摘 要

在现代科学技术快速发展，海洋环境保护条例日趋严格的背景下，船舶柴油机正在往智能化、大型化、绿色化方向发展。这标志着船舶柴油机仍需要进一步的优化设计，而进一步优化必然离不开理论设计与实验验证。在当前计算机仿真技术十分成熟的社会背景下，对柴油机进行工作分析及实验验证新型设计采用虚拟柴油机实验台架进行仿真实验是一种十分有效有节约实验成本的方法。出于此背景，本文以MAN Bamp;W L16/24型柴油机为仿真对象，搭建与之对应的虚拟柴油机实验台架，并尝试性进行故障仿真应用。本文主要工作如下：

（1）查找相关资料，对热工过程的角度柴油机各个部分进行分析，使用零维模型的方法搭建柴油机各部分的数值计算模型。

（2）以AVL_BOOST软件为平台，结合柴油机各个部分的数值计算模型对柴油机进行建模搭建完整的。模型搭建完成后借助AVL_BOOST平台对柴油机的功率、有效压力与燃油消耗率等热工参数进行仿真，并与柴油机实验台架数据进行对比，验证模型的准确性。

（3）在建立好的虚拟柴油机实验平台上，对柴油机的常见故障进行仿真模拟计算。本文选取的常见故障有：涡轮增压器低效、喷油提前、、喷油滞后、单缸供油不足四个常见故障。通过仿真结果分析故障对柴油机主要性能参数的影响。并根据柴油机工作原理分析故障仿真结果的合理性。

关键词：柴油机；工作过程；仿真模拟；AVL_BOOST；故障仿真

Abstract

Under the background of the rapid development of modern science and technology and increasingly stringent marine environmental protection regulations, marine diesel engines are moving toward the direction of intelligence, large-scale, and green development. This indicates that the marine diesel engine still needs further optimization design, and further optimization must be inseparable from theoretical design and experimental verification. Under the current social background that computer simulation technology is very mature, the work analysis and experimental verification of the diesel engine adopts a virtual diesel engine test bench for simulation experiments. It is a very effective method to save experimental costs. For the purpose of this paper, the MAN Bamp;W L16/24 diesel engine is used as the simulation object, and the corresponding virtual diesel engine test bench is built, and the fault simulation application is attempted. The main work of this paper is as follows:

(1) Find relevant data, analyze each part of the diesel engine from the perspective of the thermal process, and use the method of zero-dimension model to build the numerical calculation model of each part of the diesel engine.

(2) The AVL_BOOST software is used as a platform to integrate the diesel engine's numerical calculation model to build a complete model for the diesel engine. After the model was built, the AVL_BOOST platform was used to simulate the thermal parameters such as the power, effective pressure and fuel consumption of the diesel engine, and compared with the experimental data of the diesel engine test bench to verify the accuracy of the model.

(3) Simulate the common faults of the diesel engine on the established virtual diesel engine experimental platform. The common faults selected in this paper include four common faults: turbocharger inefficiency, injection advance, injection delay, and single-cylinder shutdown. The effect of the fault on the main performance parameters of the diesel engine is analyzed through simulation results. According to the working principle of diesel engine, the rationality of fault simulation results is analyzed.

Key Words:Diesel engine; Working process; Simulation; AVL_BOOST; Fault simulation

