基于平均值的柴油机进气系统故障实时仿真研究

摘要： 为了给柴油机PHM算法的验证提供虚拟实时仿真环境，基于平均值和等效模型原理对大功率增压柴油机故障硬件在环实时仿真进行了研究，并以空滤器堵塞故障和中冷器效率下降故障为例验证了研究的可行性。研究结果表明，在实时仿真周期为10 ms的情况下，故障实时仿真模型平均误差低于5%，可以满足柴油机PHM算法实时仿真验证的需求。

关键词： 柴油机；故障模拟；硬件在环

DOI： 10.3969/j.issn.1001 2222.2025.01.013

中图分类号：TK427" 文献标志码： B" 文章编号： 1001 2222（2025）01 0089 06

近年来，大功率柴油机PHM（故障预测与健康管理）技术不断发展^［1］，对故障诊断预测技术所需的多样化故障数据以及算法验证提出了较高的要求。虽然在柴油机台架上开展故障模拟试验可以获取最真实的一手数据，但是存在众多故障不易模拟、容易不可逆损伤柴油机、试验成本高等问题^［2］，因此，柴油机故障仿真技术得到了发展。赵志强等^［3］基于AVL BOOST软件和台架试验数据，建立了不同负荷工况下的柴油机仿真模型，为柴油机故障状态识别提供了一定依据。籍曜^［4］依据共轨燃油系统组成和原理，结合AMESim仿真软件搭建了柴油机共轨燃油系统仿真模型，为共轨燃油系统典型故障建模奠定了数据基础。石大亮等^［5］通过GT Power柴油机故障仿真试验建立了柴油机故障数据库，为关联规则算法提供了一定理论依据。赵震宇^［6］基于AVL BOOST建立了柴油机工作过程的数值仿真模型，为故障分类算法训练奠定了数据基础。马平阳等^［7］通过GT Power建立了柴油机仿真模型，并通过柴油机故障试验校核了几种工况下的仿真准确性。刘轩毓^［8］结合NI LabVIEW与Matlab/Simulink进行了柴油机数字孪生模型搭建，通过Simulink进行柴油机工作过程计算，实现了一定的故障仿真功能。上述故障模拟方法虽然精度较高，却存在仿真速度较慢、实时性差、无法实时验证故障诊断预测算法的问题。

基于此，本研究兼顾建模精准性与仿真速度，基于平均值原理完成了某大功率增压柴油机建模，研究了常见故障的模拟注入方法，最终将模型部署于硬件在环平台上，实现了柴油机故障实时仿真，可为柴油机PHM算法的训练和验证提供实时验证环境。

1 柴油机模型

为满足柴油机模型实时仿真的需求，采用平均值模型作为基础柴油机模型，模型简化了缸内复杂燃烧过程^［9］，压力、温度、流量及扭矩等均采用平均值，忽略空间造成的参数变化，只考虑时间的影响^［10］。基础模型包括空气滤清器、压气机、中冷器、涡轮、增压器动力学以及柴油机本体，柴油机仿真模型框架如图1所示。

1.1 空气滤清器模型

空气滤清器由于前后温度基本不变，只需考虑压降，因此，可简单等效成压降元件。空气滤清器的出口压力如式（1）所示。

pout=pin+c1×ma+c2。（1）

式中：pin，pout分别为空气滤清器的进、出口压力；ma为空气质量流量；c1，c2为待定系数。

1.2 压气机模型

压气机的出口温度、压力及所需扭矩计算如下：

Tout=Tin{1+1ηc［π^κ－1κc－1］}，（2）

pout=pinπc，（3）

Mc=1ηcκκ－130π·ncqmcRgTin［π^{（κ－1κ）}c－1］。（4）

式中：Tin，Tout分别为压气机的进、出口温度；pin，pout分别为压气机的进、出口压力；Mc为压气机消耗的扭矩；nc为压气机转速；Rg为空气气体常数；κ为进气气体绝热指数；qmc为流经压气机的空气质量流量；πc为压气机压比；ηc为压气机效率。

压气机压比和效率是压气机质量流量和转速的函数，它们之间的关系可通过压气机的特性曲线获取。

ηc=f（qc，nc），（5）

πc=f（qc，nc）。（6）

1.3 涡轮模型

涡轮的出口温度、压力及生成扭矩计算如下：

Tout=Tin1－ηt1－1πt^γ－1γ，（7）

pout=pin/πt，（8）

Mt=γ－1γ30π·ntqmtRgηtTin1－1πt^γ－1γ。（9）

式中：Tin，Tout分别为涡轮的进、出口温度；pin，pout分别为涡轮的进、出口压力；Mt为涡轮生成的扭矩；nt为涡轮转速；Rg为空气气体常数；γ为排气气体绝热指数；qmt为流经涡轮机的空气质量流量；πt为涡轮膨胀比；ηt为涡轮效率。

