船用低速二冲程柴油机气缸盖裂纹故障的一维热力学仿真初探

在船用低速二冲程柴油机气缸盖裂纹故障的研究中，除了传统的三维力学与传热分析外，一维热力学系统建模也是一种从整机系统层面快速获取热力学响应的探索性方法。

参考发表在学术期刊上的论文 "Thermodynamic simulation-assisted random forest: Towards explainable fault diagnosis of combustion chamber components of marine diesel engines"，首先构建包含气缸、扫气箱、排气管、增压器等部件的一维热力学整机模型，并利用实船传感器采集的运行数据对模型进行标定。气缸盖裂纹故障的仿真并不是直接模拟微观结构裂纹的物理扩展，而是通过在热力学模型中调校关键物理边界参数——具体为调高气缸盖表面温度以反映裂纹导致的局部散热恶化和热量积聚现象，从而在系统层面上快速获得发动机故障状态下的热力学响应特征。

船用低速二冲程柴油机作为大型船舶的主动力推进系统，具有缸径大、冲程长、转速低以及有效热效率高等显著特点。其气缸盖作为燃烧室的重要几何与热力边界，不仅长期承受着周期性交变的高压燃气爆发冲击，还直接与高达千度以上的燃气进行剧烈的热交换。在这种极其恶劣的机械负荷与高交变热应力的双重作用下，气缸盖相邻的燃烧室表面极易产生疲劳微裂纹。一旦气缸盖结构由于制造缺陷、冷却不均或长期热疲劳产生裂纹，将会直接导致局部的传热屏障发生改变，阻碍原有冷却通道的散热效率，诱发缸内热流分配的失衡，最终打破柴油机整机的热力学平衡状态。

在一维热力学仿真中，气缸盖裂纹故障（F1）对系统状态参数产生明显的干扰，这在仿真输出数据（该论文生成的Normal与Head-crack仿真数据）中得到了直接体现。

• 首先，缸内燃气温度（Cylinder-Tem）表现出明显的上升趋势，由于故障状态下气缸盖表面温度被设定调高，这直接减少了缸内工质向气缸盖壁面的热传导损失，使得在相同的压缩与膨胀行程中，气缸内介质的整体热量留存增加。例如在曲轴转角0度时，正常状态下的气缸温度约为890.5 K，而故障仿真中气缸温度升至约925.7 K。
• 其次，气缸盖壁面热流（HeadWallHeatFlow）绝对值变小，说明通过气缸盖向冷却介质散失的热量降低，这也直接反映了气缸盖由于表面温升及散热效率恶化而产生的热传导受阻。

除了直接影响气缸内部的状态，热力学平衡的改变也会向下游排气系统传导。例如，涡轮前排气温度与压力（Turbine-in-Tem & Turbine-in-Pre）也表现出同步的温升。这是因为缸内散热减少、燃气能量增加，导致排气阀开启及废气排出过程中，进入增压器涡轮前的废气温度整体高出正常值，进而在一定程度上改变了涡轮的功率输出。

此外，涡轮后排气温度（Turbine-out-Tem）和排气主流温度（Out-Tem）也呈现出类似的温升特征。在利用论文中所采用的SHAP等可解释性分析方法中，排气温度常被识别为诊断气缸盖裂纹等高温关联故障的关键宏观指标。

综上所述，一维热力学仿真方法通过边界参数的精细化调校，能够较为客观地复现船用低速二冲程柴油机在气缸盖裂纹故障下的热力学演变规律。这种建模方法不依赖于高耗时的三维有限元传热与疲劳结构计算，能够在短时间内生成大量的、能反映系统层面特征的故障样本数据。

 

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.

仿真数据和代码：TSRF: Explainable Fault Diagnosis for Marine Diesel Engines