0 引　言

受能源危机、环境污染、排放法规日益严格以及燃料成本攀升等因素影响，除了可在传统燃料发动机上运用富氧燃烧、稀薄燃烧、低温燃烧、EGR（废气再循环）、电控直喷等新技术外，发动机代用燃料技术的应用已成为当今重要的课题，尤其在船舶动力方面^{[1 − 5]}。天然气因其价格低廉、储量丰富、排放清洁等优点，受到广泛关注，成为船舶动力重要的替代燃料^{[6 − 8]}。但对于船舶运输，尤其是远洋航运来说，由于航线长、天然气供给站少等原因，目前还不能完全脱离对石油燃料的依赖。LNG/柴油双燃料发动机既可以燃用柴油和天然气的混合气，也可单独燃用柴油，并具有排放清洁、改装方便、运行成本低等优点，成为当前研究热点^{[9 − 11]}。

然而，与传统柴油机相比，双燃料发动机增加了供气系统、燃气喷射系统、电子控制系统等模块，结构更为复杂，其发生故障的几率有所提升，并且一旦发生故障，维修难度较大^{[12 − 13]}。本文以瓦锡兰DF20 LNG/柴油双燃料发动机为研究对象，利用发动机专业仿真软件GT-Power搭建其整机工作过程仿真模型，在满足计算精度和迭代收敛的情况下，更改整机模型的相关参数，对发动机双燃料模式下单缸供气过多、单缸供气过少、引燃油喷油过早、引燃油喷油过迟等故障进行模拟计算，并对结果进行分析，以获得双燃料发动机不同故障以及同一故障不同程度下热工参数的变化规律。通过比较性能参数和热力参数在双燃料发动机各种故障下的变化规律和敏感度的不同，来获取故障-征兆样本集，可以为LNG/柴油双燃料发动机故障诊断系统提供参考依据，对于预防双燃料机严重事故，避免重大危害，降低维修成本，提高设备运行安全性具有重要意义^{[14 − 15]}。

1 双燃料发动机工作过程模型 1.1 基本方程

由热力学理论可知，双燃料发动机的基本热力过程可由质量守恒、能量守恒以及理想气体状态方程来描述^[16]。

1）质量守恒方程：

$ \dfrac{\mathrm{d}m_c}{\mathrm{d}\varphi}=\dfrac{\mathrm{d}m_i}{\mathrm{d}\varphi}-\dfrac{\mathrm{d}m_e}{\mathrm{d}\varphi}+\dfrac{\mathrm{d}m_f}{\mathrm{d}\varphi}。$

(1)

式中：$ {m}_{c} $为气缸内工质质量；$ {m}_{f} $为燃料质量；$ {m}_{i} $为进入缸内空气质量；$ {m}_{e} $为流出气缸气体质量。对于双燃料模式来说，$ {m}_{f} $为天然气和引燃油质量，对于纯柴油模式来说，$ {m}_{f} $为柴油质量；$ \varphi $为曲轴转角。

2）能量守恒方程：

$ \dfrac{\mathrm{d}\left(m_cu\right)}{\mathrm{d}\varphi}=\dfrac{\mathrm{d}m_i}{\mathrm{d}\varphi}h_i+\dfrac{\mathrm{d}Q_F}{\mathrm{d}\varphi}-p\dfrac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}\varphi}-\dfrac{\mathrm{d}m_e}{\mathrm{d}\varphi}h_e-\dfrac{\mathrm{d}Q_w}{\mathrm{d}\varphi}。$

(2)

式中：$ u $为缸内工质比内能；$ {h}_{e} $为排气阀处工质比焓；$ {h}_{i} $为进气阀处工质比焓；$ {Q}_{F} $为燃料燃烧释放热量；$ {Q}_{w} $为气缸与诸壁交换热量；$ V $为气缸工作容积；$ p $为缸内工质压力。

3）理想气体状态方程：

$ \mathit{p}V=m_cTR。$

(3)

式中：T为缸内工质温度；R为气体常数。

1.2 模型搭建

瓦锡兰DF20 LNG/柴油双燃料发动机是一款四冲程、六缸、中速发动机，主要技术参数如表1所示。根据其实机参数，利用发动机一维热力学仿真分析软件GT-Power搭建双燃料发动机整机工作过程模型，一维模型由进排气边界条件、燃气喷射系统、引/燃油喷射系统、进气系统、排气系统、涡轮增压系统、气缸、曲轴箱等组成。模型中各输入参数通过双燃料机说明书以及试验取得，管道相关数据依照技术图纸或试验室测量获得。

1.3 模型验证

为保证模型的准确性，通过采集到的试验数据对模型进行校核与验证。表2为额定工况下发动机双燃料模式主要热工参数试验值与模拟计算值的对比，可见试验值与计算值之间最大误差为3.82%，说明该模型具有较好的可靠性和计算准确性，为接下来双燃料发动机的故障模拟及分析奠定了基础。

