摘要：介绍了柴油机性能故障的仿真模型和6260ZC柴油机15种典型故障的仿真计算结果。通过对相同故障下热工参数的相对偏差分析和相同热工参数不同故障的绝对偏差分析，研究了热工参数对故障的敏感性和故障对热工参数的影响。对各种故障下热力参数的主成因分析，揭示了柴油机性能故障与热力参数之间的内在联系，提出了热力特征参量的优化选择方法和性能故障的分类方法，可以为人工神经网络的诊断应用提供训练学习样本。
关键词：柴油机；故障仿真；偏差分析；多变量分析
Performance Faults Simulation and Informational Character Analysis of Diesel Engines
HU Yi-huai，WAN Bi-yu，ZHAN Yu-long
(Navigation TechNIque Institute，Shanghai Maritime University，Shanghai 200135)
Abstract This paper introduces the simulation models and simulated results of 15 typical performance faults of diesel engines．Through relative deviation analysis on different working parameters of some a fault and absolute analysis on some a working parameter of different faults，this paper studies the working parameters sensitivity to faults and faults influence on working parameters．By multivariate analysis on thermodynamic parameters of 15 kinds of performance faults this paper reveals the relationship between performance faults and thermodynamic parameters and puts forward the methods for optimal selection of symptomic thermodynamic parameters and classification of performance faults which can supply training samples for the application of artificial neural network in diesel engine fault diagnosis．
Key words：Diesel engine；Fault simulation；Deviation analysis；Multivariate analysis
符号说明
n——柴油机转速，r／min；
pzmax——缸内最大燃烧压力，MPa；
ps——进气管内压力，MPa；
pbt——排气管内压力，MPa；
pk——压气机出口压力，MPa；
Δpk——中冷器空气压差，MPa；
Tbt——排气管内温度，℃；
be——有效燃油消耗率，g／（kW*h）；
Pe——柴油机有效功率，kW；
Tk——压气机出口温度，℃；
Ts——进气管内温度，℃；
ΔTk——中冷器空气温差，℃；
Ntc——增压器转速，r／min；
gf——单缸循环供油量，g；
Gk——压气机流量，kg／s。
引言
柴油机热力工作过程参数蕴含着大量的故障信息，具有外界干扰小、信息质量好、诊断范围广、可用性强的特点，具有很大的诊断应用价值。但大中型柴油机又是一个集机、电、热、液为一体的复杂系统，故障激发源多，特征参量丰富，它们之间常常不存在简单的对应规律，相同故障对不同热工参数以及不同故障对同一热工参数的影响程度都不一样，且受到运行工况的影响。目前人们对柴油机热工参数与性能故障之间关系的认识主要来源于试验和经验的积累，缺乏系统的理论分析和定量描述，带有很大程度的模糊性和局限性，因而成为柴油机故障智能诊断的“瓶颈”问题。
