大型动力装置的故障模拟及分析

李方玉 汪翔 陆轶 孙荣华 胡以怀

摘要：大型船舶动力装置故障数据的获取，对于建立其故障诊断系统具有重要意义，通过试验等方式人为制造故障获取故障数据，不仅周期长，而且费用高昂。采用试验结合仿真手段，以某大型低速二冲程柴油机为研究对象，在GT-Power软件中建立其整机工作过程一维模拟模型，通过采集到的台架试验数据对模型在50%、75%、1000-10负荷工况下进行校核，验证了模型的准确性。通过对正常工作状态下柴油机模型的相关参数进行修改，模拟了柴油机空气滤清器脏堵、扫气口脏堵、缸套冷却水腔气堵、压气机故障、单缸喷油器阻塞5个典型故障及故障的不同状态，得出不同故障及同一故障不同程度下柴油机缸内压力变化和排气温度变化规律，为大型船用动力装置的故障诊断及排除提供参考依据。

关键词：动力装置;工作过程;整机模型;故障模拟

中图分类号：U664.81

文献标志码：A

文章编号：1009 - 9492（ 2022）02-0102-04

0 引言

船用柴油机工作过程的研究对于船舶动力装置的故障分析與诊断具有重要的参考价值。由于船舶动力装置工作环境恶劣、零部件众多、各部件运动复杂，因此，其发生故障的概率较高且故障类型较多[1-3]。利用相关手段对船用发动机的故障机理及其表现形式进行分析显得尤为重要。随着计算机技术的迅猛发展，加之大型船舶动力装置试验成本昂贵，国内外学者逐渐青睐于采用数值仿真方法对其工作过程及相关故障进行研究[4-8]。罗玉君[9]以某船用柴油机为研究对象，建立其数值仿真模型，模拟了主机系统的常见故障，并以图形展示发动机各故障下热工参数的变化情况;王公胜[10]利用AVL BOOST仿真软件搭建某大型二冲程低速柴油机整机模型，研究增压器效率降低、单缸停油等故障下，柴油机主要热力参数的变化情况;Riccardo等[11]建立了发动机的气路模型，对进气管泄漏、涡轮效率下降等故障进行模拟，通过可变阈值及敏感度的方式对故障进行诊断，诊断精度较高;Ciovanni和Ugo[12-13]利用MATLAB/SIMULINK建立8L46A型发动机模型，通过对柴油机正常工作状态下的相应参数进行调整，模拟了喷油提前/滞后、排气管故障等，并分析了各故障下发动机性能的变化。本文运用CT-Power软件对某大型船舶动力装置工作过程进行数值模拟计算，通过调整模型正常工作状况工的相应输入参数，模拟了空气滤清器脏堵、缸套冷却水腔气堵、单缸喷油器堵塞等故障，得出各故障下排气温度、缸内压力的变化情况，为船用低速柴油机的故障诊断及排除提供参考依据[14-15]。

1 柴油机模型建立及验证

1.1 模型搭建

以MAN 6S35 ME-B9船用二冲程柴油机为研究对象，其主要技术参数如表1所示。依据其实机参数在发动机专业仿真软件G T-Power中建立其一维仿真模型，如图1所示。模型主要由进排气环境边界、进排气系统、燃油喷射系统、汽缸、涡轮增压系统、曲轴等组成。模型中，燃烧样板采用diesel2-coombust，燃烧模型选择软件白带的预测燃烧模型DIJet，喷油器模型选择InjProfileConn，热量传递模型选择woschni，柴油机摩擦损失采用Chen-Flynn关系式计算。

1.2 模型验证

以50%、75%、100%负荷下的柴油机台架试验数据对模型进行校核，结果如表2所示。可见，各工况下柴油机主要热工参数模拟计算结果与台架试验数据相差较小，因此，该模型可作为柴油机故障模拟与燃烧状况分析的基准模型。

2 故障参数设置

以柴油机进气温度30IK、进气压力1.02 bar（1 bar=0.1 MPa）、柴油机转速129 r/min、单杠循环喷油量10.58g为基本条件进行故障模拟与分析。故障类型与相关参数设置[15]如表3所示，其中单缸喷油器阻塞故障设定1号缸为故障缸。

