基于故障分析的船用柴油机工作性能节油仿真研究

高丽宏

摘要：本文研究对象是湛港消拖601的主机，利用AVL BOOST软件，建立了新泄6MG（L）26HLX型四冲程船用中速柴油机工作过程一维仿真的数学模型，模拟喷油提前角改变和增压器效率变化对柴油机工作性能的影响。结果表明：通过对实验测量柴油机性能参数数据与模拟计算结果进行比对，模拟仿真计算的结果是可靠的，当喷油提前角和增压器效率偏离额定值时，柴油机的油耗率会有明显的下降。

Abstract： The main engine of Zhan-Jiang port "Xiaotuo601" was studied in this paper.  AVL-BOOST is used to establish a working model of XinXie 6MG（L）26HLX diesel engine. The working conditions of the diesel engine at different injection timing and turbocharger efficiency was simulated. The result shows the result of the simulation was reliable in comparison with the result of the test. The injection timing and the turbocharger efficiency changed away from the rated one， the fuel oil consumption rate decreased obviously.

关键词：拖轮;仿真模拟;油耗

Key words： tug;simulation;fuel oil consumption

0  引言

船舶柴油机的工作过程是极其复杂的，其中涉及大量的物理化学反应、热传导和气体流动等能量转化过程。对于实船使用的柴油机可以采用实验法进行研究，通过航行试验和系泊试验等，研究不同工作条件下柴油机的工作特性，但这种方法耗时长，成本高，且在实验过程中要对柴油机系统进行改进，加装一些必要的传感器等，难度大[1]。随着计算机应用软件的发展，还可以采用合适的软件对船舶柴油机进行建模仿真。根据港作拖轮作业的实际情况，对模型进行了验证和调试，最终得到精确度符合要求的柴油机仿真模型。然后再以这个模型为基础，对影响柴油机油耗的常见原因进行仿真计算，得出主机操纵维护管理与主机油耗的量化关系，最后与实船操纵获得的数据进行对比[2]。

本文基于AVL boost软件对新泄6MG（L）26HLX型四冲程船用中速柴油机进行仿真研究，确立燃烧过程一维整机模型和缸内燃烧高压循环模型，综合考虑柴油机日常使用过程中常遇到的故障、以及维护保养要点，模拟研究柴油工作特性的变化，并给出同时提高柴油机动力性能达到节省油耗和减少排放的最优方法。

1  柴油机工作过程的数学模型

1.1 气缸内能量守恒

通过变换后的热力学第一定律可以计算内燃机高压循环，活塞做功、燃油燃烧释放的热量、传热中的热损失等的代数和即是气缸内工质内能改变量，公式表达如下：

2  仿真对象模型建立

新泄6MG（L）26HLX型船用柴油机是竖式单排直接喷射式四冲程船用中速柴油机、采用废气涡轮脉冲增压。柴油机主要参数为6缸、缸径260mm、冲程350mm，压缩比为13，气缸内最高压力为14.71MPa，发火顺序为1-3-5-6-4-2。利用AVL BOOST软件，以新泄6MG（L）26HLX型建立柴油机整机模型，仿真模型的流程图示如图1。

图2 为新绁6MG（L）26HLX柴油機整机模型。这个柴油机模型包含了两个系统边界，SB1和SB2;一个涡轮增压器TC1;一个空冷器CO1;一个扫气箱PL1;六个气缸C1～C6;一个排气集管PL2;1～15是气体管路;MP1～MP21是测量点。模型采用的是脉冲增压系统，C1、C2、C3和C4、C5和C6排气歧管交汇并分别连接到增压器TC1的两个进口，而进气端由一根进气总管PL1、PL2与气缸相连。

气缸元件中的参数设置是整个模型建立的关键，主要参数有：缸径、冲程等尺寸参数、活塞运动参数、燃烧和热传递相关设置、排气阀和扫气口相关设置等。其中，气缸的基本尺寸参数可以依据说明书确定。活塞的运动规律可以通过连杆长度和活塞行程等参数计算得出，图3示出了活塞运动模型和运动规律曲线，通过改变曲轴的转动角度记录下活塞的位移得出活塞运动规律。

3  柴油机常见故障模拟仿真与性能优化

3.1 模拟结果与实测数据对比

为了验证模型的准确性，对比实船测量柴油机性能参数与模拟仿真结果，如表1所示，可以看出性能参数的相对误差5%之内，因此，可以认为基于AV boost的建模是准确的。

