Chinese Journal of Ship Research
基于AVL BOOST的船用柴油机典型故障仿真及其数据分析
引用格式：赵志强, 张嘉锐, 罗炽恒, 等. 基于 AVL BOOST的船用柴油机典型故障仿真及其数据分析[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(2): 176–181, 193. ZHAO ZＱ, ZHANG ＪR, LUO CＨ, et al. AVL BOOST-based typical fault simulation and data analysis of marine diesel engine[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 1
摘 要:［目的］大型船用柴油机故障类型的数据通过台架试验或者实船来获取存在许多不利因素，因此针对柴油机的故障仿真数值计算就显得尤为重要，同时对故障排除及数据驱动的智能故障诊断系统的构建也具有重要意义。［方法］基于AVL BOOST软件和台架试验数据，建立柴油机仿真模型，验证4种负荷工况下仿真模型需满足的精度要求；基于100%负荷工况模型，采用控制变量法模拟柴油机发火点提前、单缸停油及曲轴箱窜气这些典型故障，并分析计算得到的数据。［结果］结果表明：发火点提前5°时，缸内最高燃烧压力提高了 17.4%；第 1缸停缸后，有效油耗率上升近15%；对于不同气缸停油情况，第2号和3号气缸停油时的特征参数变化幅度较小；随着活塞有效窜气间隙的增加，各特征参数基本上呈线性扩大趋势，在窜气间隙值为 0.04 mm时，部分特征参数急剧增加，例如油耗率增加了近40%。［结论］所得结果可作为柴油机故障状态识别及智能故障诊断系统构建的重要依据，为探索船舶柴油机智能故障诊断技术提供新的途径。关键词： 船用柴油机；AVL BOOST仿真；数值计算；故障模拟；数据分析中图分类号: U664.121；U672.7 文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01883
0 引 言
随着船舶设计朝着智能化方向发展，智能故障诊断技术受到业内广泛关注，若要快速、准确地识别船舶柴油机可能出现的故障，需有较丰富的样本数据作为支撑，而通过台架试验获取故障样本数据，目前难度很大，因此柴油机的故障仿真数值计算就显得尤为重要[1-4]。柴油机故障仿真是利用计算机技术的辅助功能，模拟柴油机运行过程中可能发生的故障，通过分析其成因，可在实际工作中提高柴油机的可靠性和工作效率，并相当程度地减少时间和经济成本。同时，通过探究柴油机故障的产生、演变、破坏过程，以及其随热工参数的改变而变化的规律，可以为柴油机故障诊断提供更加详尽的参数和数据[5-7]。本文拟采用AVL BOOST软件构建柴油机运行过程的仿真模型，在100% 负荷工况下采用控制变量法模拟柴油机的典型故障——发火点提前、单缸停油和曲轴箱窜气，通过分析仿真计算结果，获得 100% 负荷工况下各种故障发生时柴油机的热力参数、性能参数变化规律和多维故障数据样本，用以为柴油机故障状态识别和智能故障诊断系统构建提供依据。
1 柴油机运行过程数学模型1.1 燃烧放热率计算模型
AVL BOOST软件内置有多个燃烧放热模型，可通过计算每次循环的总放热量来计算每度曲轴转角所释放的热量。本文采用单韦伯模型。一般使用韦伯函数计算柴油机的放热情况，结果与真实数据相差不大。
式中：x为燃烧开始消耗到某一时刻的燃油质量分数； α为曲轴转角，（°）； α0为气缸内燃油混合物开始燃烧时曲轴所处的角度，（° ）； ∆αc为气缸内燃油燃烧时间，（°）；m 为气缸内燃烧的质量； a为完全燃烧的韦伯参数，恒定为6.9；Q 为一个循环周期内燃油混合物燃烧释放的热能，kJ。对韦伯函数进行积分，即可得到由燃烧开始时刻到某个时间所消耗的燃油质量分数，即质量分数 x：
AVL BOOST软件提供有多个传热模型，用于计算传热系数，包括 Woschni1978 模型、Lorenz 模型及 AVL2000模型等。对于高温循环的计算，通常选用 Woschni1978 模型，计算公式如下[8-9]：
式中： aw为传热系数； aWoschni为模型的传热系数； d 为筒径，m；p 为压力，Pa；T 为绝对温度，K；z为常数，z=14；din 为扫气口外连管的直径，m；vin为扫气口气流的速度，m/s。
2 柴油机仿真模型建立
本文仿真的船用柴油机主要参数如表1所示。
2.1 模型建立
1） 整机模型。利用 AVL BOOST软件建立的柴油机模型如图 1 所示。图中： SB1 和 SB2 为 2 个系统边界； TC1为涡轮增压器； CO1 为空冷器； PL1 为扫气箱；PL2 为排气集管；C1~C5 为 5 个气缸；1~15 为气体管路；MP1~MP7为测量点。