基于BOOST船用柴油机热工故障仿真研究

黄加亮，谢　敢

(1.集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021；

2.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021)

基于BOOST船用柴油机热工故障仿真研究

黄加亮1,2，谢敢1

(1.集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021；

2.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021)

摘要：利用BOOST仿真软件，建立电控化改造后的4190型柴油机工作过程数学模型。该模型的燃烧放热模块采用MCC燃烧模型，传热模块选用Woschni 1978模型，并用该电控柴油机试验数据验证模型的可靠性。结果表明，仿真计算与实验值误差均在2%以内。在此基础上，结合中速电控柴油机的特点，对柴油机在额定工况下喷油定时故障、喷油器喷孔磨损、单缸停油、中冷器效率下降、压气机效率下降及排气阀关闭定时故障进行仿真计算，探索电控柴油机性能指标与热工参数对不同故障的变化规律，从而为船用中速电控柴油机故障监测、诊断提供可行的依据。

关键词：AVL BOOST软件；电控；船用中速柴油机；热工参数；故障仿真

0引言

船舶柴油机在运行过程中，由于运行工况环境和柴油机自身原因，会发生一些故障。其故障表现在热力过程各个热工参数发生异常变化，超出其限值，导致柴油机整机性能下降，运行功能劣化，甚至失效，这类故障称为热工故障[1-3]。但是热工参数与故障之间往往不是简单的一一对应关系，针对不同类型的柴油机，热工参数与故障之间的对应关系也不尽相同[4-6]。

本文研究对象是济南柴油机厂生产的4190ZLC-2船用中速柴油机[7]。该机型采用进气中冷和涡轮增压技术，进排气阀采用的是四气阀技术，终点调节式机械高压油泵。通过电控化改造，该机自带的高压油泵改为电控单体泵。本文利用AVL BOOST仿真软件，建立电控化改造后的4190ZLC-2型船用中速柴油机整机模型，通过故障设置可以表现故障的形成、发展以及恶化过程，进一步探索热工参数对不同故障的变化规律，为电控柴油机动力装置的维护管理与故障诊断提供决策[8-9]。

1柴油机工作过程数学模型

将气缸视为一个热力系统，系统的边界由活塞顶面、气缸盖触火面及气缸套壁面组成。气缸内的工作过程可由能量守恒方程、质量守恒方程和气体状态方程进行描述[7-9]。

1.2　能量守恒方程

基于热力学第一定律，气缸内内能变化等于活塞做功量、燃油燃烧放出的热量、周壁传热损失的热量、进气带入气缸热量和排气及漏气带走的热量的代数和：

(1)

式中：mc为气缸内工质质量，kg；mBB为漏气质量，kg；mi为流入气缸的气体质量，kg；me为流出气缸的气体质量，kg；u为工质的比内能，kJ/kg；pc为气缸内压力，Pa；V为气缸工作容积，m3；QF为燃料在气缸内燃烧放出的热量，kJ；Qw为通过气缸诸壁面传入或传出的热量，kJ；hBB为漏气焓，kJ/kg；hi为进气阀处的比焓，kJ/kg；he为排气阀处的比焓，kJ/kg；φ为曲轴转角，°CA。

1.2　质量守恒方程

根据质量守恒方程，通过系统边界的质量总和等于系统内工质质量变化dmc。通过系统边界交换的质量为：流入气缸的空气质量mi、流出气缸的废气质量me、喷入气缸内瞬时燃料质量mf、泄漏到曲轴箱的气体质量mBB。质量守恒方程表达式为：

(2)

式中mf为喷入气缸内的燃油质量，kg。

1.3　理想气体状态方程

对于理想气体，应满足气体状态方程：

pc·V=mc·Ro·Tc。

(3)

式中：TC为缸内温度，K；Ro为气体常数，kJ/(kg·K)。

气缸内工质状态由缸内工质的质量、温度、压力决定，可通过上述3个方程联合求解得到。

2AVL BOOST仿真模型

根据4190ZLC-2型柴油机实际结构和电控化改造后的特点，将柴油机分解成若干个容易处理的子系统[10]。在BOOST软件中选择相应的模块建立柴油机工作过程数值计算模型，如图1所示。

