸出扭矩降低，輸出功率下降。

4 結(jié)束語

以船用二沖程柴油機MAN 6S35 ME-B9為研究對象，建立其整機工作過程一維模擬計算模型，研究了空氣濾清器臟堵、壓氣機故障、掃氣口臟堵等故障下柴油機缸內(nèi)壓力、排氣溫度等參數(shù)的變化情況，得出結(jié)論如下。

（1）空氣濾清器臟堵對柴油機缸內(nèi)壓力和排氣溫度有顯著影響，隨著空氣濾清器臟堵故障程度增加，缸內(nèi)壓縮壓力和燃燒壓力均有較大幅度降低，最高燃燒壓力最大降幅21.76%，排氣溫度大幅升高，最大幅度達24.02%;掃氣口臟堵故障下，柴油機缸內(nèi)壓縮壓力和燃燒壓力小幅降低，最高燃燒壓力最大下降7.25%，排氣溫度小幅上升，最大幅度達6.16%;且隨著故障程度增加，缸內(nèi)壓力和排氣溫度的變化幅度逐漸增大。

（2）缸套冷卻水腔氣堵故障下缸內(nèi)壓力和排氣溫度均小幅上升，最高燃燒壓力最大增幅為5.42%，排氣溫度最大增幅為0.62%;壓氣機故障下柴油機缸內(nèi)壓縮壓力和燃燒壓力逐漸降低，最高燃燒壓力最大降幅為19.59%，排氣溫度逐漸升高，最大幅度達20.87%，與空氣濾清器臟堵故障特征相似。

（3）噴油器堵塞故障對柴油機缸內(nèi)壓縮壓力影響不大，但會造成燃燒壓力大幅降低，最高燃燒壓力最大降幅達23.35%，排氣溫度下降，柴油機輸冉扭矩降低。

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