在内燃机运行状态监测与健康管理中针对关键部件开展故障仿真是获取故障特征数据的有效途径。本技术博客基于发表于《Measurement》期刊的学术论文《Thermodynamic simulation-assisted random forest: Towards explainable fault diagnosis of combustion chamber components of marine diesel engines》重点介绍一种基于一维热力学建模的内燃机活塞环磨损故障仿真方法。该方法通过物理建模与参数微调重现活塞环磨损导致的密封失效过程为数据驱动的诊断模型提供合理的仿真数据集。开展仿真的第一步是构建并校准内燃机的一维热力学模型。如论文中的图片所示该模型构建了包含系统边界、进排气歧管、增压器、中冷器以及多个气缸在内的完整热力学系统。为了确保仿真结果具有合理的置信度需使用内燃机正常工况下的实测数据如功率、转速、排气温度等对模型的基础参数进行校准。根据论文中的表格校准后的一维热力学模型各关键热力学参数仿真值与实验值的偏差可控制在较低范围内从而为后续的活塞环磨损故障模拟奠定可靠的物理基准。在确立正常工况基准后需针对活塞环磨损故障对应论文中的F4状态进行针对性的物理机制分析与参数微调。活塞环磨损主要由磨料磨损等因素引起表现为环端面的几何畸变与不均匀磨损进而破坏活塞环与气缸套之间的密封完整性。在热力学模拟中这一物理失效过程可通过控制和调节“漏气量Blow-by mass flow”等关键参数来实现。具体而言如论文中的表格所示在保持缸径、活塞表面温度和气缸盖表面温度等其他参数与正常状态F0一致的前提下通过增加特定的漏气质量流量例如设定为0.02 Kg/s以模拟因磨损导致的燃气泄露通道。通过运行一维热力学仿真可以获得活塞环磨损状态下的循环热力学响应数据并与正常工况进行对比。对比上传的Normal.csv和Ring-wear.csv数据可以发现在正常工况下漏气量BlowBy和漏气热流量BlowByHeatFlow在整个曲轴转角循环内均保持为零而在活塞环磨损状态下由于密封失效漏气量与漏气热流量在压缩和膨胀冲程中发生显著变化。这些参数随曲轴转角的变化趋势在论文的图片中得到了直观展示仿真数据量化地反映了泄露对气缸内部及排气系统各热力学状态量的影响。为了从众多的热力学输出中提取对活塞环磨损最敏感的诊断特征论文采用了SHAP等可解释性分析方法如下图所示。分析结果表明活塞环磨损不仅导致漏气质量流量P07和漏气热流量P06发生直接改变其引起的压力与热量流失还会传导至排气系统导致增压器前排气压力P11和排气温度P12等参数出现协同降低。通过对此类典型特征进行多维度关联分析能够合理解释内燃机在活塞环磨损故障下的热力学演变规律进而为构建高精度的内燃机状态诊断系统提供坚实的机理支持。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.仿真数据与代码https://ts-rf.github.io/