陳文光，伊富春

(交通運(yùn)輸部東海航海保障中心 廈門航標(biāo)處，福建 廈門 361012)

8L20/27主機(jī)加速時(shí)冒黑煙原因分析和處理方法

陳文光，伊富春

(交通運(yùn)輸部東海航海保障中心 廈門航標(biāo)處，福建 廈門 361012)

文章分析了某船2臺(tái)MAN-CXZ-8L20/27主機(jī)加速時(shí)冒黑煙的故障原因，是增壓器工作效率跟不上及加速時(shí)燃燒空氣供應(yīng)不足導(dǎo)致的，后將原柴油機(jī)定壓增壓系統(tǒng)改造為MPC增壓系統(tǒng)，同時(shí)系統(tǒng)加裝了3級(jí)補(bǔ)氣裝置，排除了故障，縮短了主機(jī)的加速時(shí)間，提高了船舶的機(jī)動(dòng)性能。

船舶主機(jī)；黑煙；故障原因；增壓系統(tǒng)；補(bǔ)氣

某船上配置2臺(tái)MAN-CXZ-8L20/27主機(jī)，為上海新中動(dòng)力機(jī)廠生產(chǎn)的20/27系列產(chǎn)品，是上世紀(jì)80年代初引進(jìn)。由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)所限，20/27系列柴油機(jī)，都不同程度存在同樣的技術(shù)缺陷，即低速和加速運(yùn)行時(shí)冒黑煙現(xiàn)象，甚至濃煙滾滾，一直難以解決，給大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。

1 主機(jī)冒黑煙的故障分析

由于柴油機(jī)形成混合氣的時(shí)間短，又燃燒非均質(zhì)混合氣，所以燃燒室缸內(nèi)情況異常復(fù)雜。有的區(qū)域只有空氣或過(guò)稀的混合氣，有的區(qū)域則是過(guò)濃混合氣，而且由于燃燒和噴油重疊，有的區(qū)域會(huì)有未蒸發(fā)完的油滴。

因此，缸內(nèi)空氣和燃油混合不均勻，噴入汽缸的柴油受到高溫燃油氣的包圍，一部分裂解、聚合形成碳粒，碳粒能夠在燃燒中遇到氧而完全燃燒，但如果缸內(nèi)缺氧，則碳粒不能被燒完而隨廢氣排出，形成了碳煙，即形成排氣冒黑煙的現(xiàn)象。要想盡可能保證燃油完全燃燒，柴油機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)應(yīng)該保持在1.3左右。

MAN-CXZ-8L20/27柴油機(jī)采用定壓增壓系統(tǒng)，各缸共用1根較大容積的排氣管，排氣管內(nèi)的壓力基本保持恒定，大小僅與負(fù)荷有關(guān)系。定壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是掃氣干擾小，泵氣功損失小，不同缸數(shù)的柴油機(jī)的增壓系統(tǒng)可以統(tǒng)一進(jìn)行設(shè)計(jì)。但定壓增壓系統(tǒng)的缺點(diǎn)也比較明顯，其對(duì)排氣脈沖能量的利用率較低、掃氣量少和低工況性能及加速性能較差，就是在快速加速的初期，增壓器供氣率滯后于供油率的增加，造成供氣量不足，排氣煙度急劇惡化，產(chǎn)生大量黑煙。

實(shí)船工作中在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)情況良好，只有在低速運(yùn)行和加速時(shí)才出現(xiàn)嚴(yán)重的冒黑煙現(xiàn)象，因此判斷主要是由于增壓器工作效率跟不上，以及加速時(shí)燃燒空氣供應(yīng)不足所導(dǎo)致。

2 處理方法

如果把MAN-CXZ-8L20/27柴油機(jī)作為發(fā)電柴油機(jī)使用，它絕大部分時(shí)間都將在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，冒黑煙只是在從啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行的很短時(shí)間內(nèi)，則對(duì)冒黑煙故障可不考慮。但當(dāng)它在某船上作為主機(jī)使用時(shí)，由于航標(biāo)船工作的特殊性，經(jīng)常需要處于急加速、急減速的變工況工作狀態(tài)，頻繁地變工況就使其冒黑煙現(xiàn)象成為常態(tài)，不僅浪費(fèi)資源污染環(huán)境，而且使柴油機(jī)性能受到很大影響。因此對(duì)該柴油機(jī)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，消除冒黑煙故障，對(duì)海事系統(tǒng)節(jié)能減排工作的開(kāi)展具有重大的意義。

針對(duì)廢氣渦輪增壓器對(duì)于柴油機(jī)突然加速的響應(yīng)滯后，進(jìn)入汽缸中的空氣量跟不上油量的變化速率，造成冒黑煙故障這一問(wèn)題。某船主機(jī)在進(jìn)船廠改造時(shí)，根據(jù)計(jì)算和仿真結(jié)果，對(duì)原柴油機(jī)增壓器的等壓增壓系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，改為“模件式脈沖轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”(MPC增壓系統(tǒng))；新增3級(jí)補(bǔ)氣裝置1套；對(duì)柴油機(jī)排氣管、增壓器的進(jìn)排氣蝸殼、凸輪軸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)匹配，對(duì)補(bǔ)氣裝置進(jìn)行合理設(shè)計(jì)安裝。

2.1 改裝MPC增壓系統(tǒng)

MPC增壓系統(tǒng)利用1根較細(xì)的排氣總管，使從排氣支管來(lái)的脈沖能在斜向喉口中變?yōu)閯?dòng)能，并在排氣總管中部分保存下來(lái)，在渦輪中加以利用，從而提高排氣能量的利用率。這是由于提高了廢氣能量的傳遞效率，減小了排氣總管中的壓力波動(dòng)，使渦輪效率提高，并可防止反射波對(duì)排氣的干涉。

