船舶柴油机进排气系统故障仿真软件设计与实现

（上海海事大学 商船学院，上海 201306）

0 引言

如今，船舶的智能化正向更科学、更安全的方向发展[1]。近年来，对船舶管理人员能力的高度重视，使得计算机仿真技术在船舶智能化方向的优势越来越明显。计算机仿真技术通过数学模型的建立、仿真模型的建立和调试、运行结果的分析等实现。

通常，船舶柴油机故障仿真软件具有以下优点：1）不仅可以实现轮机数据资料的监测、处理和报警，而且减轻了船舶管理人员的负担[2]；2）由于轮机模拟器组成与实船相似，所以其可实时观测进排气系统、滑油系统、冷却水系统和燃油系统等运行状态，进而检查出船舶在运行过程中所出现的故障并诊断解除；3）实船由于各种原因和条件限制无法实现的试验和试航，对于这类特殊的故障问题，可以进行故障的提前设置，例如排气温度异常升高、涡轮增压器转速异常等，通过计算机仿真模拟技术进行反复的模拟操作，其运行后的结果可以利用计算机图形模拟处理清晰地显示出来；4）可实现趋势预报警，预测故障，查找原因，提高机械设备的可靠性，延长设备的使用寿命；5）可降低船舶管理人员培训费用。

1 故障模拟的原理

船舶柴油机的故障是具有拓展性和传播性的，某一系统产生的故障会延伸至其他系统，对其他系统产生影响[3]。故障模拟原理的基础是计算数学模型，即改变模型本身或改变已知参数，通过在原有模型的基础上附加参数，假定在正常运行状况下的参数为1，发生故障时，取不等于1的参数值来改变原有的数学模型；或者，把某些故障以符合实际变化的函数来表示并附加到原有的数学模型中，构成新的数学模型，如图1所示。

图1 故障源与故障现象

2 建立进排气系统故障数据库

船舶柴油机的进排气系统是与滑油系统和燃油系统同等重要的系统，主要检测对象的性能参数[4]。

柴油机的进气压力过低，导致的故障状态是进气量不足、燃烧不充分、燃油燃烧点滞后、活塞的膨胀行程变长、柴油机输出功率明显下降、排气冒黑烟、排气温度升高、燃烧室内部的积碳残渣过多、排气阀件磨损、油量消耗增加；柴油机的进气压力过高，导致的故障状态是进气量过多、燃烧不良、燃油燃烧点提前、活塞的膨胀行程变短、排气冒白烟、排气温度降低；柴油机的进气温度过高，导致的故障状态是燃油燃烧不充分、活塞的压缩行程变长、燃油燃烧点滞后、柴油机输出功率明显下降、发生后燃现象、燃烧室部件烧损等；柴油机的排气温度过高，导致的故障状态是排气总管的热负荷增加、涡轮增压器的废气端冲击增加，导致增压器运转寿命降低、燃烧不充分、杂质过多、废气端出现脏污；柴油机的排气压力过高，导致的故障状态是涡轮增压器的转速过高、压气端机械负荷增大、废气端冲击增大，从而造成增压器运转寿命降低，压气端的进气温度和进气压力明显升高。

3 仿真功能与软件设计

3.1 柴油机基本参数

本文选取MTU 20V956TB92型船舶柴油机进排气系统进行研究，发动机主要由进排气凸轮及传动机构、空气过滤器、海水空冷器、紧急切断气源阀、废气涡轮增压器、增压空气预热器、配气机构等部件组成，发动机部分参数如表1所示，废气涡轮增压器技术参数如表2所示。

表1 MTU 20V956TB92型船舶柴油机部分参数

表2 废气涡轮增压器技术参数

采用Visual Studio作为开发工具，.NET 4.5作为程序的开发平台，选用 C#作为开发语言，Windows7为操作系统。采用CoreIDRAW对船舶柴油机进排气系统中的部件进行外观设计，设计遵循国家标准和部件外形等原则，主要实现以下功能：

1）废气涡轮增压器吸入燃烧空气，空气被压缩后经增压空气冷却器和紧急空气关闭阀送入发动机的燃烧室，紧急空气关闭阀装在连接箱上，在紧急情况下，该阀可隔绝空气进入气缸，实现紧急停车；

2）仿真柴油机的进气过程，涡轮增压机从进气过滤器处吸气，进气被压缩后，流入海水中冷器进行冷却，经紧急切断空气阀后进入进气总管，各缸的进气阀在配气凸轮的驱动下完成进气冲程；