2 故障参数设置及特征参数选取

本文将同一故障设置为5个级别，在转速不变的情况下，对额定工况下双燃料发动机整机工作过程模型中相应参数进行调整，对发动机不同故障以及同一故障不同程度下的工作特性进行模拟计算。双燃料发动机故障参数和故障类型设置如表3所示^[17]，其中单缸供气过少、引燃油喷油过早、单缸供气过多、引燃油喷油过迟均设置1#缸为故障缸。

参考相关文献[18 − 20]，选取有效功率P_e、燃油消耗率G_e、最高燃烧压力P_max等热工参数为双燃料发动机工作过程特征参数，如表4所示。设x₀为双燃料发动机正常工作状态下的热工参数，x_i为故障工况下相应热工参数，则热工参数的相对偏差ε为：

$ {\varepsilon }=\frac{{x}_{i}-{x}_{0}}{{x}_{0}} 。$

(4)

3 故障模拟及偏差分析

运行双燃料机整机工作过程模型，对以上故障进行仿真运算，获得不同故障以及同一故障不同程度下热工参数的相对偏差，可以看出相同热工参数对不同故障的敏感度有所差别，同时，各热工参数在不同故障下具有不同的变化规律。

3.1 单缸供气过少和单缸供气过多故障

LNG/柴油双燃料发动机燃气供给系统较为复杂，由LNG储罐、汽化器、稳压阀、缓冲罐、气轨、喷气阀等多个部件所构成，加之实际运行过程中双燃料发动机恶劣的工作环境，随着运转时间的增加，供气系统出现故障的可能性较大。喷气时长不均、喷气压力失常、供气温度过低或过高等均会导致发动机缸内供气量过多或过少。

单缸供气过少、单缸供气过多故障下热工参数的变化情况如图1和图2所示，可见2种故障下热工参数的变化规律基本相反，变化最显著的热工参数为最高燃烧压力，2种故障下其最大相对偏差分别为–15.48%、18.66%。此外，单缸供气过少引起最高燃烧压力大幅降低，排气温度下降，双燃料机功率减小，其他热工参数变化幅度较小；单缸供气过多造成故障缸最高燃烧压力大幅增高，排气温度上升，双燃料机功率增加，压气机出口压力上升、温度升高、流量增加，中冷器出口压力小幅增高。

3.2 单缸引燃油喷油过迟和过早故障

瓦锡兰DF20LNG/柴油双燃料发动机在双燃料模式下运行时，喷入缸内柴油主要起到引燃天然气的作用，能量占比不到5%。单缸引燃油喷油过迟和单缸引燃油喷油过早故障下双燃料机热工参数的变化情况如图3和图4所示。可见，2种故障下，变化最为显著的热工参数是最高燃烧压力，最大变化率分别达–30.5%、39.65%。喷油过迟故障下，随着引燃油喷射时刻推迟，最高燃烧压力降幅逐渐减小，其他热工参数变化幅度较小。引燃油喷射过早故障下，热工参数变化情况与之基本相反。

3.3 中冷器气侧脏堵和中冷器水侧脏堵故障

长期运行于海上的船舶，其机舱环境中含有大量的烟尘、油雾以及海洋空气中的盐雾，发动机进气不洁净会使得气体中的杂质在中冷器气道中堆积，导致气道流通面积减小，进气通过阻力增加，压力损失增大。图5为中冷器气道脏堵故障下热工参数的变化情况，可见，随着脏堵程度的增加，中冷器出口压力逐渐降低，最大故障程度时下降11.42%，压气机流量减小，引起发动机缸内进气减少，燃烧恶化，油耗增高，功率降低，燃烧压力下降，排气温度增高。

海水作为船舶发动机进气冷却的首选介质，在船舶长期运行过程中，海水中所含的盐分等杂质会在中冷器水侧积聚，造成中冷器水侧结垢故障。图6为中冷器水侧结垢故障下热工参数的变化情况，可见，由于水侧积垢使得中冷器导热恶化，中冷器出口气体温度显著升高，故障程度最大时其相对偏差达25%；此外，中冷器出口压力升高，压气机流量减小，油双燃料机耗增加，功率下降，最高燃烧压力小幅上升，排气温度升高，故障程度最大时其相对偏差分别为7.91%、–6.62%、4.24%、–4.07%、2.13%、7.1%。

3.4 空气滤清器脏堵和废气涡轮故障

空气滤清器作为双燃料发动机进气系统的第一道保护装置，可以对进气中的灰尘、盐雾等杂质进行过滤，避免发动机活塞、活塞环、气缸、进排气门等主要部件磨损、腐蚀等故障的发生。图7为空气滤清器脏堵故障下热工参数的变化情况，可以看出，空气滤清器脏堵使发动机进气流通阻力增加，压气机流量明显减少，压气机出口压力下降、出口温度小幅升高，位于其后的中冷器出口压力下降，故障最大程度时其相对偏差分别为–15.83%、–14.63%、3.79%、–14.85%；此外，该故障下气缸进气减少，缸内燃烧品质恶化，排气温度增高，功率降低，油耗增加，最高燃烧压力下降，故障最大程度时其相对偏差分别为10.09%、–3.98%、4.15%、–10.02%。