本文以6260ZC为例，运用计算机技术进行了柴油机工作过程的仿真计算，人为模拟了15种典型的性能故障。通过对各种故障下热工参数的信息特征分析，研究了不同热工参数对相同故障的敏感性及相同热工参数在不同故障下的变化规律。利用主成因分析法进行了热工参数的信息特征分析，探讨了诊断特征参量的优化选择方法和性能故障的分类方法。尽管目前柴油机故障仿真计算还不能十分接近实际，但与实机试验相比，这种方法具有研究周期短、投资少、风险低、信息量大的特点，避免了热工参数的实际测量误差，对了解柴油机性能故障与热工参数之间的内在联系具有极大的理论指导意义。
1 故障仿真
1．1 仿真模型
仿真对象为我院自动化机舱用渔轮主机——6260ZC四冲程增压柴油机，配用江津增压器厂生产的VTR－201型涡轮增压器。仿真模型采用了文献［1］介绍的柴油机工作过程计算程序，并将其移植成VisualBasic程序。
为考虑工作过程故障对柴油机燃烧过程的影响，在单韦伯燃烧放热率中引入了燃烧效率ηu［2］，ηu定义为完全燃烧燃料与喷入气缸燃料之比，它是过量空气系数α的函数：
（1）
则燃烧放热率：
（2）
其中燃烧起始角：
φVB＝θg＋Δθ1＋Δθ2 （3）
（4）
Δθ2＝6nτi×10－3 （5）
（6）
式中：θg——几何供油始角，° CA；
Δθ1——喷油滞后角，° CA；
Δθ2——燃烧滞后角，° CA；
Δθ10——正常标定工况的喷油滞后角，° CA；
n0——标定工况转速，r／min；
n——计算工况转速，r／min；
τi——滞燃期，ms；
T——缸内压缩终点温度，K；
p——缸内压缩终点压力，MPa。
燃烧持续角： （7）
式中：Δφ0、α0、n0为正常标定工况下的燃烧持续角、过量空气系数和转速；α、n为计算工况下的过量空气系数和转速。
燃烧品质系数：
（8）
式中：m0——正常标定工况下的燃烧品质系数；
Δθ20，Δθ2——标定工况和计算工况下的燃烧滞后角，° CA；
pa，pa0——计算工况与标定工况下的压缩始点压力，MPa；
Ta，Ta0——计算工况与标定工况下的压缩始点温度，K。
1．2 仿真结果
计算在586微机上完成，运算步长1．5℃A。首先调整各边界条件和经验模型参数值，使正常工况下的计算结果与实际热工参数相接近。正常标定工况下热力性能参数的计算结果与台架试验报告(配用ZP30型涡轮增压器)的部分测试结果比较如表1所示。
表1 正常标定工况下柴油机的热力性能参数
| 热工参数 | n r／min | Pe kW | be g／（kW.h） | pi MPa | pzmax MPa | Ts ℃ | Tbt ℃ | Δpk MPa |
| 实测值 | 450 | 73．55 | 228．33 | 1．23 | 7．60 | — | 420 | 0．0015 |
| 计算值 | 450 | 73．55 | 228．33 | 1．12 | 7．62 | 55．48 | 405 | 0．0021 |
| 程序初始计算输入的参数对柴油机工作过程的性能计算有较大影响。研究表明，参数变化超过一定范围会引起计算失真，因此计算中首先对每一种故障分别设置了不同大小的输入参数，并研究该参数的大小对柴油机性能的影响，在满足迭代收敛和计算不失真的条件下，尽可能选择与正常值差异较大的输入参数。通过改变这些输入参数，可以在一定意义上模拟柴油机的许多性能故障，从而为性能诊断的研究提供方便。表2是仿真15种典型性能故障时的输入参数设置值。 表2 故障仿真模型的输入参数设置值 |
| 故障 序号 | 故障类型 | 参数设置 | ||
| 正常值 | 故障值 | 参数说明 | ||
| 1 | 增压器滤器脏堵 | p0＝0．103 MPa | p0＝0．092 MPa | 压气机进气压力 |
| 2 | 缸套冷却不足 | TW＝200 ℃ | TW＝600 ℃ | 缸套表面平均温度 |
