大型船用低速柴油机的工作过程和故障模拟

曾存 胡以怀 杨雅钧 胡光忠 李方玉

关键词：船用柴油机;平均值法;过程模拟;故障模拟

0引言

现有柴油机故障诊断技术的故障数据来源有两种：一种是通过建立相应的柴油机仿真模型，进行相应的故障模拟，从而得到故障数据;另一种是在柴油机试验台架上进行故障模拟实验。由于利用试验台架进行故障试验会对柴油机产生破坏性的影响，试验成本过高，有一定的局限性，故通过建立柴油机仿真模型进行故障模拟，对故障诊断、完善故障数据库具有一定的研究意义。

1柴油机仿真模型

为了简化柴油机的模型，提高故障模拟的效率，利用Matlab/Simulink软件对传统柴油机“平均值法”模型进行改进。此次模拟计算对象为上海海事大学自动化机舱实验室的一台MAN B&W6S35ME-B9型船用低速二冲程柴油机，该柴油机匹配使用的是MAN公司的TCR 22型涡轮增压器，由于废气量不足，在柴油机低负载下配有一台18.5 kW的辅助风机增加进气，其主要基本技术参数和结构参数如表1所示。

整个柴油机系统模型分为空气滤清器、压气机、中冷器、扫气系统、柴油机本体、排气系统以及涡轮转子等7个子模块，图1所示为柴油机主要模块的仿真框图。

1.1空气滤清器

此次需要对空气滤清器堵塞进行分析，故额外增加了空气滤清器模块。

1.3中冷器

1.4扫气箱与排气管

通过查询文献，由于扫气箱外界温度基本保持不变，其温度又是缓慢的变化过程，因此一般认为扫气箱进出口温度一致，对此做出一定的改进，再次利用理想气体状态方程得到扫气箱出口温度。

1.5柴油机本体

1.6涡轮

图2所示为涡轮效率插值点和RBF函数拟合曲线，与压气机效率类似，涡轮效率亦通过涡轮特性曲线采用s-function调用Matlab内置的RBF函数拟合得出。

2仿真模型验证

在自动化机舱记录柴油机在25%、50%、75%和90%SE况下的转速、功率、机舱温度等19种热工参数，利用空间几何法进行异常数据筛选后，共计31个样本。分别取4个工况的热工参数均值用以验证仿真模型，表2所示为部分热工参数验证。对比分析表明，所建立的柴油机模型的温度、压力、转速、燃油消耗率等热工参数基本可以反映柴油机4种工况下的热工参数的变化，大部分实测参数与计算参数的误差可以压缩在5%以内，但是少数模拟参数仍然与实测参数的误差较大，如在75%负载下涡轮出口温度的误差达到了6.3%、部分扫气压力的误差甚至达到了10%左右、模型燃油消耗率的响应速度要比实测记录的要慢等。

3柴油机的故障模拟

由于仿真模型建立的客观因素，此次故障模拟主要针对柴油机的换气系统和部分冷却系统，主要从压气机、中冷器、扫气箱、排气系统、涡轮等方面考虑，表3所示为在75%负载下一些柴油机故障发生时部分性能参数的变化。

3.1柴油机故障模拟规则

通过引入故障因子和改变特定参数结合的方式共模拟了空气滤清器脏堵、机舱温度升高、扫气口脏堵、排气阀漏气、排气烟囱脏堵、冷却系统故障、中冷器水侧污垢、涡轮转子机械故障、涡轮喷嘴脏堵9种故障，表4所示为部分故障模拟规则。

3.2热力参数分析

图3所示为在75%负载下，不同空气滤清器脏堵时柴油机热工参数的相对偏差。从图中可以发现：当空气滤清器发生脏堵时，柴油机系统的压力和流量整体会随着空气滤清器脏堵的不断恶化而下降，其中由于流量降低，造成过量空气系数也会产生一定的下降;不完全燃烧或二次燃烧可能发生，排烟温度、涡轮的进出口温度反而会有一定的升高，而压气后温度、进气温度等由于中冷器的强制冷却并没有明显的变化。因此空气滤清器发生堵塞时，其直接影响的特征参数为压气机的进口压力，造成流经压气机的流量不足，导致缸内不完全燃烧从而使得柴油机的排气温度升高，排放物增多。

