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船用柴油机故障性能预测
Dimitrios T. Hountalas
雅典国家技术大学机械工程系内燃机发动机实验室，希腊雅典10682 Patission街42号
1999年7月26日收到; 于2000年1月2日接受
摘要
柴油发动机与其他热机相比，具有更高的效率，广泛用于船舶的推进。柴油机的关键要求是功率集中，因此大多数船用柴油机是涡轮增压型的。涡轮增压对发动机性能有严重影响，涡轮增压器和发动机之间的相互作用使得发动机故障的检测极其困难，因为特定的故障会影响涡轮增压器并通过发动机。由于这个原因，已经提出了各种检测发动机故障的方法。本文作者在过去提出了一种通过使用仿真模型处理测量的发动机数据来进行船舶柴油诊断的方法。在目前的工作中，遵循完全不同的方法;试图使用仿真模型来预测各种故障条件下的船用柴油机性能。该方法适用于由慢速两冲程船用柴油发动机驱动的新建船舶。使用根据螺旋桨法则获得的发动机车间试验数据，使用已经开发的自动方法来确定模拟模型常数。通过对车间试验数据所得结果的比较证实了该模型的准确性及其预测几乎所有发动机工作参数的能力。该模型然后被用于通过模拟各种发动机故障或其子系统的故障来产生结果。从这个分析中可以确定它们对各种可测量的发动机参数的影响。有趣的是，装备涡轮增压的与自然吸气发动机相比，某些故障具有不同的特征。而且，在许多情况下，如果不使用建模，确定发动机故障的实际原因相对困难，因为观察到的发动机性能影响是相似的。所提出的方法是有前途的，并有助于工程师了解各种故障对发动机性能的实际影响。此外，它可以用作培训工具，因为它很容易模拟各种各样的故障，而这是一个在现场执行即使不是不可能也极其困难的过程。
关键词：船用;柴油机;仿真;故障
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命名变量 a A B Ci Cd Cp ding D Dt Ec f ff hc I Kf Kis Lcar L m
N P r t T Tr u
U V W x X Y，Z 希腊符号 beta;
p s is P t is
eq 下标 a ac b C cal cz del dval eff ex exh exp f fz g in inj l mac mic s st T w 缩略语 AFR CA CR DI T/C TDC 无量纲组 Pr Re We |
常数 面积（m2） 常数 常数 放电系数 定压比热容（J/（kg·K）） 喷油器孔径（m） 缸径（m） 湍流扩散系数（m-1） 活化能（K） 函数 故障因素 传热系数（W/（m2·K）） 被困物质的惯性矩（kg·m2） 燃料可压缩性的体积模量（N/m2） 负载参数 特征长度（m） 分解长度（m） 质量（kg） 质量流量（kg/s） 转速（rpm） 压力（N/m2） 体积流量（m3/s） 半径（m） 时间（s） 温度（K） 扭矩（N·m） 速度（m/s） 湍流速度（m/s） 平均速度（m/s） 转子叶尖速度（m/s） 容积（m3） 权重矩阵 渗透（m） 矩阵 多维矩阵 喷射角（rad） 矩阵 等效汽缸环间隙（m） 燃油泵活塞缸间隙（m） 灵敏度系数 等熵焓上升或下降（m2/s2） 压力差（N/m2） 空气冷却器效率 粘性耗散率（W/kg） 等熵效率 导热系数（W/m/K） 动态粘度（kg/（m·s）） 运动粘度（m2 /s） 密度（kg/m3） 表面张力（N/m） 发动机曲轴转角（度） 流量参数 当量比 空气 空气冷却器 燃烧 压缩机 计算 燃烧产物区 延迟 输送阀 效率 排气歧管 排气 实验 燃料 新鲜空气区 气体 进气歧管 喷油器 液体 最大 最小 旋转 化学当量的 涡轮机 壁面 空燃比 曲轴转角 压缩比 直接喷射 涡轮增压器 上止点 普朗特常数 雷诺数 韦伯数 |
1.介绍
由于涡轮增压器和所有其他子系统的存在，船用柴油机是一个非常复杂的系统。 这些发动机具有各种优点，比如高效率，高功率密度和长使用寿命[1,2]。 另一方面，它们的大尺寸会给故障诊断造成很大的困难。 整个系统非常复杂，在很多情况下，通过简单的分析预测故障对可测量的发动机参数的影响几乎是不可能的。
工程师利用可测量的发动机参数来检查船用柴油机的性能[3-5]。通常测量的参数是排气温度和气缸压力图[1,2]。但即使掌握了这些数据，在很多情况下也很难确定故障原因，因为所有这些参数都可能有类似的影响。由于这个原因，在目前的工作中提出了一种方法来模拟各种发动机故障对发动机行为的影响。该方法基于过去开发的仿真模型，并用作诊断技术的基础[6]。模拟模型描述了发动机及其子系统的操作，即燃料系统，进气系统和排气系统。在目前的工作中，仿真模型进一步改进，以更基本的方式考虑发动机气缸内的燃料空气混合机构。此外，还引入了一种新开发的扫气模型来描述两冲程发动机的清扫过程。使用仿真模型以及将其用于诊断目的的经验[6]，可以模拟各种发动机故障。在当前的工作中，检查了以下故障的影响：压缩故障，喷射正时的变化，喷油器故障以及气体交换机构（空气冷却器，涡轮机，压缩机和排气管道）部件的故障。