3）仿真柴油机的排气过程，柴油机的排气是通过弯管流入恒压排气室恒压流道，恒压排气室内的排气通过排气流量控制阀引入涡轮机做功，从涡轮机中流出最后废气汇入排气总管经排气消音器排入大气。

3.2 故障注入

可模拟的故障包括增压器喘振、增压空气滤器脏污、增压器喷嘴结碳、增压空气温度过高、增压空气压力过低、排气温度高、排温偏差高、排烟颜色异常、进排气漏气、进排气门咬死等。

3.3 控件的设计

1）Button控件：Button控件是由System.Windows.Form.Button类提供的，该控件最常用就是编写处理按钮的Click事件代码，在该系统中，Button包括紧急空气关闭阀按钮和返回主菜单按钮等；

2）PictureBox控件：PictureBox控件是由System.Windows.Form.PictureBox类提供的，该控件作用为显示图片内容，在该系统中，PictureBox控件包括主机图形、增压器图形、电动机图形、冷却器图形、辅助鼓风机图形、空气滤器图形、紧急空气关闭阀图形和电磁阀图形等；

3）Label控件：Label控件是由 System.Windows.Form.Label类提供的，用来提供其他控件的描述文字，在该系统中，Label控件包括各种文字说明；

4）oilTank控件：oilTank控件是柱状显示控件，在该系统中，oilTank控件可显示主机排温变化。

3.4 FORM设计

进排气系统界面包括两个 FORM，一个是进气系统，一个是排气系统。进、排气系统背景颜色均为DarkGray，窗体界面控件的尺寸均为1 680×1 050。

3.5 仿真功能设计说明

进排气系统是在主机开启后（包括压缩空气系统、启动系统、燃油系统、滑油系统和冷却水系统等），显示主机排温数据和增压器的各项数据，并将平均排温和各缸排温做比较显示在排气系统界面。仿真功能的数据传输流程如图2所示。

图2 仿真功能的数据传输流程

3.6 信息交互接口设计

信息交互与仿真是使得仿真系统与实际系统具有相似特性的关键之处。进排气系统与主机模型系统、缸内燃烧系统和机旁操作系统的数据传输使得整个仿真系统的逻辑与实际系统基本相同，因此在故障发生时，相关系统也会发生对应的故障。在故障诊断系统中，只需设置相关故障，改变相关系统正常运行参数，就可以直接通过各系统之间的数据传输达到各个系统之间的故障连锁。同时将故障数据实时回传至故障诊断系统界面，描述故障的可能原因，为进一步排除故障做好准备。进排气系统与其他系统的信息交互示意图如图3所示。

故障诊断系统与进排气系统的信息交互主要是故障诊断系统给进排气系统的故障信号，进排气系统将改变对应变量的取值范围，使得相应的变量能够超出正常运行取值范围，同时再将这些超出范围的数据传输给故障诊断系统。进排气系统在超出其正常值的范围下运行，会产生不正常数据信号，异常信号传输到故障诊断系统，其他变量或逻辑也会相应发生改变，从而仿真出故障时候的现象。

图3 进排气系统与其他系统的信息交互

进排气系统中的排气系统和主机模型有信息交互。在冷却水系统、滑油系统、燃油系统或缸内燃烧系统发生故障时，上述系统会向主机模型传输信息，主机模型接收到故障信息会产生一系列的反馈，导致柴油机排气温度发生波动，体现在排气温度的数据传输上，再反馈到主机模型。由于主机模型有对排气温度的数据获取，在超过规定温度后，主机模型将自动降速运行。如无法排除故障，主机最终将停车。

4 结论

总结分析了船舶柴油机进排气系统的原理与结构，并通过C#语言完成了对MTU 20V956TB92型船舶柴油机进排气系统的设计，以仿真软件摆脱了对于实物的依赖，该故障仿真软件的结果同实船的实测数据相吻合，对于船舶管理人员的培训具有实用价值，满足了船员培训的需求，应用前景十分广阔。

[1] 翁泽民, 黄加亮, 黄少竹.船舶柴油机故障诊断仿真系统研究[J].计算机仿真, 2000, 17(6)： 48-50.

[2] 黄加亮, 蔡振雄, 张均东.船舶柴油机智能故障诊断仿真方法的研究[J].航海技术, 2001(3)： 37-39.

[3] 徐恒达.船舶柴油机故障分析诊断系统[D].辽宁大连： 大连理工大学, 2015.

[4] 申小明.船舶柴油机涡轮增压器配合及计算机仿真研究[D].武汉： 武汉理工大学, 2008.