一般采用MPC增壓系統(tǒng)后，柴油機(jī)的低負(fù)荷性能有改善，但在高負(fù)荷時(shí)燃油消耗率比定壓系統(tǒng)時(shí)高，為此還需從調(diào)整配氣正時(shí)方面進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，MPC增壓系統(tǒng)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)都比原定壓系統(tǒng)要好。試驗(yàn)結(jié)果顯示在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，增壓壓力均明顯高于定壓系統(tǒng)，燃燒最大爆發(fā)壓力提高，排溫及煙度降低，這說(shuō)明汽缸充氣量增多，改善了缸內(nèi)燃燒。

瞬態(tài)特性試驗(yàn)中從445 r/min、98 kW突加速加載至811 r/min、311 kW，MPC增壓系統(tǒng)在沒(méi)有油位限止時(shí)為7.5 s，而在定壓系統(tǒng)時(shí)需11 s，有了很大改善，與原定壓系統(tǒng)加裝加速補(bǔ)氣裝置后的加速性能已較接近，對(duì)瞬態(tài)特性的改進(jìn)提高是滿意的。而且在穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)中也得到了滿意的結(jié)果，高負(fù)荷時(shí)燃油消耗率比定壓系統(tǒng)還有所降低。

2.2 加裝補(bǔ)氣裝置

為解決冒黑煙的問(wèn)題，給發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)氣是一個(gè)可行的辦法。根據(jù)船舶具體情況，一般有以下3種補(bǔ)氣方案：① 對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)補(bǔ)氣；②對(duì)排氣系統(tǒng)補(bǔ)氣；③向壓氣機(jī)葉片切向噴射高壓空氣。

在進(jìn)氣系統(tǒng)補(bǔ)氣可選擇增壓器壓氣機(jī)前串聯(lián)鼓風(fēng)機(jī)或者是空氣中冷器后并聯(lián)鼓風(fēng)機(jī)，這2個(gè)方案均可以直接增大進(jìn)入汽缸的空氣量，但是在切換、并車等方面存在較大的難度，不確定因素是容易引起壓氣機(jī)喘振。對(duì)排氣系統(tǒng)補(bǔ)氣也可達(dá)到提高壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速，從而提高掃氣壓力的目的，這是一種間接的補(bǔ)氣方法，從補(bǔ)氣開(kāi)始到掃氣壓力改變需要較長(zhǎng)時(shí)間。因此，選擇向壓氣機(jī)葉片切向噴射高壓空氣的方法。這一方法是在壓氣機(jī)蓋上均勻安裝多個(gè)噴嘴，使壓縮空氣以切線方向沖向壓氣機(jī)葉輪或者從增壓器噴嘴噴入壓縮空氣，可加快壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速，增大進(jìn)氣量。另一方面噴入的壓縮空氣也彌補(bǔ)了部分空氣不足，達(dá)到快速提高掃氣壓力的目的。

為滿足船舶對(duì)加速性能和加速時(shí)排氣煙色所提出的更高要求，根據(jù)實(shí)船運(yùn)行時(shí)主機(jī)的工況設(shè)定了最佳補(bǔ)氣點(diǎn)(開(kāi)始補(bǔ)氣的轉(zhuǎn)速)和補(bǔ)氣次數(shù)(本船主機(jī)從接排到全速可補(bǔ)3次)。

設(shè)計(jì)安裝的補(bǔ)氣裝置經(jīng)過(guò)驗(yàn)證具有如下特點(diǎn)。

1)縮短主機(jī)加速時(shí)間，原來(lái)從低速加到全速不補(bǔ)氣時(shí)需20多秒，補(bǔ)氣后需10 s左右，縮短約一半時(shí)間，有效地提高船舶的機(jī)動(dòng)性能。

2)明顯改善主機(jī)突然加速時(shí)冒黑煙的情況。

3)整套裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，能在加速時(shí)自動(dòng)補(bǔ)氣，操作方便，效果明顯。

4)耗氣量省，每補(bǔ)一次約耗氣400～500 L。

5)補(bǔ)氣裝置與MPC增壓系統(tǒng)相結(jié)合，使MAN-CXZ-8L20/27柴油機(jī)做主機(jī)時(shí)的性能更加令用戶滿意。

3 結(jié)束語(yǔ)

技術(shù)改造結(jié)果表明，通過(guò)將某船上2臺(tái)MAN-CXZ-8L20/27主機(jī)的定壓增壓系統(tǒng)改裝為MPC增壓系統(tǒng)并加裝補(bǔ)氣裝置以后，柴油機(jī)快速增加負(fù)荷的性能顯著提高，耗能大、冒黑煙的現(xiàn)象得到徹底的解決，從而也明顯提高了船舶的機(jī)動(dòng)性。

In this paper,the failure reason of exhausted black smoke is analyzed when the two marine engines MAN-CXZ-8L 20/27 are accelerated.Poor working efficiency from the turbocharger can' t meet the need of combustion air when ME accelerated.Then the original constant pressure charging system of the diesel engine is converted into the MPC pressure charging system,equipping with the triple air supply device at the same time,which can not only remove the fault but shorten the acceleration time of ME,improving the performance of ship maneuvering.

marine diesel engine;black smoke;failure reason;pressure charging system;air supply

陳文光(1970-)，男，福建莆田人，輪機(jī)長(zhǎng)，船舶中級(jí)，大學(xué)本科，主要從事海洋船舶輪機(jī)工程和航海保障裝備管理工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.03.012

2016-08-23