方冬

摘 要：曼恩公司生產(chǎn)的二沖程低速柴油機被廣泛用于船舶中，本文首先介紹了調(diào)優(yōu)方式的概述以及曼恩二沖程低速柴油機的幾種調(diào)優(yōu)方式，然后對這幾種方式的油耗曲線以及排氣溫度曲線進行了探討，最后以綠色海豚型散貨船為例，分析不同調(diào)優(yōu)方式的油耗以及廢氣的蒸汽量。

關(guān)鍵詞：二沖程；低速柴油機；調(diào)優(yōu)方式；曼恩

中圖分類號：TK115 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）20-0084-02

船舶運行過程中需要的柴油主要是通過原油進行提煉，而原油的價格較貴，因此很多船東都比較重視船舶的航行成本。為了降低船舶航行的成本，需要降低船舶的行駛速度，同時也重視起柴油機的燃油效率。目前低速柴油機主要產(chǎn)自曼恩和瓦錫蘭，他們都有自己的調(diào)優(yōu)方式，本文主要分析曼恩二沖程低速柴油機的調(diào)優(yōu)方式。

1 柴油機調(diào)優(yōu)方式

調(diào)優(yōu)，主要是對內(nèi)燃機的硬件以及軟件進行相應的調(diào)整，進而改變內(nèi)燃機的持久性、經(jīng)濟性以及功率等條件。世界上最早出現(xiàn)內(nèi)燃機調(diào)優(yōu)主要是在軍事上，第二次世界大戰(zhàn)中，英國的汽車和坦克的內(nèi)燃機都經(jīng)過了調(diào)優(yōu)。船舶柴油機的調(diào)優(yōu)也是對軟件和硬件進行改變的，同時調(diào)優(yōu)方式的不同能夠保證不同的負荷工況下，柴油機都有較高的燃油積極性。通過調(diào)優(yōu)還會改變柴油機的一些熱工參數(shù)，比如排氣量和排氣溫度，也會影響到軸系的振動激勵。

2 曼恩二沖程柴油機的主要調(diào)優(yōu)方式

曼恩二沖程柴油的主要調(diào)優(yōu)方式有：使用傳統(tǒng)效率增壓器，對柴油機的高負荷進行優(yōu)化。這種方式的增壓器效率比較低，因此柴油機的油耗和排氣溫度都比較高；使用常規(guī)的高效增壓器進行高負荷調(diào)優(yōu)，當柴油機處于高負荷的時候油耗最低；主機控制調(diào)優(yōu)主要是通過調(diào)整來改變柴油機的噴油特性、噴油定時以及可變排氣定時等參數(shù)，這樣能夠?qū)⒉煌摵蔂顩r下柴油機的燃油效率進行調(diào)整，不需要對硬件進行改變。主機控制調(diào)優(yōu)還分為低負荷優(yōu)化和部分負荷優(yōu)化。其中低負荷優(yōu)化主要是當?shù)陀?0%負荷的時候降低燃油效率，部分負荷優(yōu)化是當?shù)陀?5%的時候降低燃油效率；可變噴嘴環(huán)主要是改變可變噴嘴環(huán)的面積來改變增壓器的工作，使其掃氣壓力提高。一般有低負荷優(yōu)化和部分負荷優(yōu)化；廢氣旁通主要是在柴油機上安裝廢氣旁通設備來對增壓器進行調(diào)整，使其能夠在合適的負荷下達到最高的工作效率，這樣能夠降低油耗，其也有低負荷優(yōu)化和部分負荷優(yōu)化[1]。

3 不同調(diào)優(yōu)方式的單位油耗以及排氣溫度

3.1 數(shù)據(jù)選擇

目前曼恩二沖程柴油機都是為了降低功率和轉(zhuǎn)速，因此選擇型號為S50ME-B9.3在低轉(zhuǎn)速情況下的某一點需要降低功率的地方進行分析，可以得出其排氣溫度曲線和單位的油耗曲線。