涡轮膨胀比和效率是涡轮质量流量和转速的函数，它们之间的关系同样可以通过涡轮机的特性曲线获取。

ηt=f（qt，nt），（10）

πt=f（qt，nt）。（11）

1.4 增压器动力学模型

增压器由压气机、涡轮机和增压器转子组成，压气机和涡轮机的匹配需满足3个条件：转速平衡、流量平衡、能量平衡^［11］。因此，有如下等式：

ntc=nc=nt，（12）

qt=qc+mf，（13）

Mt－Mc=Jtcπ30dntcdt。（14）

式中：Jtc为增压器转子的转动惯量。

1.5 中冷器模型

中冷器实际压降Δpcl可由经验公式得到：

Δpcl=（qmqmr）α×Δpr。（15）

式中：Δpr为中冷器的标定工况压降；qm为中冷器的实际流量；qmr为中冷器的标定流量；α为修正系数。

故中冷器的出口压力为

pout=pin－Δpcl。（16）

式中：pin，pout分别为中冷器的进、出口压力。

中冷器出口温度为

Tout=Tin（1－ε）+ε·Tw。（17）

式中：Tw为冷却液的温度；ε为中冷器的冷却效率。

1.6 柴油机本体模型

发动机充量系数φc是关于转速的二次或多次方程，拟合的方程如下：

φc=c1×n3+c2×n2+c3×n+c4。（18）

式中：c1，c2，c3，c4为待定系数。

忽略残余废气系数，则进入气缸的气体流量可按下式计算：

ma=φcpVn120RT。（19）

式中：φc为气缸充量系数；V为发动机气缸排量；n为发动机转速；p为进气管压力；R为进气管中气体常数；T为进气管温度。

指示热效率为柴油机转速和空燃比的函数：

ηit=f（n，a）。（20）

认为发动机指示扭矩Ti是指示热效率、燃油质量流量和发动机转速的函数：

Ti=mfHuηit30πn×1 000。（21）

式中：Hu为燃料低热值；mf为燃油消耗量。

排气管温度根据经验公式计算如下：

T2=T1+KT1+ma/mf=T1+KT1+a/f。（22）

式中：KT为排气温度因子；T1为进气温度；T2为排气温度。排气温度因子看作是发动机转速和空燃比的函数：

KT=f（n，a）。（23）

摩擦扭矩采用经验公式计算：

pf=75+48n1 000+0.4v2m1 000，（24）

Tf=318.3pfVs·i4。（25）

式中：pf为平均摩擦压力；Tf为平均摩擦扭矩；vm为活塞平均速度；Vs·i为发动机排量。

假设发动机的转动惯量是恒定的，则发动机动力学计算如下式所示：

Ti－Tf－Tload=Jπ30dndt。（26）

式中：Ti为发动机指示扭矩；Tf为发动机机械损失扭矩；Tload为负荷消耗扭矩；J为发动机当量转动惯量。

2 故障注入模型

在模型上进行故障模拟的原始方法是通过设定模型在故障态时所对应的各个参数来实现故障，然而这种方法的理论依据有限，对于大功率柴油机，其破坏性试验成本代价相对较高且采集大量的故障数据也较困难，因此逐渐被新的故障模拟方法所代替。结合工程实际，本研究采取以下3种方法建立故障注入模型。

2.1 基于节流等效模型的堵塞类故障模拟

在柴油机进排气管路、供油管路、冷却管路中，常会出现管路堵塞引起的性能下降故障。针对此类故障，可将管路的堵塞等效为节流孔，主要影响下游管路的流体压力变化，堵塞故障等效原理如图2所示。

节流孔的流量计算公式如下：

q=Cd×A0×p1×2·（p1－p2）ρ。（27）

可推出：

Δp=p1－p2=（qCd×A0×p1）2ρ2。（28）

式中：p1为节流孔上游压力；p2为节流孔下游压力；q为节流孔的体积流量；Cd为流量系数；A0为有效流通面积；ρ为空气密度。通过调节狭缝等造成的小口收缩系数来表征故障程度，同时，引入偏移度：

δ=yi－y0y0×100%。（29）

式中：δ为各个故障特征参数下的偏移度；yi为每一种故障程度下故障参数的数值；y0为正常状态下参数的数值。

2.2 基于管路等效模型的泄漏类故障模拟

对于排气管路、供油管路、冷却管路中的流体泄漏故障，可将其等效成原有流动气路或油路上添加了一条流向外界的支路，在此采用管道模型进行替代，泄漏故障等效原理如图3所示。

其泄漏流量计算公式如下：

Qvolume=πd4128μlΔpr，（30）

μ=νρ，（31）

Qmass=πd4128νlΔpr。（32）

式中：Qvolume为体积流量；μ为流体动力黏度；ν为流体运动黏度；Δpr为管道两端压差；d为管道直径；l为管道长度。通过调节泄漏的管道直径大小来表示故障程度，由于模型进行了理想化和平均值假设，故此数值不具备实际物理意义。

2.3 基于故障因子的效率类故障模拟

对于如压气机效率、涡轮效率、指示热效率等非线性函数，在试验台架上难以模拟，采用基于故障因子的直接调参法进行故障模拟。即当正常时设定为１，而当出现了某一个故障时则根据该故障对柴油机的实际影响，设置其为大于或者小于１的值，并且通过改变此值的大小来模拟故障的严重程度，这种方法的理论基础非常严格，并且故障具有传播性，可以反映出故障对整台柴油机性能的影响情况，但是故障因子对故障程度的可解释性较低。