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本文的主要工作 3

第二章 柴油机工作过程建模 4

2.1柴油机气缸数学模型 4

2.1.1建模基本假设 4

2.1.2气缸内热力学过程微分方程 4

2.1.3燃烧放热模型 6

2.1.4气缸换气过程模型 6

2.1.5气缸工作容积模型 6

2.1.6气缸壁面传热模型 7

2.2进排气系统模型 8

2.2.1气阀流量的计算模型 8

2.2.2废气涡轮增压器模型 9

2.2.3中冷器模型 10

2.3本章小结 10

第三章 建立虚拟柴油机实验平台并验证 11

3.1AVL_BOOST软件简介 11

3.1.1AVL_BOOST软件概况 11

3.1.2AVL_BOOST 软件运用介绍 11

3.1.3AVL_BOOST软件功能简介 11

3.2MAN Bamp;W L16/24 柴油机概况 12

3.3 MAN Bamp;W L16/24柴油机仿真模型建模 12

3.3.1建模方案 12

3.3.2整机建模 13

3.3.3AVL_BOOST仿真模型的参数设置 13

3.4AVL_BOOST仿真模型的验证 18

3.5本章小结 18

第四章 虚拟柴油机实验平台的故障仿真应用 19

4.1柴油机的故障概述 19

3.3.1柴油机故障的基本类型 19

3.3.2柴油机故障热工参数的选取 20

4.2柴油机几种常见故障的仿真方案 20

4.3常见柴油机故障仿真结果分析 21

4.3.1涡轮增压器低效 22

4.3.2喷油提前 22

4.3.3喷油滞后 23

4.3.4单缸喷油不足 24

4.4本章小结 24

5.1总结 25

5.2展望 25

参考文献 27

致 谢 29

绪论

柴油机的热效率高、启动容易、综合效益好且对各类型船舶都有很大的适应性，因此，自问世之后便被作为船舶的主推进装置。自1912年世界上第一艘远洋柴油机船Selandia轮投入营运后，到目前为止，柴油机仍然是船舶主动力装置使用最多的设备。而且根据柴油机的特点，在未来很长一段时间内柴油机在船舶主动力装置方面仍占据主导地位。同时，随着国际上对船舶排放标准的逐步提高，船舶柴油机还要进行进一步的性能优化和管理优化。因此，对船舶柴油机及其动力装置的研究仍然是一个重要的课题，其中就包括柴油机建模与仿真的研究。

1.1研究背景及意义

随着海洋环境污染的不断加重，国际对船舶排放的限制在逐步挺高。同时能源的短缺和航运业目前低迷的经济环境使得高经济效益、节能和环保成为未来船舶和航运业重要发展方向^[1]。柴油机作为当前船舶的主流动力装置，如何实现柴油机的高经济效益、节能和环保的运行显得至关重要。然而由于柴油机的构成及工作过程较为复杂，要达到既要提高柴油机的经济效益又要降低它的能耗和污染物排放指标的优化目标将十分困难。需要我们更加详尽的掌握柴油机在不同工况和不同环境下的运行参数，这一点在实际实验中是很难获得所有数据的，且实验成本也将大幅度提高。因此，搭建虚拟的柴油机实验台架来预测柴油机在不同工况和不同环境下的状态参数便成为了一个重要的研究课题。

另外，船舶柴油机作为船舶的主动力装置，是船舶能源的主要提供者。当船舶柴油机发生故障时，将直接影响到整艘船舶的安全性能及操作性能，严重时甚至威胁到船上人员的生命安全。在世界几个主要柴油机制造公司公布的统计资料中显示，主柴油机故障占到船舶总故障的38%左右，这说明了主柴油机在船舶中是十分薄弱的环节^[2]。如何提高主柴油机的可靠性，降低柴油机的故障频率和故障所带来的损失也是目前柴油机研究的重要目标。而要达到这一目标需要我们对柴油机的故障参数有足够的的了解，在故障发生时或发生前做出准确的预测^[3]。但是在现实生活中通过试验获得柴油机各种故障的详细故障参数是不太现实的，即耗时又耗钱且危险性较高。而通过搭建虚拟的柴油机实验台架来模拟柴油机故障进而获得大量详细的柴油机故障数据也完美的解决了这一问题。