3.2 單位油耗對比

曼恩二沖程柴油機不同調(diào)優(yōu)方式下的單位油耗曲線呈現(xiàn)出一些規(guī)律：傳統(tǒng)效率增壓器調(diào)優(yōu)的油耗曲線比高負荷調(diào)優(yōu)的要高。這是由于傳統(tǒng)效率增壓器的效率比較低，因此油耗就比較高。這種調(diào)優(yōu)方式主要是以增高油耗為代價來使排氣溫度提高。當柴油機處于70%負荷下的時候，不同調(diào)優(yōu)方式的油耗呈現(xiàn)出階梯分布的情況，其中最大的是傳統(tǒng)效率增壓器，然后依次是高負荷調(diào)優(yōu)、部分負荷ETC調(diào)優(yōu)、低負荷ETC調(diào)優(yōu)、部分負荷EGB調(diào)優(yōu)，最低的則是低負荷EGB調(diào)優(yōu)。從這可以看出，由于EGB調(diào)優(yōu)主要是選擇了小容量的增壓器，因此當負荷較低的情況下效率更高，因此能夠有效的降低油耗。而部分負荷調(diào)優(yōu)的油耗小于低負荷調(diào)優(yōu)的油耗。從此可以看出，增壓器的效率對油耗的影響比較大[2]。

當處于90%負荷的時候，高負荷調(diào)優(yōu)的油耗最低，但是差距也不會太大。一般來說，90%負荷是柴油機持續(xù)服務功率點的極限，并且其還包括了海況儲備。因此這個區(qū)間的油耗不會被船東或者是設計師關(guān)注。而90%負荷以下，70%負荷以上的區(qū)間是所有調(diào)優(yōu)方式的油耗進行高低轉(zhuǎn)換的區(qū)間，很多調(diào)優(yōu)方式的臨界點都是在85%左右。這個區(qū)間對于二沖程柴油機來說是比較重要的區(qū)間，因為很多柴油機的持續(xù)負荷功率點都位于這個區(qū)間，也是船舶設計的一個關(guān)鍵指標。

3.3 排氣溫度對比

根據(jù)幾種調(diào)優(yōu)方式的排氣溫度曲線可以看出：傳統(tǒng)效率增壓器調(diào)優(yōu)的排氣溫度要高于高負荷調(diào)優(yōu)以及高效增壓器。雖然排氣量比較少，但是如果排氣溫度比較高的話那么就會使廢氣側(cè)的蒸發(fā)量增加。很多柴油機的標配都是高效增壓器，但是隨著降低油耗和功率使得排氣溫度也得到了降低，這種情況下廢氣側(cè)的蒸發(fā)量就不能滿足出船舶在一些工況下航行的蒸汽需求量，因此選擇傳統(tǒng)的增壓器可以提高排氣溫度。這種方式會使得柴油機的油耗增加，選擇的時候需要考慮蒸發(fā)量的增加能否滿足一些工況下蒸汽量的要求。

高負荷調(diào)優(yōu)和ETC調(diào)優(yōu)的排氣溫度基本相同，并且都是呈現(xiàn)出拋物線，而最低點則在70%到80%負荷之間。一般情況下，排氣量不會有太大的變化，因此ETC調(diào)優(yōu)和高負荷調(diào)優(yōu)的蒸發(fā)量基本相同，這種情況下高負荷調(diào)優(yōu)和低負荷調(diào)優(yōu)都能夠滿足設計蒸發(fā)量的要求。兩種EGB調(diào)優(yōu)的排氣溫度基本相似，并且處于80%負荷之下的時候，幾種調(diào)優(yōu)方式基本類似。但是當超過80%負荷的時候，排氣溫度都呈現(xiàn)出快速升高的趨勢，并且在85%的時候都與傳統(tǒng)效率增壓器的排氣溫度基本一致。

