船用柴油机燃烧室部件典型故障的热力学仿真方法探讨

燃烧室部件处于船用柴油机内部热力循环的关键位置，其长期的热力与机械负荷交变，使其成为柴油机中故障发生概率较高的重点监测区域。由于在实际运营中直接获取故障数据较为困难，利用热力学仿真进行故障模拟成为一种重要的技术手段。论文《Thermodynamic simulation-assisted random forest: Towards explainable fault diagnosis of combustion chamber components of marine diesel engines》采用了一种基于一维热力学模型的参数微调方法，用以模拟燃烧室部件的典型故障。该方法通过调整系统关键参数，快速获取系统对燃烧室不同故障状态的响应，从而为后续的故障诊断研究提供数据支撑。

 

气缸盖开裂（F1）故障的仿真主要通过微调气缸盖表面温度这一参数来实现。在实际运行中，气缸盖受到交变热负荷与机械负荷的共同作用，特别是在靠近燃烧室的区域。一旦裂纹开始萌生并扩展，不仅会损伤气缸盖整体的结构完整性，导致局部应力集中，还会直接影响热量传导。在仿真中，通过调高气缸盖表面温度参数，可以重现由于散热效率下降而引发的局部热失控现象。

活塞烧损（F2）故障在数值仿真中通过微调两个核心参数进行模拟：活塞表面温度分布以及漏气（blow-by）质量流量。活塞表面的材料退化会引起温度场严重的不均匀分布，导致局部温度大幅升高。与此同时，材料烧损和流失会导致活塞与气缸壁之间的密封配合间隙增大。因此，在仿真中不仅需要调整活塞的表面温度梯度，还需要同步增加漏气质量流量，以表征由于配合间隙变大所导致的气体泄漏。

气缸套磨损（F3）故障的仿真实施主要依赖于对缸径（bore diameter）以及对应漏气流量特征参数的微调。该故障通常是由空气滤清系统失效或密封界面退化导致硬质颗粒进入气缸内部引起的。这些磨料在往复运动中会使缸套内壁产生逐渐的材料剥落，导致缸套失圆或局部孔径变大。仿真过程中，通过调大缸套内径并增大漏气流量，能够准确反映因密封失效、漏气通道扩大而产生的热力学变化。

活塞环磨损（F4）故障的仿真则是通过控制和调制漏气质量流量参数来完成的。活塞环的磨损同样多由气缸内部的磨料引起，会导致活塞环表面发生材料流失。这种磨损会引发活塞环端面出现不均匀变形，进而显著降低活塞环与气缸套之间的密封完整性。在模型中，通过有针对性地调大漏气量，可以模拟由于活塞环磨损带来的气体力学响应和压力损失过程。

活塞环粘着（F5）故障的模拟过程相对复杂，需要通过协同微调缸径、缸套表面温度以及漏气质量流量这三个关键参数来实现。活塞环粘着通常是由于积碳、润滑不良或油泥堆积限制了活塞环在环槽内的正常移动所致。由于活塞环是活塞头部向缸套散热的关键通道，一旦发生粘着，环与缸套界面间的热阻将显著增加，导致活塞表面温度急剧上升，同时也会产生异常摩擦并伴随气体泄漏。通过在仿真中对这三个参数进行组合微调，便能够合理再现这种复合退化机制下的系统状态。

参考文献：

C. Luo, M. Zhao, X. Fu, et al. Thermodynamic simulation-assisted random forest: Towards explainable fault diagnosis of combustion chamber components of marine diesel engines[J]. Measurement, 2025, 251: 117252.

https://ts-rf.github.io/