| 3 | 活塞冷却不足 | TW1＝300 ℃ | TW1＝700 ℃ | 活塞表面平均温度 |
| 4 | 中冷器冷却水进口温度过高 | CMX0＝45 ℃ | CMX0＝70 ℃ | 中冷器冷却水进口温度 |
| 5 | 中冷器冷却水进口温度过低 | CMX0＝45 ℃ | CMX0＝0 ℃ | 中冷器冷却水进口温度 |
| 6 | 进气道脏堵 | USM＝0．45 | USM＝0．15 | 进气口空气流量系数 |
| 7 | 排气口脏堵 | UEM＝0．50 | UEM＝0．15 | 排气口空气流量系数 |
| 8 | 中冷器脏污 | CMXN＝0．8，CM＝14．8 | CMXN＝0．35，CM＝7．5 | 中冷器效率和阻力系数 |
| 9 | 涡轮喷嘴积碳 | FC＝0．005 4 m2 | FC＝0．004 4 m2 | 涡轮喷嘴几何流通面积 |
| 10 | 增压器轴承磨损 | NTM＝0．98 | NTM＝0．95 | 增压器轴承机械效率 |
| 11 | 缸套冷却水腔气堵 | CJ＝1．0 | CJ＝0．25 | 燃气对缸壁传热修正系数 |
| 12 | 喷油过迟 | AZ1＝－6° CA | AZ1＝13° CA | 燃烧起始角 |
| 13 | 缸内积碳 | VC＝0．08 m3 | VC＝0．063 m3 | 燃烧室余隙容积 |
| 14 | 高压油泵磨损 | DAZ＝80° CA，M＝1．0 | DAZ＝104° CA，M＝1．3 | 燃烧持续角和品质系数 |
| 15 | 机械磨损过大 | NM＝0．89 | NM＝0．6 | 柴油机机械效率 |
| 2 相对偏差分析 设正常工况下热力参数为χ0，故障工况下参数为χ，则参数的相对偏差：
标定工况下故障的热力参数相对偏差如图1所示。分析表明： |
图1 各故障下的热力参数相对偏差
1．be 2．pzmax 3．ps 4．Ts 5．Ntc 6．Tbt 7．pbt
8．Tk 9．pk 10．ΔTk 11．Δpk 12．Gk 13．gf
（7） 增压器轴承磨损时其机械效率下降，直接影响到增压器的工作效率，使空气流量减小，各参数的变化情况与涡轮喷嘴积碳时相反，其中中冷器空气的进出口温差降低最大。 3 绝对偏差分析 设正常工况下热力参数为χ0。故障工况下参数为χ，则参数的绝对偏差： σ＝χ－χ0 （10） 标定工况下各种故障的热力参数绝对偏差如图2所示。分析表明： |
图2 各故障下的热力参数绝对偏差值
| （1） 燃油消耗率be与循环供油量gf具有非常相似的变化规律。由于运动件摩擦造成机械效率下降对它们的影响最大，其次是高压油泵磨损和喷油过迟故障，而缸套冷却水腔气堵则使燃油消耗率下降。 （2） 缸盖底部积碳或有盐分对缸内燃烧爆发压力pzmax影响最大，其次是涡轮喷嘴积碳和运动件的摩擦，缸套冷却水不足、排气口脏堵和高压油泵磨损也会使缸内爆压升高，而增压管滤器脏堵、进气道脏堵、增压器轴承磨损则使缸内爆压下降。 （3） 进气管压力ps和压气机出口压力pk具有非常相似的变化规律。涡轮喷嘴积碳、喷油过迟、高压油泵磨损、运动件摩擦对它们的影响最大，其次是缸套冷却不足、进排气道脏堵故障，而增压器滤器堵塞、中冷器冷却水进口温度过低和增压器轴承磨损则使进气管压力和压气机出口压力降低。另外可以看出，除了缸盖底部积碳之外，进气管压力和缸内爆压对各种故障下的变化规律也较为相似。 （4） 进气管温度Ts只受中冷器冷却水进口温度和中冷器脏污的影响，对其它故障的反应并不明显，因此，它可以作为中冷器冷却状态诊断的最佳特征参量； （5） 增压器转速Ntc和压气机出口温度Tk具有非常相似的变化规律，涡轮喷嘴积碳、喷油过迟、高压油泵磨损和运动件的摩擦对它们的影响最大，缸套冷却不足和增压器轴承磨损的影响次之。另外，排气管压力pbt和增压器转速Ntc的变化规律也较为相似，因为排气管内废气压力的大小直接影响涡轮的工作，进而影响压气机的空气流量，实际诊断中可将它们作为同一个特征参量考虑。 （6） 喷油过迟和高压油泵磨损对排气管内的温度Tbt影响较大，这比较符合日常经验，但进气道和排气口的脏堵对Tbt的影响更大，这常常被忽略，在实际诊断中应引起足够的重视。 （7） 对中冷器空气进出口温差ΔTk有较大影响的因素有中冷器冷却水进口温度、中冷器脏污、喷油过迟、高压油泵磨损，但影响中冷器空气进出口压差Δpk的因素只有进气道脏堵、排气口脏堵和中冷器脏污3种故障。因此，Δpk可以作为柴油机气路流通状态的诊断特征参量。 4 主成因分析 为研究热力参数与性能故障的内在联系，对计算出的15种性能故障下的10个热力参数的相对偏差矩阵A进行了主成因分析。 令： 对样本数据进行标准化处理和相关分析，得到标准化样本矩阵Y和相关矩阵R 显然有rj，j＝1，rj，k＝rk，j。 计算相关矩阵R的特征根λi和相应的特征向量αi。10个特征根的总和为25．074，但由于前6个特征值的累计贡献率为97．94％＞95％，故只列出6个主要特征值，计算结果如表3所示。 表3 特征值计算结果 |
| 热力参数 | 特征向量αi | 信息指标 fi | |||||
| α1 | α2 | α3 | α4 | α5 | α6 | ||
| pzmax | 0．273 1 | －0．038 1 | 0．218 7 | －0．918 7 | 0．123 1 | －0．128 0 | 6．550 7 |
| ps | 0．394 9 | 0．140 8 | －0．123 2 | 0．073 3 | 0．365 0 | 0．403 2 | 6．237 3 |
| Ts | 0．148 2 | 0．535 6 | 0．413 4 | 0．090 1 | －0．240 7 | －0．057 8 | 6．778 9 |
| Ntc | 0．417 4 | －0．009 8 | 0．052 4 | 0．175 2 | －0．016 5 | －0．180 0 | 4．683 5 |
| Tbt | 0．205 7 | 0．347 1 | －0．615 9 | －0．171 7 | －0．544 7 | 0．041 6 | 7．825 7 |
| pbt | 0．379 0 | －0．174 9 | 0．280 0 | 0．252 5 | 0．067 4 | －0．350 5 | 7．160 5 |
| Tk | 0．414 2 | －0．014 5 | －0．047 3 | 0．115 9 | －0．228 8 | －0．369 3 | 5．180 1 |
| pk | 0．398 4 | 0．129 2 | －0．115 2 | 0．071 7 | 0．348 5 | 0．409 2 | 6．136 3 |
| DTk | 0．151 0 | －0．534 8 | －0．438 2 | －0．004 5 | 0．071 8 | －0．201 7 | 6．404 5 |
| Dpk | 0．185 2 | －0．487 7 | 0．313 1 | －0．003 9 | －0．559 6 | －0．562 3 | 7．597 0 |
| 特征根λi | 8．836 4 | 5．829 1 | 3．550 8 | 2．958 8 | 2．284 8 | 1．088 2 | — |
| 35．25％ | 23．26％ | 14．17％ | 11．80％ | 9．12％ | 4．35％ | ||
| 35．25％ | 58．51％ | 72．68％ | 84．48％ | 93．59％ | 97．94％ | ||
| 可见，可以用6个主分量Z1，Z2，Z3，Z4，Z5，Z6代替原来的10个热力参数来表示柴油机的运行状态，因为根据统计信息理论，特征值愈大，表明它所对应的主分量变异性愈大，包含的信息量也愈多，诊断价值愈高，从而大大简化了诊断推理的复杂性。各主分量即为热力参数与相应特征向量各元素乘积之和，即： 这里各特征向量元素αi，j称为主分量系数，它实际上是各热力参数在主分量中的权重，而特征值λi越大，权重的份量越大，另外，通过分析主分量系数的符号和大小，可以理解主分量的主观含义，还可以进一步了解热力参数的信息含量。引入热力参数的信息指标fi，
各热力参数的fi如表3所示。如果某热力参数的指标过低，可以在测试中忽略，从而减少检测参数。 Λ＝［α1，α2，…，α6］ 则： Z＝Y.Λ （12） 不同故障下各主分量的计算结果如表4所示。 表4 主分量计算结果 |