這兩種EGB調(diào)優(yōu)方式的排氣溫度的一致是曼恩工程師在設計柴油機的時候設計的，當處于較低負荷的時候，部分負荷調(diào)優(yōu)的油耗要高于低負荷調(diào)優(yōu)的油耗。但是由于排氣溫度一樣，根據(jù)能量守恒定律，部分負荷調(diào)優(yōu)的排氣量也會大于低負荷調(diào)優(yōu)的排氣量，但是當超過75%之后，這種情況又會發(fā)生變化。當處于80%負荷之下的時候，由于排氣溫度比高負荷調(diào)優(yōu)要低，但是排氣量比較小，因此廢氣側(cè)的設計蒸發(fā)量就會減少。當船舶處于熱帶工況下的時候，低負荷和部分負荷需要進行油耗的優(yōu)化，那么就可以選擇兩種EGB調(diào)優(yōu)，但是前提條件是廢氣側(cè)的蒸發(fā)量能夠滿足船舶蒸汽的需求量。當處于80%負荷之上的時候，柴油機的排氣溫度會急劇增加，這樣80%負荷和90%負荷的蒸汽蒸發(fā)量存在著一定的差距。還有一些柴油機的CSR點在85%以上，使用這兩種EGB調(diào)優(yōu)能夠得到較高的蒸發(fā)量，但是為了保證能夠得到較高的蒸發(fā)量需要保持高負荷運行，這樣就違背了這種調(diào)優(yōu)方式的設計初衷。因此如果使用這種方式的時候，為了彌補蒸發(fā)量而使用燃油鍋爐的話，損失也比較大[3]。

4 實例分析

從上述排氣溫度和油耗的對比來看，并沒有最好的調(diào)優(yōu)方式，選擇調(diào)優(yōu)方式的時候需要考慮到船舶的蒸汽量需求以及運行工況。下文以綠色海豚型散貨船來分析如何選擇調(diào)優(yōu)方式。

4.1 船舶基本參數(shù)

綠色海豚型散貨船是由上海船舶研究設計院進行設計的，其符合很多小型靈活型散貨船的特點。比如降低推進功率主要是通過優(yōu)化線性，增加螺旋槳效率主要是降低轉(zhuǎn)速、增大直徑，并且使用了大缸徑的、長沖程柴油機，這樣能夠降低油耗。但是柴油機的油耗和轉(zhuǎn)速都得到了降低，這樣就使得排氣溫度也降低，帶來了一些負面的效果。

綠色海豚型散貨船的主機選擇的是5S50ME-B9.3，其合同最大連續(xù)服務功率點與L4點基本一直，而CSR點則處于SMCR的75%。船舶在ISO工況下的蒸汽消耗量為480KG/h，在冬季工況下的蒸汽消耗量為980KG/h。而鍋爐輔機側(cè)的蒸發(fā)量是180KG/h。

4.2 高負荷調(diào)優(yōu)分析

高負荷調(diào)優(yōu)方式下，主機廢氣側(cè)的蒸發(fā)量在300KG/H左右，而輔機則是180KG/H，這樣加起來就能夠滿足ISO工況的蒸汽量需求。同時由于在重油下運行的時候排氣溫度會升高，這樣就會需要對鍋爐的設計參數(shù)進行修整，才能夠提高蒸汽的產(chǎn)量。當環(huán)境的溫度對于IOS工況下的時候，鍋爐廢氣側(cè)的蒸發(fā)量就能夠滿足船舶的運行需要。

4.3 EGB部分負荷與低負荷調(diào)優(yōu)

EGB部分負荷調(diào)優(yōu)的CSR油耗指標比較好。對部分負荷進行優(yōu)化油耗，使得設計蒸汽量大概在190KG/H，并且在常用的負荷期間也能夠保持在190KG/H，因此在ISO的時候仍熱存在蒸汽量缺口。根據(jù)鍋爐設計參數(shù)的修正方案，其在修正之后能夠滿足ISO的蒸汽量需求，但是這種方法比較冒險。如果能夠清楚的知道船舶的運行航線，比如經(jīng)常在熱帶地區(qū)航行，那么就可以選擇這種調(diào)優(yōu)方式，但是修正參數(shù)的時候需要船東進行授權(quán)。