该方法应用于由六缸低速二冲程柴油发动机驱动的新建船舶。对于具体的发动机，数据来自实际试验台架并用于校准模型。对模型进行了校准后，发动机及其子系统的行为将在整个发动机运行速度范围内准确预测。
校准后，修改仿真模型以解决各种发动机故障，并进行理论研究以模拟在这种情况下的运行。 发动机及其子系统的状态通过建模中涉及的各种常量的值来描述[6]。产生的结果非常令人鼓舞，因为它揭示了各种故障与可测量的发动机参数之间的实际关系。一个重要的发现是，在涡轮增压式发动机和自然吸气式发动机之间的许多情况下，对发动机行为的特定故障的影响在很多情况下是相当不同的。这是T/C对发动机性能影响的结果。理论研究的结果很重要，因为它们使我们能够区分具有类似效应的故障。 而且，可以确定由特定故障引起的发动机参数变化的绝对值。
当然，在我们能够得出一般结论之前，需要进行更详细的调查，但似乎所提出的方法为他的工程师提供了有价值的信息在他了解发动机的运行情况方面。 此外，揭示了所提出的方法可以用作开发用于各种故障的数据库的工具。 如果我们考虑用户手册中提供的各种发动机的数据，描述最常见的故障，这一点非常重要[3-5,7]。 使用仿真模型可以检查各种发动机故障，与各种实验方法相比，该过程更快，更经济。
2.发动机仿真模型的描述
2.1. 基础工作
如前所述，当前工作的基础是过去开发的仿真模型，它能够描述各种发动机配置，特别是各种发动机子系统的描述[8,9]。 该模型最初用于通过处理测量的发动机数据来检测现场的发动机故障[6]，目前的工作是对之前的模型进行修改，以允许在正常和故障条件下模拟发动机性能。
当前已经对之前的模型进行了各种改进，以更基本的方式表示喷射燃料在燃烧室内的分散和混合。由于这个原因，修改了最初的双区模型，即考虑喷射燃料的分解时间和认为喷射角度是可变的，并且更详细的关系已经被用来估计Sauter平均直径以考虑燃料物理性质。此外，在混合机理上考虑了通过入口进气冲程产生的漩涡效应，并最终引入了一种新的扫气模型来模拟两冲程船舶的气体交换过程柴油发动机。
这些修改使我们能够以更基本的方式考虑影响混合和燃烧机理的参数效应，并且使得可以在不考虑发动机运行条件的情况下保持所涉及的常数。
在下面的段落中给出了仿真模型的描述，特别参考了对现有模型进行的修改。
2.2． 柴油机汽缸模拟
2.2.1． 传热模型
使用湍动能粘性耗散率kt模型[9,10]来确定传热计算的特征速度。 传热计算的特征速度定义为，
（1）
而传热系数由以下公认的关系[2,9-13]给出，
2.2.2． 汽缸窜漏
窜漏严重影响压缩和燃烧膨胀压力图[2,6]。 作者开发了一个详细模型[14]来预测窜漏率。然而，对于本申请，假设汽缸环和汽缸壁之间具有等效的漏气区域，使用更简单的方法对漏气率进行建模[6,15]。 然后使用等熵可压缩流量关系计算质量流量。等效的漏气面积A等于
是等效的气缸间隙。
2.2.3. Jet模型
如已经提到的那样，射流形成模型已经被相当大地修改以考虑在燃料喷射过程中发生的物理过程。 喷嘴出口处的初始条件由以下段落中描述的燃料喷射系统仿真模型获得，并且所产生的燃烧区域被假定为具有锥形形状，该锥形贯穿发动机汽缸内部，消耗周围的空气。
为了估计燃料射流在发动机气缸内的渗透，使用下面的表达式来计算沿喷射轴线的速度[2,16,17]，
lt;L
分解长度由以下表达式[2,17]给出，
其中是常数，分别是空气和燃料的密度。
锥角由以下关系[2,16-18]获得，
通过估计喷射角度和射流锥角的影响，也考虑了空气在射流上的涡流效应。 燃料射流的修正渗透和角度由以下关系给出[2,17]：
由下式获得：
根据以往观察，由于存在漩涡，喷射角度增加，而沿着初始方向的渗透减小。 但由于射流的偏转，总行程增加。 涡流导致燃料射流内的空气夹带速率增加，并且其与运行条件的变化现在被考虑在内。
撞击气缸壁之后，Glauert [19]的经过充分测试的壁射流理论被用于确定气缸壁上的射流历史。 关于这一机制的详细情况以及分析表达式，可以在以前的出版物中找到[8,9]。
2.2.4． 空气旋流
瞬时涡流比是从发动机气缸内的角动量守恒方程获得的。 在进气冲程中，角动量不断加到发动机气缸上，其中一部分由于摩擦而被破坏，而其余部分形成涡流流场。 考虑到发动机进气和排气系统的几何形状（进气门和排气门或排气口的几何形状）以及瞬时速度，从模拟模型获得角动量供给气缸[2,20,21]的速率[2,20,21] 进气的速度。
角动量的守恒由下面的等式给出，
其中是空气的角速度，是被捕集物质的惯性矩，是作用在流场上的合成扭矩力。 这等于由于气缸壁，活塞顶部和气缸盖的摩擦力。 在整个发动机循环中对前面的公式进行积分，计算气缸
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