重型柴油机活塞烧蚀故障仿真：一维热力学仿真建模方法

重型柴油发动机长期在严苛的环境下运行，其燃烧室部件（如活塞、气缸套、气缸盖等）有可能发生各类故障。由于实际运行中获取故障样本数据较为困难且成本高昂，利用数值模拟技术开展故障仿真成为了一种有效的手段。本研究参考了发表在《Measurement》期刊上的论文《Thermodynamic simulation-assisted random forest: Towards explainable fault diagnosis of combustion chamber components of marine diesel engines》，探讨了通过构建一维热力学模型对燃烧室部件常见故障进行定量仿真的技术思路。一维热力学仿真能够通过调节核心系统参数，在短时间内响应并复现特定故障状态下的物理特征，为后续的智能故障诊断提供数据基础。

开展仿真的首要步骤是建立并校验基础的柴油机一维热力学模型。该模型需要包含系统边界、进排气歧管、增压器、中冷器以及各个气缸等核心物理模块。

为了使仿真模型能真实反映发动机的实际运行状态，通常使用来自监测系统在稳定工况下的实测数据（如功率、转速、排气温度、冷却水温度等）对模型参数进行标定。研究表明，在额定工况下，经校准后的模型输出参数与实验测量值的偏差可以控制在较低范围内（如小于 5%），这为后续故障状态的模拟奠定了可信的基准。

在基准模型验证通过后，即可通过调整关键热力学参数来模拟活塞烧蚀（F2）等特定故障。

活塞烧蚀故障在物理本质上表现为活塞表面材料受到高热负荷而产生不均匀降解，从而导致局部温度异常升高，并由于材料磨损而使活塞与气缸套之间的密封性受损。

在仿真建模中，这一物理过程可以通过精细调整两个关键物理参数来实现：一是调高活塞表面温度分布，二是设置对应的漏气质量流量，以此定量地模拟因热烧蚀导致的漏气通道与热力学边界变化。

状态/故障类型	漏气质量流量 (Kg/s)	活塞表面温度 (℃)	气缸直径 (mm)	气缸盖表面温度 (℃)
正常状态 (F0)	0.00	276.85	620	246.85
活塞烧蚀 (F2)	0.01	376.85	620	246.85

通过运行调整后的热力学模型，能够获得一个完整工作循环内（0至360度曲轴转角）各项热力学参数的瞬态变化曲线。对比正常状态（Normal.csv）与活塞烧蚀状态（Piston-ablation.csv）的瞬态仿真数据可以观察到，活塞表面温度的升高与气体泄漏的发生对气缸内压力、气缸内温度以及壁面换热量产生了明显的波及效应。

例如，气缸瞬态最高温度因边界条件改变而产生偏移，活塞壁面热流和气缸套壁面热流的分布规律也发生了改变。这些物理量随曲轴转角变化的波形差异，构成了诊断该故障的特征信号。

这些通过仿真获取的瞬态和稳态热力学参数，可直接转化为故障诊断数据集，用于训练数据驱动的模型（如随机森林）。借助于可解释性工具（如 SHAP 分析方法），诊断系统能够定量评估不同物理参数在识别活塞烧蚀故障时的重要程度，明确如排气温度、漏气热流和气缸套热流等指标对诊断结果的贡献权重。

这种热力学仿真结合机器学习的诊断思路，不仅降低了对实际物理故障样本的依赖，而且能够从热力学机理上解释模型的决策机制，为工业现场提供具有物理背景的决策支持。

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.

仿真数据与代码：TSRF: Explainable Fault Diagnosis for Marine Diesel Engines