双燃料发动机增压器的废气涡轮工作时所承受的热负荷较高，易造成流道腐蚀，排放废气中的残余物容易造成叶栅流道和涡轮喷嘴环脏堵，这些情况均会引起废气涡轮效率降低。图8为废气涡轮故障下热工参数的变化情况，可以看出，该故障导致压气机工作效率下降，压气机流量减少、出口压力降低、出口温度下降，故障程度最大时其相对偏离度为–13.52%、–12.72%、–3.83%；位于压气机后的中冷器出口压力下降，双燃料机功率降低，油耗增高，最高燃烧压力下降，排气温度增高，故障程度最大时其相对偏差分别为12.8%、–3.42%、3.55%、–8.69%、9.98%。

4 环境温度影响

船舶航行在不同航区或相同航区不同时段时的环境温度会有所差别，导致双燃料发动机的进气温度变化，进而对发动机的工作过程产生一定影响，文章分别对低温和高温进气条件下的双燃料发动机工作过程进行仿真运算。不同环境温度的设定如表5所示。图9和图10分别为低温进气条件和高温进气条件下双燃料发动机热工参数的变化情况。可以看出，低温进气条件下，随着进气温度的下降，压气机出口气体温度明显降低，压气机流量增大、出口压力升高，中冷器出口压力增高，当环境温度降至268 K时，其相对偏差分别为–10.69%、9.22%、8.25%、8.62%；环境温度下降引起空气密度增大，进气氧浓度（体积浓度）升高，有利于缸内燃烧，双燃料机功率增高，油耗降低，最高燃烧压力上升，当环境温度降至268 K时，其相对偏差分别为：2.08%、–2.04%、5.94%。进气高温条件下，热工参数变化情况与之相反。

5 结　语

本文以LNG/柴油双燃料发动机为研究对象，建立其整机工作过程一维仿真模型，对双燃料发动机额定工况下单缸供气过多或过少、引燃油喷油过迟或过早等故障以及不同环境温度条件进行模拟分析，得出双燃料发动机各故障及不同环境温度下特征参数的变化规律，为LNG/柴油双燃料发动机的故障诊断及排除提供参考依据，主要结论如下：

1）双燃料发动机单缸供气过多或过少故障下，最高燃烧压力变化最为显著，故障程度最大时其相对偏差分别为18.66%、–15.48%；此外，单缸供气过少故障下发动机功率下降，废气涡轮进出口排气温度下降，单缸供气过多故障下，热工参数变化情况与之基本相反。

2）单缸引燃油喷油过早或过晚故障下，最高燃烧压力的变化最为显著，故障程度最大时其相对偏差分别为39.65%、–30.5%，其他热工参数基本不变或变化幅度较小。

3）中冷器气侧脏堵故障下，压气机出口气体压力、中冷器出口压力、最高燃烧压力、压气机流量、涡轮入口排气温度变化较为明显，故障程度最大时其相对偏差分别为12.12%、–11.42%、–8.6%、–13.59%、8.12%，同时双燃料发动机功率小幅降低，燃油消耗率小幅升高。中冷器水侧积垢故障下，中冷器出口气体温度变化最为显著，故障程度最大时其相对偏差达到25%。此外，中冷器水侧积垢故障下中冷器出口气体压力、燃油消耗率、废气涡轮进出口排气温度、压气机出口气体压力、压气机流量等热工参数也有叫明显变化，故障程度最大时其相对偏差分别为7.91%、4.24%、7.1%、7.54%、7.28%、–6.62%。

4）空气滤清器脏堵故障下，压气机出口气体压力、压气机流量、中冷器出口气体压力、最高燃烧压力、涡轮入口排气温度等热工参数变化较为显著，故障程度最大时其相对偏差分别为–14.63%、–15.83%、–14.85%、–10.02%、10.09%，同时该故障下压气机出口气体温度小幅上升，燃料经济性变差，发动机功率降低。废气涡轮故障下，除压气机出口气体温度外，其他特征参数变化情况与空气滤清器脏堵故障相类似。

5）高温进气条件下，双燃料发动机压气机出口气体温度上升、流量减小、压力下降，中冷器出口气体压力下降，双燃料机功率降低，油耗增高，最高燃烧压力下降，涡轮入口排气温度升高，环境温度为328 K时，其相对偏差分别为10.42%、–7.39%、–6.68%、–7%、–1.82%、1.86%、–4.77%、4.26%。低温进气条件下，热工参数变化情况与之基本相反。