式中：ge为有效燃油消耗率（kg/kW·h）;Ne为有效效率（kW）;i为气缸数量;ξ为每转的工作行程数量;两台主机，每台主机功率为2206kW，主机转速800r/min;

图4给出了有效燃油消耗率实验值与仿真值的对比，可以看出，随着柴油机负荷的增加仿真值与实测值先增大后减小，最后差值趋于不变，相同负荷条件下，最大误差在5%以内。这进一步说明使用该模型对柴油机进行仿真计算结果是可信的。

3.2 喷油提前角对柴油机性能的影响

船用柴油机采用压缩发火，点燃喷入气缸中的燃油，燃油在气缸中的燃烧分为滞燃期、速燃期、缓燃期和后燃期四个过程。一般希望燃油能够在速燃期完全燃烧，后燃期越短越好。燃油喷入气缸到开始燃烧的时间间隔定义为滞燃期，滞燃期的长短直接影响到柴油机的做功能力和后燃期的长短。滞燃期是由喷油提前角决定的，喷油提前角过小，后燃严重，喷油提前角过大，燃烧粗暴，因此，只有供油提前角最佳时，柴油机才能发挥最好的动力性能和经济性。基于AV boost模型，模拟了不同喷油提前角条件下柴油机工作性能参数如表2所示。

为了便于比较，把不同喷油提前角下模拟的柴油机性能参数与正常工况下进行比较，得到柴油机性能参数变化的百分比。如图5所示，由图5可知，随着喷油提前角的不断变大，柴油机的各项性能参数发生了很大变化。随着喷油提前角减小，燃油燃烧滞燃期减小，柴油机的定容升压比减小，定压预胀比增加，导致最高爆发压力减小，后燃增强，排烟温度升高，柴油机的热效率降低，有效燃油消耗率增加。而当喷油提前角在正常基础上进一步减小时，滞燃期明显增加，柴油机最高爆发压力增加，这有可能使得柴油机超过额定机械负荷，柴油机定压预胀比略有增加，柴油机的速燃期增强，后燃期减弱，排烟温度会略有降低，平均有效燃油消耗率基本不变。

3.3 增压器效率改变对柴油机整机性能影响

现代船用柴油机都采用废气涡轮增压器来提高主機的功率。一般来说随着使用时间的延长，涡轮增压器的效率会降低，这会对柴油机的性能参数产生影响。本部分内容基于AV boost模拟柴油机涡轮增压器效率降低时，柴油机的性能参数变化情况。表3列出了增压器效率下降时主机性能参数的详细数据。

图6给出了增压器效率不同时柴油机性能参数的变化对比情况。由图可以看出，增压器效率降低时，进入主机的空气量减少，这会导致最高爆发压力和平均有效压力都减小，其中扫气压力略有减小，燃油消耗率明显减小，由于主机做功能力降低，主机的排烟温度呈现先增大在减小的趋势，这更多是由于扫气压力降低导致燃油燃烧不充分造成的。

4  结论

通过本文研究发现，采用数值模拟仿真研究柴油机的常见故障，计算分析柴油机的性能变化及油耗情况是一种行之有效的方法。通过本文研究得到如下结论：

①通过使用AVL BOOST软件，建立的柴油机模型可以准确模拟出柴油机工作过程中缸内参数的变化。通过实验验证建立的模型在对柴油机进行理论分析时是有效的。

②模拟仿真的柴油机的燃油消耗率与实验测量的燃油消耗率，随着负荷的变化而变化，二者差值在5%以内。

③故障仿真模拟表面，喷油喷油提前或者滞后对柴油机的工作性能影响很大，尤其当喷油提前角减小时，燃油消耗率明显增加。增压器效率降低，导致柴油机的工作性能下降，燃油消耗率增加。

参考文献：

[1]袁对，王业秋，唐新飞，杨安声.船用中速柴油机热工故障仿真方法研究[J].中国修船，2018，31（4）：41-46.

[2]黄加亮，乔英志，王丹，杨国豪.船用柴油机与涡轮增压系统匹配及性能研究[J].中国航海，2012，35（4）：26-33.

[3]王峰，郑朝蕾，肖俊峰.预喷和后喷对柴油机排放特性的仿真分析[J].计算机仿真，2018，35（8）：383-388.

[4]吕行，冯立岩，刘超.低速二冲程柴油机活塞振荡冷却数值模拟分析[J].船舶工程，2019，41（增刊1）：134-138.

[5]熊正华，凤勇.向波船舶智能柴油机主机遥控系统建模与仿真[J].中国修船，2018，31（6）：18-21.