图1　BOOST仿真模型Fig.1　Boost simulation model

图1中，SB1~SB2为系统边界；TC1为废气涡轮增压器；CO1为空气中间冷却器；PL1为进气总管；C1~C4为1~4号气缸；1~14为管路连接；MP1~MP14为气体状态测量点；J1~J2为连接头。

该模型需要输入的参数包括边界条件(如环境温度、压力、流量系数、燃气热值及空燃比等)、气缸参数(如缸径、行程、连杆长度、发火顺序、进排气阀参数及燃烧和放热率模型等)、管路参数(如基本尺寸、运行状态参数及初始条件等)以及对平均机械损失压力等，将这些参数以经验公式进行必要的估算。AVL BOOST仿真软件中各个部件参数输入是通过柴油机说明书或实验获得，管道参数通过参照技术图纸或通过实机测量获得，还有一些参数要通过试验数据、AVL的推荐值以及估算来设定。为方便设置喷油器喷孔直径，本文燃烧放热模块采用MCC燃烧模型，传热模块选用Woschni 1978模型。4190ZLC-2型柴油机的主要技术参数如表1所示。

表1　4190ZLC-2船用电控柴油机主要技术参数

3模型验证

根据4190ZLC-2型柴油机台架实验获得的原始实验数据，利用建立好的BOOST模型仿真计算额定工况下的柴油机主要性能参数值，仿真计算结果与实验数据比较如表2所示。

表2　额定工况下BOOST计算值与实验值比较

从表2可看出，BOOST模型计算值与实验值比较吻合，误差均在2%以内，该仿真模型能够达到模拟计算精度要求。运用该模型进行故障仿真计算以及故障模式下柴油机性能参数分析具有可行性。

4电控中速柴油机故障仿真

4.1　故障仿真方案

利用建立的柴油机AVL BOOST整机模型进行故障仿真计算，主要模拟柴油机额定工况下，燃油供给系统和进排气系统部分故障模式。通过改变整机模型相关参数偏离正常工况下的程度来模拟柴油机故障的不同程度，以此来模拟柴油机故障的发生、发展以及恶化过程。涉及到柴油机气缸内的参数仅以第4缸为基准，具体方案如表3所示。

表3　电控中速柴油机故障仿真方案

表3中，IS4为No.4缸喷油正时角；HD4为No.4缸喷油器喷孔直径；FM4为No.4缸循环供油量；ATE为中冷器效率；CE为压气机效率；VS4为No.4缸排气阀关闭正时角。

4.2　故障仿真热工参数提取

船舶柴油机性能指标与热工参数可以表征柴油机的工作状态，可以通过柴油机的指示功率Pi、转速n、扭矩M、最大爆发压力pmax、平均有效压力pe、燃油消耗率ge、扫气压力ps、排气温度Tr和水温Tw等各种工作参数与正常工作状态下的参数比较来分析判断柴油机的工作状态，因而具有很好的故障诊断应用价值。

根据故障仿真方案，本文提取了13个热工参数进行故障模式下热工参数变化情况分析，提取的热工参数如表4所示。

表4　故障仿真热工参数提取

5仿真结果分析

偏离率定义为柴油机热工参数故障态与正常态的偏离情况，即δ=(xl-x)/x×100%，xl为柴油机故障态热工参数值，x为正常态热工参数值。

5.1　喷油定时故障

4190电控中速柴油机喷油正时角正常值为上止点前20.4oCA，从图2和图3可看出，发生喷油提前故障时，柴油机气缸的最大爆发压力pmax显著升高，最大压力升高率直线上升，偏离率达到近30%，氮氧化物NOX排放有小幅上升；随着喷油提前角的不断增大，pmax逐步上升，气缸燃烧粗暴，最大压力升高率显著增加，NOX也增加明显。而喷油延迟对这些参数的影响正好相反。