1.2国内外研究现状

与汽油机相比柴油机的热效率更高，输出功率范围更广，因此柴油机广泛用于船舶、飞机、工程机械及汽车领域。柴油机模型的搭建研究也有着悠久的历史，柴油机模型不仅可以让科研工作者进一步的了解柴油机的工作原理，在缩短柴油机的设计、优化及验证周期上也有着关键性的作用。由于建模目的和建模数据及时间的不同，柴油机的建模类型和复杂程度也有很大的不同。在之前搭建的柴油机模型中，既有简单的稳态平均扭矩查表模型，也有复杂的包含燃烧细节和时变转动惯量的模型^[4]。早期的柴油机模型多是一些简单且容易实现的柴油机模型，它们主要用于模拟柴油机的线性控制，如Flower等人做出的传递函数模型^[5]和Kamei等人制作的线性模型^[6]。这些简单的模型并不能满足现代柴油机控制和仿真的要求。但随着计算机技术的飞速发展，利用计算机对柴油机内部热力学过程和工质运动过程及变化的进行仿真模拟研究的技术越来越成熟，各种更加精确的非线性柴油机模型逐渐成为了柴油机模型研究的主流。

由于计算机仿真研究是基于各种经验公式与数学公式模型搭建起来的计算机仿真模型，所以仿真研究计算可以不受实验条件的限制，不需要实机运行，实验的成本低，所需要的时间短，可以大胆尝试，更改参数来研究其所能带来的影响，所以可以在短时间内获得大量的一手数据。因此，内燃机刚诞生，D.Cler就使用了气体标准循环分析对比了各种内燃机的热效率^[7]、随后，R.Diesel就提出了如等压燃烧或者等温燃烧等不同的燃烧循环模型^[8]。直到计算机技术的出现，带动了仿真技术的飞速发展，从此柴油机工作过程计算的仿真研究就迎来了飞速发展期，前后大致可分为四个时期：

热效率计算时期^[9]：20世纪60年代前后，人们主要利用示功图，根据各种经验公式和能量守恒定律、质量守恒定律以及理想状态方程来预估柴油机的实际热效率，再来逆推缸内的燃烧特性和过程。这种方法简便，但由于很多细节部分不去计算，所以这种方法虽然给柴油机的燃烧特性的评定提供了依据，但是无法反应更细节的部分。

零维模型时期^[10]：在示功图计算热效率的基础上，人们根据实际需要发展出了零维模型。零维模型将缸内看成理想状态，工质均匀，不考虑流体力学的变化过程，将每一个时刻都看成均匀状态，将复杂的缸内物理化学过程看成是一个简单的刚内外的能量交换过程。由于计算成本低，变量少，这种模型在工程实际模拟计算中运用了比较多。

准维模型时期^[11]：准维模型将缸内燃烧室分成若干个区域，每个区域的状态不同，参数不同，但区域内仍认定为理想平衡状态的零维模型。这在一定程度上反应了缸内复杂的物理化学过程中的参数的空间变化。结果更接近于实际。但是，由于柴油机的工作过程所涉及到的参数与变化极其之复杂，现在工程实际应用中一般会根据不用的机型，忽略影响较小的参数，选用不同的准维模型，在简单化计算成本的前提下，使计算结果更加符合实际，因此在工程实际中被大量采用。

多维模型时期^[12]：多维模型也叫做流体力学模型，利用流体力学的理论依据，更加具体的描述了缸内的复杂的物理化学变化，在遵循示功图、零维模型和准维模型的规律的基础上，可以得到更加具体的压力、温度以及速度等参数在缸内的空间分布变化。由于多维模型能描述更多的细节部分，所以一般用于模拟柴油机的缸内气态工质的流动，燃烧扩散过程以及湍流动态过程等。

1.3本文的主要工作

查找相关资料，对热工过程的角度柴油机各个部分进行分析，使用零维模型的方法搭建柴油机各部分的数值计算模型。

以AVL_BOOST软件为平台，结合柴油机各个部分的数值计算模型对柴油机进行建模搭建完整的柴油机数值计算模型。柴油机数值计算模型搭建完成后借助AVL_BOOST平台搭建虚拟柴油机实验平台对柴油机的功率、有效压力与燃油消耗率等热工参数进行仿真，并与柴油机实验台架数据进行对比，验证模型的准确性。

