在内燃机的运行维护中，燃烧室部件的健康状态至关重要。活塞环粘着作为一种典型的物理故障，会严重削弱活塞与气缸套之间的密封与传热性能。
为了系统地研究这一故障的演变规律与热力学响应，可以参考学术界最新的研究成果。在发表于《Measurement》期刊的论文《Thermodynamic simulation-assisted random forest: Towards explainable fault diagnosis of combustion chamber components of marine diesel engines》中，研究人员提出了一种将热力学仿真与数据驱动相结合的诊断框架（见图1）。基于该论文阐述的物理机制，本文将重点探讨如何利用一维热力学仿真模型来再现内燃机活塞环粘着故障。
开展仿真的第一步是构建内燃机的一维热力学模型，其系统结构如图2所示。该模型整合了系统边界、进排气歧管、增压器、中冷器以及多个气缸等关键部件，并设置了多个监测点以捕获温度、压力和热流量等热力学参数。
在模拟故障前，需要利用正常工况下的试验数据对模型的基本结构和热力学参数进行校准。通过对比仿真输出与实测的功率、转速、排气温度等关键指标，确保基准模型能够较为客观地反映内燃机在无故障状态下的热动力学特性。
活塞环粘着故障在物理本质上主要源于积碳、润滑油膜不足或油泥堆积，导致活塞环无法自由移动，丧失正常的密封与导热功能。为了在一维热力学模型中再现这一复杂的劣化状态，需要采用特定的参数微调方法，主要包括以下几个维度的参数设置：
- 等效缸径微调：通过微调等效缸径，来模拟由于活塞环异常摩擦或粘着拉缸所导致的气缸套几何尺寸变化。
- 表面温度调整：调整气缸套和活塞等表面的温度分布，用以表征由于活塞环丧失导热通道、热阻增加而导致的局部高热负荷状态。
- 气体泄漏率微调：调整气缸的漏气质量流量，以反映由于活塞环与缸壁失效所造成的燃气泄漏路径。
在故障参数微调并运行热力学计算后，仿真模型会输出一系列能够灵敏反映故障状态的热力学参数。结合图6以及“Normal.csv”与“Ring-adhesion.csv”数据，活塞环粘着故障会引起一系列连锁的热力学响应。由于活塞环无法正常传递热量，活塞顶部的热负荷会增加，从而使活塞壁面热流量发生改变。
伴随着气体的持续泄漏，漏气热流量和漏气量均表现出不同于正常状态的偏离。气缸内的压力与温度历程、甚至排气管处的温度与压力，也会因为膨胀做功过程中的漏气损失而呈现出特定的波动，这为故障判定提供了特征支撑。
基于一维热力学仿真获取的故障特征数据集，不仅能够弥补实际运行中物理故障样本稀缺的缺陷，还为后续智能故障诊断模型的训练提供了输入。
如图11所示，通过将仿真生成的数据与可解释性分析方法（如SHAP值法）相结合，研究人员可以定量评估各热力学指标对活塞环粘着故障分类的贡献权重。
这种基于热力学理论与数据驱动相结合的融合策略，使诊断模型能够超越传统的黑盒局限，揭示出诸如漏气热流量、气缸套热流量等特征是如何指导诊断模型做出决策的，从而为内燃机活塞环粘着故障的视情维护提供了科学且符合物理规律的参考依据。
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.
Github主页：https://ts-rf.github.io/
https://github.com/TS-RF/TSRF/tree/main/data
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