由以上分析可知，发生喷油正时故障时，柴油机故障缸的最大爆发压力pmax和最大压力升高率变化显著升高，NOX排放明显增加，可以以此作为诊断柴油机喷油正时故障的一个重要依据。

5.2　单缸停油

从图4可以看出，发生单缸停油时，电控柴油机有效功率Pe、平均有效压力pe、排气温度Tr和增压器涡轮进气端温度Ttin均出现明显下降，均超过30%，最大爆发压力pmax和最大压力升高比也有显著降低。图5为柴油机单缸停油故障模式下与正常模式下缸内压力曲线，曲线1为正常供油模式下缸内压力曲线，曲线2为停油缸缸内压力曲线。如图5所示，由于缸内停油，气缸不对外做功，缸内最高压力值即为压缩终点的压力值(51.48 bar)，出现在360°曲轴转角处，并且整个循环内的压力曲线关于360°对称。

综上所述，单缸停油故障下，电控柴油机各热工参数均有大幅变化，尤其是缸内pmax为压缩终点压力pc，可将其作为判断柴油机单缸停油故障的一个重要依据。

图2　喷油正时故障下热工参数偏离率Fig.2　Bias ratio of thermal parameters under　injection timing fault

图3　不同喷油正时角下热工参数变化趋势Fig.3　Variety regulation of thermal parameters　under different injection timing

图4　单缸停油时热工参数偏离率Fig.4　Bias ratio of thermal parameters under　single cylinder cut-out

图5　单缸停油与正常工况下缸内压力曲线对比Fig.5　Cylinder pressure under Single cylinder cut-out

5.3　喷油器喷孔磨损

从图6和图7可以看出，发生喷孔磨损故障时，缸内最大爆发压力pmax明显下降，最大压力升高率显著升高；随着喷孔直径的磨损，使得喷孔面积增加，破坏了油束原有的形状和分布，使得燃油雾化质量下降，引起缸内燃烧粗暴，最大压力升高率升高，最终导致缸内压力下降。

通过以上分析可知，喷油器喷孔磨损故障最明显的特征就是缸内pmax下降和最大压力升高率增加，可将其作为判断喷油器喷孔磨损的一个重要依据。

图6　喷孔直径为0.30时热工参数偏离率Fig.6　Bias ratio of thermal parameters diameter is 0.30mm

图7　喷孔不同磨损故障下热工参数变化趋势Fig.7　Variety regulation of thermal parameters when hole　under different hole wear

5.4　中冷器效率下降

从图8可看出，中冷器效率下降一个明显的特征就是中冷器后方所有测量点温度都有不同程度的升高，其中中冷器出口温度变化最为明显，增幅将近40%；图9中，随着中冷器效率的不断下降，中冷器后方所有测量点温度逐步上升，氮氧化物NOX排放也有小幅增加，而柴油机有效功率Pe、平均有效压力pe和气缸最大爆发压力pmax下降，燃油消耗率ge上升，中冷器出口温度显著升高。

通过以上分析可知，中冷器效率下降最明显的特征就是中冷器后方温度都升高，特别是中冷器出口温度变化显著，可将其作为判断中冷器效率下降故障的一个重要依据。

图8　中冷器效率为0.73时热工参数偏离率Fig.8　Bias ratio of thermal parameters when cooling efficiency　is 0.73

图9　中冷器不同效率下热工参数变化趋势Fig.9　Variety regulation of thermal parameters under　different cooling efficiency

5.5　压气机效率下降

从图10可看出，压气机效率下降，缸内最大爆发压力pmax变化不大，而最大压力升高率变化显著，说明缸内燃烧粗暴，气缸排气温度Tr变化也十分明显，其偏离率将近25%，涡轮增压器进出口温度也有明显变化，进气歧管压力偏离率也超过15%；如图11所示，随着压气机效率的不断下降，使得压气机的压比不断下降，增压压力的下降又会导致涡轮端进口压力也下降，增压器进出口温度升高，从而使得增压器转速ntc降低，功率减少，经过增压器输入到柴油机的新鲜空气量减少，使得燃烧品质下降，最终导致柴油机输出功率Pe下降，燃油消耗率ge上升，NOX排放增加。