| 故障类型 | 各主分量值Zi | |||||
| Z1 | Z2 | Z3 | Z4 | Z5 | Z6 | |
| 增压器滤器脏堵 | －2．560 1 | 0．143 8 | －0．170 7 | 0．592 2 | －1．000 0 | －0．405 8 |
| 缸套冷却不足 | 0．600 1 | －0．322 7 | 0．367 2 | －0．235 7 | －0．089 1 | 0．213 7 |
| 活塞冷却不足 | －0．976 9 | －0．299 2 | 0．538 3 | 0．111 6 | －0．126 9 | 0．214 1 |
| 中冷器冷却水进口温度过高 | －1．099 0 | 0．959 7 | 1．108 3 | 0．429 8 | －0．416 7 | 0．394 7 |
| 中冷器冷却水进口温度过低 | －3．271 3 | －4．111 8 | －0．905 4 | 0．207 4 | 0．564 3 | －0．245 6 |
| 进气道脏堵 | －0．105 1 | 1．851 1 | －2．060 2 | 0．280 9 | 0．197 8 | 0．205 5 |
| 排气口脏堵 | －0．029 0 | 1．621 9 | －1．757 7 | －0．747 8 | 0．243 5 | 0．141 6 |
| 中冷器脏污 | －1．059 1 | 2．899 2 | 0．859 2 | 0．477 7 | 0．586 5 | －0．653 8 |
| 涡轮喷嘴积碳 | 2．460 0 | －0．511 0 | 0．759 2 | 0．160 4 | 1．171 3 | －0．048 4 |
| 增压器轴承磨损 | －2．080 8 | －0．146 0 | 0．467 7 | 0．369 4 | －0．280 5 | 0．210 9 |
| 缸套冷却水腔气堵 | －0．799 0 | －0．476 4 | 0．617 0 | 0．395 5 | －0．268 3 | 0．243 8 |
| 喷油过迟 | 3．262 1 | －0．402 2 | －0．061 6 | 0．442 3 | 0．295 2 | 0．060 1 |
| 缸内积碳 | －1．314 7 | 0．003 2 | 0．783 2 | －2．527 9 | 0．086 7 | －0．065 7 |
| 高压油泵磨损 | 3．276 7 | －0．405 8 | －0．060 1 | 0．435 1 | 0．283 7 | 0．057 7 |
| 机械磨损过大 | 4．676 1 | －0．798 9 | －0．487 4 | －0．384 4 | －0．323 5 | －0．323 5 |
| 分别以Z1、Z3、Z5为横轴，以Z2、Z4、Z6为纵轴，将各故障的主分量值标在3个直角坐标系上，如图3所示。可见性质相近的故障分布比较集中，如3＃故障与11＃故障，12＃与14＃故障。以热力参数为特征参量，利用r维空间分类的方法可以诊断出性质相近的故障，但实际诊断时应对性能故障进行必要的分类。 对相对偏差矩阵A进行相关分析。 式中： 注：［ ］——指大于0．900的相关系数；（ ）——指大于0．800和小于0．900的相关系数。 |
图3 各故障的主分量值
图4 柴油机性能故障的分类
| 5 结论 （1） 尽管柴油机工作过程非常复杂，但计算表明，只要输入正确的结构参数，确定合理的边界条件和选择恰当的经验模型，可以足够精确地获得柴油机各工况下的热工参数。这为利用程序模型预测柴油机性能，进行故障诊断的仿真建模奠定了基础。 基金项目：上海市教委“署光”计划资助项目。 作者简介：胡以怀（1965-），博士，副教授，主要研究方向为船动力装置动态信真和轮机障诊断。 作者单位：上海海运学院航海技术研究所，上海 200135 参考文献 1 顾宏中．船用柴油机设计手册(3)［M］．北京：国防工业出版社，1979-06．79～111 |