3 故障硬件在环仿真模拟与验证

3.1 故障模拟系统设计

为可视化开发与验证柴油机PHM算法，设计了基于B/S架构的故障模拟系统，如图4所示。

该开发验证测试平台可采集硬件在环平台和实机数据发送至服务器端，柴油机PHM算法部署在服务器上实时运算，并将结果发送至前端展示。柴油机健康管理框架及项点故障诊断算法在硬件在环平台上完成开发验证后，在整机上开展整机故障模拟试验验证。

3.2 故障模拟试验设计

为验证大功率增压柴油机故障硬件在环实时仿真模型的有效性，本研究以空滤器堵塞故障和中冷器效率下降故障为例，进行模型验证。

空滤器堵塞时通过空滤器的空气流量下降，因此采用遮挡进气道口的方式来模拟空滤器堵塞故障。在空滤器前进气管道上安装升降式阀门，以控制进气管道的进气流量，空滤器堵塞故障模拟装置如图5所示。

模拟试验中整机采集参数包括转速、齿杆位移、大气压力、进气压力、机油压力、回水温度、排气温度等热力性能参数，试验设计如表1所示。设计柴油机负载为30%时，不同柴油机转速下空滤器正常和不同程度堵塞的异常情况，为防止柴油机损坏，并未设计大负荷堵塞及100%堵塞情况。

中冷器效率下降时会引起气路和水路的热交换能力下降，从而引起气路温度升高，考虑试验的简易性和安全性，采取调节中冷器冷却水温度的方法来模拟中冷器效率下降，中冷器冷却水温度越高对应中冷器效率下降越严重。试验设计如表2所示。设计柴油机负载为80%时，不同柴油机转速下中冷器效率正常和不同程度下降异常情况，100%效率下降程度对应了中冷器冷却能力最小限值，超过此阈值需对中冷器进行清洗或更换。

3.3 故障实时仿真与验证

在Dspace硬件在环平台部署柴油机故障仿真模型，仿真步长为10 ms。在上位机中设置与故障模拟试验相同的工况与故障注入程度。空滤器堵塞故障模拟试验结果如图6至图9所示。

空滤器堵塞故障模拟试验中，在相同转速和负载工况下，齿杆位移基本一致，表示每组喷油量基本相同。由于中冷器强制冷却，进气温度也基本一致，没有发生明显的变化。但是随着空滤器堵塞程度增加，进气压力降低，排气温度上升。柴油机空滤器堵塞故障仿真模型的齿杆位移、进气温度、进气压力和排气温度仿真结果与故障模拟试验结果的平均误差分别为1.61%，1.22%，2.27%，4.05%。

中冷器效率下降故障模拟试验结果如图10至图12所示。

中冷器效率下降故障模拟试验中，在相同转速和负载工况下，随着中冷器效率的下降，进气温度和排气温度呈明显上升趋势。齿杆位移、进气温度和排气温度仿真结果与故障模拟试验结果的平均误差分别为0.57%，1.17%，3.07%。

可以看出模型具有良好的精度，可以有效地反映试验现象，满足柴油机PHM算法的训练与验证需求。

4 结束语

基于平均值和等效模型原理的增压柴油机实时仿真模型，可以有效对堵塞、泄漏、效率下降类故障进行实时模拟。随着故障注入程度的变化，模型稳态工况时的热工参数变化趋势与故障模拟试验结果一致，且精度较高，可以为柴油机PHM算法的训练提供仿真数据样本和算法实时验证环境。

不同故障注入程度下，虽然试验与仿真的热工参数变化呈现同样的趋势，但是故障模拟试验中的热工参数并不呈线性关系，有一定的随机性，而仿真结果更加线性。另外，由于模型中的齿杆位移采用了开环控制，导致对瞬态过程的模拟能力较弱，可能会对PHM算法的设计产生影响，因此在后续工作中需考虑模型的随机过程建模和瞬态工况标定。

参考文献：

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［6］ 赵震宇.船用柴油机典型故障模拟分析与诊断方法研究［D］．镇江：江苏科技大学，2023.

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Real Time Simulation on Air Intake System Faults of Diesel Engine Based on Mean Value

LIN Yifeng1，LV Hui2，YIN Jinguan2，SUN Shiyue2，ZHI Haifeng2，LI Feifei2

（1.Shanxi Institute of Energy，Jinzhong 030600，China;2.China North Engine Research Institute（Tianjin），Tianjin 300406，China）

Abstract： In order to provide a real time simulation environment for diesel engine PHM algorithm verification， the hardware in the loop real time simulation of high power supercharged diesel engine failure was conducted based on mean value and equivalent model principle， and the feasibility was verified by setting the air filter clogging fault and the intercooler efficiency degradation fault. The research results show that the average error of fault real time simulation model is less than 5% with a real time simulation period of 10 ms， which can meet the needs of real time simulation verification of PHM algorithm for diesel engine.

Key words： diesel engine;fault simulation;hardware in the loop

［编辑： 袁晓燕］