由以上分析可知，最大压力升高率、气缸排气温度、进气歧管压力、增压器进出口温度变化是增压器效率下降的明显特征，可以将其作为诊断增压器效率下降的重要依据。

图10　压气机效率为0.62时热工参数偏离率Fig.10　Bias ratio of thermal parameters when compressor　efficiency is 0.73

图11　压气机不同效率下热工参数变化趋势Fig.11　Variety regulation of thermal parameters under　different compressor efficiency

5.6　排气阀关闭正时故障

4190电控柴油机排气阀关闭角正常值为上止点后60℃A，排气阀关闭正时故障仿真计算结果如图12和图13所示。由图可见，柴油机排气阀关闭正时故障时，气缸排气温度Tr变化显著，最大压力升高率也有明显升高；随着排气阀关闭提前(延迟)角不断增大，气缸换气质量不断恶化，燃烧粗暴，导致最大压力升高率持续升高，气缸排气温度也不断上升(下降)。

综上所述，电控柴油机发生排气阀关闭正时故障时，最明显的就是排气温度和最大压力升高率的变化，可以将此作为诊断排气阀关闭正时故障的一个重要依据。

图12　排气阀关闭正时故障下热工参数偏离率Fig.12　Bias ratio of thermal parameters under exhaust valve　closing timing fault

图13　排气阀不同关闭正时角下热工参数变化趋势Fig.13　Variety regulation of thermal parameters under different　exhaust valve closing timing

6结语

本文利用AVL BOOST仿真软件构建4190型电控柴油机工作过程数学模型，不仅验证了BOOST软件应用于柴油机的故障诊断仿真的可行性，而且对各故障下热工参数的变化进行了定量的描述，模拟计算该电控柴油机故障工况，分析并得出电控柴油机性能指标与热工参数在不同故障下的变化规律，获得了热力参数诊断故障特征集，为下步开展故障监测、集对联系度诊断提供了准确可行的依据，同时也验证了BOOST软件应用于柴油机的故障诊断仿真的可行性。

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Research on thermal fault simulation for marine diesel engine based on BOOST

HUANG Jia-liang1,2, XIE Gan1

(1.Marine Engineering Institute, Jimei University,Xiamen 361021,China;

2.Key Laboratory of Ship and Marine Engineering,Xiamen 361021,China)

Abstract：The working process mathematical model of 4190 type marine diesel engine after electronically controlled transformation is established by using AVL BOOST simulation software. The model of heat release module using MCC combustion model, heat transfer module using Woschni 1978 model. And the model reliability is validated by means of the electronically controlled diesel engine test data. The simulating calculations and experimental values indicate that the error is less than 2%. On this basis, the combination of medium-speed electronically controlled diesel engine characteristics, simulation calculations of injection timing fault, injector nozzle wear, single cylinder cut-out, intercooler efficiency reduces, compressor efficiency drops as well as the exhaust valves closing timing fault, etc. at rated operating conditions of diesel engine are carried out. And the performance and thermal parameters for the variation of different faults of electronically controlled diesel engine is explored, thus, the fault monitoring, diagnostics provide a viable basis and feasible reference for electronic control medium-speed marine diesel engine.

Key words：AVL BOOST;electronic-controlled;medium-speed marine diesel engine;thermal parameter;fault simulation

作者简介：黄加亮(1963-)，男，教授，主要从事船舶柴油机性能优化与故障分析研究。

基金项目：福建省教育厅高校专项重点基金资助项目(JK2013025)

收稿日期：2013-09-22； 修回日期： 2014-01-28

文章编号：1672-7649(2015)01-0069-06

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.014

中图分类号：U664.1;TP391.9

文献标识码：A