在建立好的虚拟柴油机实验平台上，对柴油机的常见故障进行仿真模拟计算。本文选取的常见故障有：涡轮增压器低效、喷油提前、、喷油滞后、单缸供油不足四个常见故障。通过仿真结果分析故障对柴油机主要性能参数的影响。并根据柴油机工作原理分析故障仿真结果的合理性。

第二章 柴油机工作过程建模

柴油机是一个复杂的系统，对其进行完全仿真是不太现实的。一般我们都会根据仿真的目的选择性的对一部分主要影响因素进行建模，而对仿真目的影响不大的因素则选择性的忽略。本文目的是搭建一个虚拟的柴油机实验台架以获得柴油机工作时的工质状态参数及柴油机性能参数。因此在进行数学建模时主要对柴油机的气缸内工作过程和进排气系统进行建模，只考虑工质在柴油机各子系统的质量流动和能量流动及其气体状态参数，不考虑柴油机气缸内的详细燃烧过程及燃烧产物^[13]。所以在选择建模方法时选择零维模型建模，这种方法不需考虑工质在空间上的不均匀性，只在宏观上对柴油机各个工作过程进行数学描述。

2.1柴油机气缸数学模型

2.1.1建模基本假设

柴油机工作复杂，运行时包含着各种机械、热工变化过程，本文采用零维模型法建模，把柴油机按照各个系统划分为一系列模块，再依据热力学原理对其状态变化进行数学描述，最后通过能量和质量的流动将各部分联系起来。为简化计算，对其进行如下的简化假设^[14]：

1. 各控制容积内工质分布均匀，其浓度、压力、温度等各项参数不随空间坐标而变化，仅随时间(或曲轴转角)而变化；
2. 视内部气体为理想气体，其状态可用质量和能量守恒方程方程及理想气体状态方程确定；
3. 缸内燃料的燃烧为完全燃烧，且在进气时缸内残留废气与压缩空气能迅速混合；
4. 系统内工质在进、出口处的流动视作准稳定流动，且气缸内默认为封闭，无泄漏发生。

2.1.2气缸内热力学过程微分方程

柴油机的气缸视作一个完整的热力学系统，活塞顶、缸盖触火面和汽缸壁为该热力学过程的边界。

2.1.2.1能量守恒方程

由热力学第一定律知，能量在传递和转换的过程中为守恒的，即Q=△U W，△U系统内能的增量，W为外界环境对系统所做的功，Q为系统对外界做的功，即缸内燃烧过程做功、摩擦做功、热传导和热辐射做功以及工质进出所携带的能量的代数和^[15]，即：

注释：

——缸内工质质量[kg]

——气缸漏气的气体损失量[kg]

——流进缸内的工质的质量[kg]

——流出缸的工质的质量[kg]

——工质比内能[]

——缸内压力[Pa]

——工作容积[

——燃烧做功[]

——热传导损失的热量[]

——泄露工质的晗[]

——进气阀阀口工质比焓[]

——排气阀阀口工质比焓[]

——曲轴转角[]

2.1.2.2质量守恒方程

注释：

——喷油量[kg]

2.1.2.3 理想气体状态方程

理想气体状态方程：

注释：

——缸内温度[K]

——理想气体常数[]

工质温度、压力和质量决定缸内工质状态，可由方程2.1.2.1、 2.1.2.2 、2.1.2.3解出得到。

2.1.3燃烧放热模型

柴油机燃烧过程遵循燃烧放热规律，缸内温度、压力和燃烧速度都与燃烧规律有关。

在AVL BOOST软件中燃烧模型分为零维和准维，主要有Vibe、Double Vibe、table、Waschni/Anisits等模型燃烧模型供我们选择。而对于发动机的燃烧过程，一般选用韦伯模型^[16]：