本文主要介绍如何开展船用柴油机燃烧室部件典型故障的零维/一维热力学仿真。该方法源自学术论文《Thermodynamic simulation-assisted random forest: Towards explainable fault diagnosis of combustion chamber components of marine diesel engines》。在整体仿真思路中，首先需要构建柴油机的物理-数学一维热力学模型，并利用传感器采集的实际运行数据对关键参数进行校准，确保仿真结果与实验测量值之间的偏差处于合理范围内。在此基础上，通过分析各部件的物理失效机制，在仿真软件中微调相关的物理与系统参数（如表面温度、气缸孔径和漏气量等），从而在数值上重构出不同故障状态下的热力学响应数据，为后续诊断模型的建立提供数据支撑。
第一种典型故障为气缸盖开裂（F1）。在热力学仿真模型中，该故障主要是通过调整气缸盖表面温度这一物理参数来进行模拟。在柴油机实际运行中，气缸盖邻近燃烧室的区域承受着交变的热负荷和机械负荷。当裂纹萌生和扩展时，会局部削弱其结构完整性并恶化散热效率，从而引发局部热失控。在仿真模型中，为了体现这一物理失效过程对整个热力学循环的影响，研究者将气缸盖表面温度由正常状态的246.85 ℃提升至346.85 ℃，同时保持活塞温度、缸径和漏气量等其他系统参数不变，以此获取该故障模式下的热力学参数响应。
第二种典型故障为活塞烧蚀（F2）。活塞烧蚀的数值模拟通常涉及热传导恶化和密封性降低两个方面的参数调整。随着活塞表面材料在高温和热负荷下的逐步剥落，其表面会出现温度分布不均和局部高温，同时材料流失也会破坏活塞与气缸套之间的配合间隙，增加燃气向曲轴箱泄漏的通道。在仿真模型中，通过将活塞表面温度由276.85 ℃上调至376.85 ℃，并将漏气质量流量由正常状态的0 Kg/s设定为0.01 Kg/s来表征这两个效应，以此反映活塞烧蚀故障引发的综合热力学响应变化。
第三种典型故障为气缸套磨损（F3）。在仿真实现中，该故障主要通过微调气缸套内径和对应的窜气特征参数来构建。由于吸入的微小颗粒物或润滑不良，缸套内壁在运行中会产生磨损，导致圆度超差及局部孔径变大，这会降低活塞组的密封性能并放大漏气现象。在热力学模型中，研究者通过将气缸内径由标准的620 mm微增至620.1 mm，同时将漏气质量流量调整为0.03 Kg/s，从而在数值上重建气缸套磨损故障引起的气体泄漏和缸内工作过程的变化。
第四种典型故障为活塞环磨损（F4）。活塞环磨损会导致其弹性减弱、端隙增大或密封面磨损，这在热力学特征上最主要的物理表现形式就是燃烧室燃气的向下泄漏（即窜气）。由于该故障相比于缸套磨损对气缸内径本身的影响较小，在仿真建模中，主要是通过受控地调制活塞环处的漏气质量流量参数来实现，将其从正常状态的0 Kg/s调节为0.02 Kg/s，同时保持活塞表面温度、缸盖温度和缸径不变，用以专门研究单一窜气量变化对柴油机系统各监测点热力学变量的影响。
第五种典型故障为活塞环粘着（F5）。活塞环粘着是一种复杂的综合性故障，仿真中协同调整了三个关键热力学参数：缸径、活塞表面温度和漏气量。当活塞环由于积碳或润滑油结焦而卡死在环槽内时，其无法有效贴合缸壁，传热路径被切断，同时密封性能大幅度下降。为了模拟由于热阻增加导致的活塞表面温度升高、缸套磨损和严重窜气，仿真参数中将活塞表面温度从276.85 ℃调整为326.85 ℃，气缸内径调整为620.1 mm，漏气质量流量调整为0.02 Kg/s，由此完成该故障模式的物理重构。
参考文献：
Thermodynamic simulation-assisted random forest: Towards explainable fault diagnosis of combustion chamber components of marine diesel engines[J]. Measurement, 2025, 251: 117252.
数据&代码：https://ts-rf.github.io/
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