4.4 ECT部分負荷和低負荷調(diào)優(yōu)

ECT部分負荷和低負荷調(diào)優(yōu)方式的設計蒸發(fā)量和高負荷調(diào)優(yōu)的蒸發(fā)量基本相同。并且經(jīng)過計算可以發(fā)現(xiàn)，當處于40%負荷到CSR的時候，其與高負荷調(diào)優(yōu)的蒸汽產(chǎn)量基本相同，但是油耗會降低一些。這種情況下，由于CSR僅僅是SMCR的75%，因此高負荷調(diào)優(yōu)的油耗優(yōu)化體現(xiàn)不出來，所以相對而言ETC調(diào)優(yōu)比較好[4]。

4.5 傳統(tǒng)效率增壓器調(diào)優(yōu)

使用傳統(tǒng)效率增壓器調(diào)優(yōu)產(chǎn)生的蒸汽量已經(jīng)可以滿足ISO工況的要求，但是輔機的排氣不能進入到鍋爐中。如果將輔機的排氣接入鍋爐中的時候，那么產(chǎn)生的蒸汽量比較多，而主機則會需要消耗較多的油量，這種情況下船舶就不能夠在熱帶環(huán)境下運行。而如果船舶是處于寒帶的時候，廢氣側(cè)產(chǎn)生的蒸汽量也不夠，這時候就需要使用燃油鍋爐，那么接入鍋爐多產(chǎn)生的油耗要比使用燃油鍋爐的成本降低。因此當船舶處于寒帶的時候就可以選擇傳統(tǒng)效率增壓器的方式。一些船東認為寒帶運行的船只就必須得使用燃油鍋爐，并且燃油鍋爐的燃燒器也可以進行調(diào)節(jié)，同時船舶的航線也可能會發(fā)生變化，因此不需要使用傳統(tǒng)效率增壓器調(diào)優(yōu)。

根據(jù)對綠色海豚型散貨船的調(diào)優(yōu)方式分析，可以得出，即使主機的CSR點確定，選擇調(diào)優(yōu)方式的時候，不僅需要考慮廢氣的蒸汽產(chǎn)生量以及油耗，同時還需要考慮船舶的實際運行情況。

4.6 船東的選擇

目前，綠色海豚型散貨船有很多船廠都在同時進行建造，船東數(shù)量也有十幾個，數(shù)量比較多的是歐洲船東，也有部分中國船東、泰國船東、印度船東以及日本船東等。很多船東在選擇調(diào)優(yōu)方式的時候都選擇了部分負荷EGB調(diào)節(jié)，但是也有一些船東選擇了高負荷優(yōu)化，這樣就可以看出很多船東更關(guān)注CSR點和低負荷的油耗情況。

5 結(jié)語

調(diào)優(yōu)方式的不同能夠使不同負荷下油耗、排氣溫度等熱工參數(shù)發(fā)生變化，但是排氣溫度與油耗是相互矛盾的兩個參數(shù)。很多船舶都反映實際運行過程中的排氣溫度要高于理論的排氣溫度，產(chǎn)生這種情況的主要原因有柴油機自身因素、環(huán)境溫度以及油品等。所以確定鍋爐設計參數(shù)的時候要適當?shù)男拚艢鈪?shù)。船舶行業(yè)的各環(huán)節(jié)之間影響都比較大，因此設計師需要確定好合理的調(diào)優(yōu)方案，然后讓船東進行選擇。

參考文獻

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[3]馬義平，王忠誠，時繼東，等.曼恩和瓦錫蘭船用二沖程雙燃料發(fā)動機之比較[J].船舶， 2015，26（5）：94-99.

[4]陳芬放，王雪松，韓飛.柴油機的性能優(yōu)化方案探究[J].中國機械，2014，（18）：117-118.