3 故障模拟及结果分析

在柴油机模型中设置上述故障参数，模拟了空气滤清器脏堵、缸套冷却水腔气堵、中冷器水侧结垢、单缸喷油阻塞等故障，并对计算结果进行分析。

3.1 空气滤清器脏堵和扫气口脏堵故障

船舶柴油机实际运行时的环境十分恶劣，作为柴油机进气系统的前端保护装置，空气滤清器能够有效滤除进气中的灰尘和各种杂质，对发动机进气质量、缸内燃烧状况以及尾气排放有着决定性作用。如图2所示，随着空气滤清器脏堵故障程度增加，柴油机汽缸内压缩压力和燃烧压力均有较大幅度降低，最高燃烧压力最大降幅为21.76%，柴油机排气温度大幅升高，最大幅度达24.02%。这是由于空气滤清器脏堵会造成压气机进气流通阻力增加，压气机出口压力降低，进而导致缸内压缩压力降低;进气流量减少，柴油机缸内进气充量减少，燃烧恶化，燃烧压力降低，燃油消耗率增加，排气温度升高。

图3所示为柴油机扫气口脏堵故障下缸内压力和排气温度变化情况，可以看出，该故障下柴油机缸内压缩压力和燃烧压力有小幅降低，最高燃烧压力最大下降7.25%，排气温度小幅上升，最大幅度达6.16%;且随着故障程度的增加，缸内压力和排气温度的变化幅度逐渐增大。这主要是因为扫气口脏堵使得扫气压力下降，进入柴油机缸内的空气流量减少，造成燃烧不充分，燃烧品质下降，燃烧压力降低，油耗增高，排温升高。

3.2 缸套冷却水腔气堵和压气机故障

缸套冷却水腔气堵故障下柴油机缸内压力和排气温度变化情况如图4所示，可以看出，该故障下缸内压力与排气温度均有小幅增加，最高燃烧压力最大增幅为5.42%，排气温度最大增幅为0.62%。这是因为在柴油机缸套冷却水腔气堵故障下，缸内工质与气缸壁之间换热受阻，冷却水带走热量减少，柴油机缸内温度高，热效率有所提高，活塞做功增加，排温升高。

图5所示为柴油机压气机故障下缸内压力和排气温度变化情况。排气温度指涡轮入口处排气温度。可以看出，随着故障程度增加，柴油机压缩压力和燃烧压力逐渐降低，最高燃烧压力最大降幅为19.59%，排气温度逐渐升高，最大幅度达20.87%。这是由于压气机故障导致其增压能力下降，压气机出口气体压力和温度降低，进气流量减少，位于压气机后的中冷器出口温度和压力降低，缸内进气量减少，柴油机燃烧恶化，油耗增加，燃烧压力降低，活塞做功减少，功率降低，排气温度升高。

3.3 单缸喷油器阻塞故障

单缸喷油器阻塞故障對故障缸及其排气温度影响如图6所示，图7所示为该故障下扭矩变化曲线。可以看出，喷油器堵塞对柴油机缸内压缩压力影响不大，但会造成燃烧压力大幅降低，最高燃烧压力最大降幅达23.35%，排气温度下降.并引起柴油机输出扭矩降低。喷油器阻塞使柴油机单缸循环供油量减少，相同进气条件下，燃料不足，燃烧温度降低，燃烧压力减小，排气温度下降，活塞做功减少，柴油机输出扭矩降低，输出功率下降。

4 结束语

以船用二冲程柴油机MAN 6S35 ME-B9为研究对象，建立其整机工作过程一维模拟计算模型，研究了空气滤清器脏堵、压气机故障、扫气口脏堵等故障下柴油机缸内压力、排气温度等参数的变化情况，得出结论如下。

（1）空气滤清器脏堵对柴油机缸内压力和排气温度有显著影响，随着空气滤清器脏堵故障程度增加，缸内压缩压力和燃烧压力均有较大幅度降低，最高燃烧压力最大降幅21.76%，排气温度大幅升高，最大幅度达24.02%;扫气口脏堵故障下，柴油机缸内压缩压力和燃烧压力小幅降低，最高燃烧压力最大下降7.25%，排气温度小幅上升，最大幅度达6.16%;且随着故障程度增加，缸内压力和排气温度的变化幅度逐渐增大。

（2）缸套冷却水腔气堵故障下缸内压力和排气温度均小幅上升，最高燃烧压力最大增幅为5.42%，排气温度最大增幅为0.62%;压气机故障下柴油机缸内压缩压力和燃烧压力逐渐降低，最高燃烧压力最大降幅为19.59%，排气温度逐渐升高，最大幅度达20.87%，与空气滤清器脏堵故障特征相似。

（3）喷油器堵塞故障对柴油机缸内压缩压力影响不大，但会造成燃烧压力大幅降低，最高燃烧压力最大降幅达23.35%，排气温度下降，柴油机输冉扭矩降低。

参考文献

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