一种基于模型的船用发动机气缸窜气故障模拟方法技术

本发明专利技术提供一种基于模型的船用发动机气缸窜气故障模拟方法，基于7G80MEC9二冲程柴油机，包括以下步骤：根据能量守恒定律、质量守恒定律和理想气体状态方程，构建发动机气缸模型；根据能量守恒定律、质量守恒定律，构建发动机进排气模型；根据发动机的增压空气的map图谱，构建发动机EGB模型；根据发动机的增压器特性图谱，构建发动机的增压器模型；根据数学公式构建发动机中冷器模型；通过模型仿真计算得出发动机各性能参数变化信号；观察所述发动机各性能参数变化信号的变化规律、趋势和幅值，并对其进行分析，判断发生窜气故障的程度；通过控制变量法，在不同的因素下，进行缸内活塞环窜气故障模拟。环窜气故障模拟。环窜气故障模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型的船用发动机气缸窜气故障模拟方法


[0001]本专利技术涉及故障模拟
，具体而言，尤其涉及一种基于模型的船用发动机气缸窜气故障模拟方法。

技术介绍

[0002]近年来，船舶能效和远洋船舶NOx排放的严格国际法规使得节能减排成为航运业的主题。由于其燃油经济性和可靠性，大多数大型商业船舶都由低速二冲程船用柴油发动机驱动。而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。
[0003]对于发动机气缸窜气故障的研究工作目前大部分集中于车用发动机领域，船用发动机领域的研究较少。在车用发动机方面，随着汽车排放法规的日益加剧，曲轴箱通风系统已经成为汽车发动机不可忽略的附件系统。在发动机正常运行时，燃烧室燃料燃烧产生的废气会从活塞环与缸套之间的缝隙中泄露出来，窜漏出来的气体在曲轴箱累积，如果不能及时排出，将会导致密封失效，润滑油泄露严重，功率降低，还有可能会引起曲轴箱内气体的闪燃，从而致使发动机损坏。曲轴箱通风系统在早期主要是连接一个单向阀，直接通向大气，来维持曲轴箱内压力的正常，即开式曲轴箱通风系统。后来，防止污染大气，研究人员窜气通向进气歧管重新引入燃烧室进行燃烧，这就是经常用到的闭式曲轴箱通风系统。
[0004]为了模拟船用大型低速柴油机的气缸窜气故障，分析气缸窜气的影响因素，研究气缸窜气的检测方法，需要建立考虑气缸窜气和曲轴箱通风的柴油机整机模型。提出了通过研究曲轴箱通风系统对于进气系统的加热效应，进而研究气缸发生的窜气故障的方法。