图4所示为在75%负载下，不同中冷器的冷却水温度时柴油机热工参数的相对偏差。从图中可以看出：柴油机各部件的压力和温度都相应升高，气体流量有着略微下降，增压器转速和油耗略有上升。因此冷却系统故障时其影响最直接的柴油机特征参数为扫气系统的进出口状态，即为扫气系统的进出口压力和温度。

图5所示为在75%负载下，中冷器水侧污垢时柴油机热工参数的相对偏差。从图中可以看出：由于中冷器水侧污垢使得冷却系数下降，进气流量不易与外界实现热交换，使得整体的压力和温度都有所升高。因此冷却系统故障时其影响最直接的柴油机特征参数也是扫气系统的进出口状态，即为扫气系统的进出口压力和温度。

图6所示为在75%负载下，排气烟囱脏堵时柴油机热工参数的相对偏差。从图中可以看出：柴油机的整体压力、流量和压气机的出口温度都有所下降;由于进气流量降低，使得缸内混合气体不完全燃烧甚至会发生二次燃烧，导致排气温度、涡轮出口温度等都有上升，而涡轮转子做功能力的下降则会进一步导致涡轮的出口温度上升。因此当排气烟囱脏堵时，其影响最直接的是涡轮增压器的工作性能，即为压气机的压缩能力（压气机出口压力和进气流量）和涡轮的做功能力（增压器转速和涡轮出口温度）。

图7所示为在75%负载下，涡轮喷嘴脏堵时柴油机热工参数的相对偏差。从图中可以看出：柴油机的整体压力、流量和压气机的出口温度都有所下降;排气温度、涡轮出口温度等有所上升。特别和排气烟囱脏堵相比，涡轮前压力对涡轮喷嘴脏堵故障更加敏感。因此涡轮喷嘴脏堵时，最直接的影响是涡轮状态即为涡轮的进口压力和出口温度。

图8所示为在75%负载下，涡轮轉子机械故障时柴油机热工参数的相对偏差。从图中可以看出：其柴油机的性能参数表现与排气烟囱脏堵时基本一致，其直接影响因素都是压气机的压缩能力（压气机出口压力和进气流量）和涡轮的做功能力（增压器转速和涡轮出口温度）。

图9所示为在75%负载下，机舱温度升高时柴油机热工参数的相对偏差。从图中可以看出：随着环境温度的升高，柴油机的整体温度上升，而由于中冷器的强制冷却，其扫气系统的进出口温度变化不明显;柴油机的整体压力、气体流量以及过量空气系数下降，增压器转速和油耗略有上升。因此当机舱温度升高时，其对整个柴油机的性能都有着较为直接的影响。

图10所示为在75%负载下，扫气口脏堵时柴油机热工参数的相对偏差。从图中可以看出：随着扫气口堵塞的不断加剧，气缸内的进气流量显著下降，过量空气系数和增压器转速降低，致使缸内燃烧恶化，排气温度、涡轮前后温度上升;柴油机的整体压力下降，油耗略有上升;压气机的气体流量受到的影响十分小，几乎可以忽略。因此当扫气口脏堵时，其对柴油机的进排气流量、排气温度以及柴油机的进出口压力有着较为直接的影响。

图11所示为在75%负载下，排气阀漏气时柴油机热工参数的相对偏差。从图中可以看出：其柴油机的性能参数表现与涡轮转子机械故障的趋势一致，不同的是涡轮的废气流量对排气阀漏气故障更加敏感，由于废气流量的下降，致使涡轮的做功能力下降，进气流量下降，空气滤清器下降，排气温度和涡轮进出口温度上升，柴油机的整体压力下降。因此，排气阀泄漏最直接影响因素为涡轮的做功能力即废气流量和增压器转速。

4结束语

随着柴油机仿真技术的完善，利用柴油机的故障模拟建立完备的数据库系统成了新的研究热点。本文对传统的柴油机仿真模型进行改进，通过引入故障因子和调整特定参数实现柴油机不同故障的模拟，并对具体故障下柴油机的性能参数进行详细地分析阐述，为故障诊断技术的研究提供可靠的数据样本。

此次没有建立柴油机的调速机构，无法模拟柴油机变工况下的故障情况;相较于“容积法”模型而言，“平均值法”模型的准确性略低，无法模拟柴油机爆发压力图的详细变化，因此，如何在仿真速度与准确性之间寻求新的平衡还需进一步研究。