技术实现思路

[0005]根据上述
技术介绍
中提到的技术问题，而提供一种基于模型的船用发动机气缸窜气故障模拟方法。本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种基于模型的船用发动机气缸窜气故障模拟方法，基于7G80MEC9二冲程柴油机，包括以下步骤：
[0007]步骤一：根据能量守恒定律、质量守恒定律和理想气体状态方程，构建发动机气缸模型，所述发动机气缸模型包括：构建放热模型、传热模型、燃料性质、活塞环窜气模型和气体交换模型并推导得出热性能参数；
[0008]步骤二：根据能量守恒定律、质量守恒定律，构建发动机进排气模型，获得进排气的压力、温度、质量参数；
[0009]步骤三：根据发动机的增压空气的map图谱，构建发动机EGB模型，获得瞬态废气旁通质量流量；
[0010]步骤四：根据发动机的增压器特性图谱，构建发动机的增压器模型，获得增压器出口的质量流量、出口温度和瞬时对应的转速；
[0011]步骤五：根据数学公式构建发动机中冷器模型，获得中冷器效率以及出口温度；所述的数学公式为：T
s
＝T
co
‑
η
c
·
(T
co
‑
T
ws
)
[0012]其中，T
s
表示中冷器出口温面，T
co
表示压气机出口温度，η
c
表示冷却系数的，η
c
取值范围为0.7～0.9，T
ws
表示冷却介质温度；
[0013]步骤六：通过模型仿真计算得出发动机各性能参数变化信号；对比发动机各性能参数仿真计算数据与发动机台架试验数据，若误差小于5％，则说明构建的发动机零维整机模型仿真精度满足故障模拟的要求，执行步骤七；若误差大于等于5％，则重新执行步骤一；同时观察所述发动机各性能参数变化信号的变化规律、趋势和幅值，并对其进行分析，判断发生窜气故障的程度；
[0014]步骤七：通过控制变量法，在不同的因素下，进行缸内活塞环窜气故障模拟。
[0015]进一步地，所述放热模型通过双Wibe函数描述燃烧过程。所述Wibe函数为：
[0016][0017][0018][0019]其中，χ表示燃烧百分数，χ1表示预混合燃烧百分数，χ2表示扩散燃烧百分数，Q
d
表示扩散燃烧分数，θ
z
表示预混燃烧始点，m1与m2分别表示预混燃烧品质系数与扩散燃烧品质系数，τ表示预混燃烧领先角，表示扩散燃烧始点；
[0020]进一步地，所述传热模型通过假设气缸壁温度恒定值的对流传热来估算，并通过Woschni关系式构建所述传热模型；
[0021]所述Woschni关系式为：
[0022][0023]其中，i＝1,2,3，分别代表缸盖、活塞顶和缸套；a
w
表示由Woschni模型计算得到的瞬时传热系数；A
w,i
表示暴露于气缸工质的传热表面积；T
Z
表示气缸内的气体温度；T
w,i
表示传热面的平均温度，与T
Z
相比为常数。
[0024]更进一步地，所述气体交换模型根据扫气口和排气阀的开口面积以及扫气箱和气缸之间的压差构建；所述扫气口的扫气质量流率以及所述排气阀的气质量流率通过孔口的等熵流来估算；
[0025]所述等熵流描述为当该孔口上下游截面压力满足方程时，工质为亚临界流动状态，此时质量流动为：
[0026][0027]当该孔口上下游截面压力不满足方程时，工质为临界流动状
态，此时质量流动为：
[0028][0029]其中，p
e
和p
z
表示排气管内压力和缸内压力；μ为流量系数，A为孔口流通面积；R
Z
为理想气体常数；k为工质的绝热指数。
[0030]更进一步地，所述活塞环窜气模型根据层流和可压缩流的孔流模型估算通过活塞环的窜气质量流量和窜起能量损失；所述孔流模型为：
[0031][0032]其中，C
bb
表示窜气流量系数；A
bb
表示窜气泄漏等效面积，f
m
根据不同的窜气流动状态求出。
[0033]进一步地，所述进排气模型中扫气与排气管均采用开放式系统；通过能量守恒、质量守恒和理想气体状态方程求解，以获得每个曲柄角步骤中的压力、温度、质量和气体成分。
[0034]进一步地，所述EGB模型中包括EGB阀；所述EGB阀的开口面积由电子控制单元ECU控制，瞬态EGB质量流率根据EGB阀前后的压力差和开口面积计算。
[0035]进一步地，所述增压器模型通过增压器功率和出口温度由压力比、压气机效率和质量流率的关系导出。
[0036]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0037]结合模型仿真结果可以看出，本专利技术考虑了缸内活塞环窜气的发动机模型的仿真效果和调节性准确且高效，可以有效地对缸内活塞环窜气故障进行检测模拟、因此基于曲轴箱通风系统，即考虑了活塞环窜气的低速二冲程发动机模型可以作为活塞环窜气的研究模型，以搭建的发动机模型为研究基础的活塞环窜气故障模拟方法可行。
[0038]在本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模型的船用发动机气缸窜气故障模拟方法，基于7G80MEC9二冲程柴油机，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：根据能量守恒定律、质量守恒定律和理想气体状态方程，构建发动机气缸模型，所述发动机气缸模型包括：构建放热模型、传热模型、燃料性质、活塞环窜气模型和气体交换模型并推导得出热性能参数；步骤二：根据能量守恒定律、质量守恒定律，构建发动机进排气模型，获得进排气的压力、温度、质量参数；步骤三：根据发动机的增压空气的map图谱，构建发动机EGB模型，获得瞬态废气旁通质量流量；步骤四：根据发动机的增压器特性图谱，构建发动机的增压器模型，获得增压器出口的质量流量、出口温度和瞬时对应的转速；步骤五：根据数学公式构建发动机中冷器模型，获得中冷器效率以及出口温度；所述的数学公式为：T
s
＝T
co
‑
η
c
·
(T
co
‑
T
ws
)其中，T
s
表示中冷器出口温面，T
co
表示压气机出口温度，η
c
表示冷却系数的，η
c
取值范围为0.7～0.9，T
ws
表示冷却介质温度；步骤六：通过模型仿真计算得出发动机各性能参数变化信号；对比发动机各性能参数仿真计算数据与发动机台架试验数据，若误差小于5％，则说明构建的发动机零维整机模型仿真精度满足故障模拟的要求，执行步骤七；若误差大于等于5％，则重新执行步骤一；同时观察所述发动机各性能参数变化信号的变化规律、趋势和幅值，并对其进行分析，判断发生窜气故障的程度；步骤七：通过控制变量法，在不同的因素下，进行缸内活塞环窜气故障模拟。2.根据权利要求1所述的一种基于模型的船用发动机气缸窜气故障模拟方法，其特征在于，所述放热模型通过双Wibe函数描述燃烧过程。所述Wibe函数为：所述Wibe函数为：所述Wibe函数为：其中，χ表示燃烧百分数，χ1表示预混合燃烧百分数，χ2表示扩散燃烧百分数，Q
d
表示扩散燃烧分数，θ
z
表示预混燃烧始点，m1与m2分别表示预混燃烧品质系数与扩散燃烧品质系数，τ表示预混燃烧领先角，表示扩散燃烧始点。3.根据权利要求1所述的一种基于模型的船用发动机气缸窜气故障模...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾鸿，谢斐，孔维奇，陆昊，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：