一種電噴柴油機噴油提前角連續(xù)修正方法

夏明華 楊 俊

一、前言

船舶柴油機的可靠性和經濟性受多方面因素影響，包括燃油品質、燃油霧化質量、缸內工質狀態(tài)、噴油定時和換氣質量等。輪機人員在柴油機的日常維護管理工作中，除嚴控燃油質量、對各部件定期維護保養(yǎng)外，還需要科學設置各種參數，使柴油機始終處于最佳運行狀態(tài)。隨著電噴柴油機的應用，對噴油定時的調整更加方便，可以實現(xiàn)噴油提前角單缸連續(xù)修正，即每天根據柴油機運行參數適時地對單缸噴油提前角修正值進行微調，使運行中的柴油機始終保持良好的工況和較高的熱效率。相對于傳統(tǒng)的凸輪軸柴油機而言，這是一種新的技術管理手段，因為凸輪軸柴油機的噴油提前角修正需要靠轉動凸輪的相對位置來實現(xiàn)，無法對運行中的柴油機進行連續(xù)調節(jié)。盡管大多數輪機員對電噴柴油機可以實現(xiàn)噴油提前角單缸連續(xù)修正有所了解，但筆者調研后發(fā)現(xiàn)，自2002年第一臺瓦錫蘭RTFlex電噴柴油主機裝配國內公司新船以來，很少有人在運行中對噴油提前角進行連續(xù)修正。本文結合實際工作經歷，分析噴油提前角對燃燒質量的影響，介紹一種瓦錫蘭RT-Flex型柴油機噴油提前角單缸連續(xù)修正的方法和船上修正過程，通過實船數據驗證該方法可顯著提高經濟性，主機狀況也得到明顯改善。

二、噴油提前角對燃燒過程及參數的影響

1.噴油提前角對排氣溫度的影響

柴油機是通過霧化燃油在汽缸中爆燃釋放能量對外做功的一種機械設備。爆燃只是多種燃燒形式中的一種，遵循燃燒的基本原理。根據燃燒學理論，燃燒是高速運動的燃油粒子與氧粒子劇烈碰撞，導致化學鍵斷裂和原子重組后釋放出能量的一種形式。讓燃油在汽缸內充分燃燒釋放最大能量是柴油機研究的主要目標之一，柴油機充分燃燒就是要讓燃油粒子與氧粒子在一個有限的空間和時間里進行充分且有效的碰撞，這是理想狀態(tài)。實際上燃燒過程會受到很多條件的限制，如粒子濃度、粒子運行速度、不同粒子濃度比和碰撞持續(xù)時間等。噴油提前角的修正，其本質就是在柴油機一個沖程內改變燃油粒子與氧氣粒子的有效碰撞時間，即改變每個循環(huán)的滯燃期、速燃期、緩燃期和后燃期的相對時間，使燃油在汽缸中得到充分燃燒，釋放更多能量，提高對外做功能力。根據能量守恒定律，燃燒釋放能量越大，廢氣的焓值就越小，日常管理中直觀表現(xiàn)是排氣溫度就越低。所以，噴油提前角會直接影響到柴油機的排氣溫度，這也是把排氣溫度作為反映噴油提前角是否最佳的一級指標的主要原因。

2.噴油提前角對掃氣溫度的影響

根據物理學的氣態(tài)方程，在相同壓力下，掃氣溫度越低，氣體密度就越大，影響柴油機燃燒的過量空氣系數就越高，燃燒就越完全，排氣溫度也就越低。按照一般規(guī)律，掃氣溫度每下降1 ℃，排氣溫度會相應降低5～10 ℃，反之則排氣溫度升高。所以掃氣溫度的高低直接影響到柴油機的燃燒，實際反映在排氣溫度的高低上。對于現(xiàn)有增壓直流二沖程大型船用柴油機而言，壓縮空氣經同一個空氣冷卻器冷卻后到達掃氣箱，此時掃氣溫度是一致的，通過掃氣口進入活塞下部后，各缸掃氣溫度就出現(xiàn)了高低差異。造成不一致的原因：一是不同的汽缸內燃氣通過汽缸壁傳導到活塞下部的熱量不同；二是與活塞環(huán)與汽缸壁密封性好壞導致漏氣量的多少有關。另外，如果噴油提前角沒有調節(jié)到最佳，爆發(fā)壓力不是最大，后燃現(xiàn)象嚴重，會導致在活塞下行打開掃氣口瞬間汽缸內廢氣壓力高于掃氣壓力，少量高溫燃氣反串進入活塞下部，致使掃氣溫度有所升高，嚴重的情況下還會導致掃氣箱著火事故。所以，單缸掃氣溫度除主要取決于空氣冷卻器的效果外，還受到汽缸內燃燒質量的影響。噴油提前角雖然跟單缸掃氣溫度沒有直接關系，但可以通過影響缸內燃燒而間接地影響單缸掃氣溫度，所以，可以把掃氣溫度的變化作為反映噴油提前角是否最佳的二級指標。

3.反映噴油提前角修正角度是否最佳的指標

噴油提前角是否最佳，可通過排氣溫度的高低或示功圖來判斷。盡管用示功圖來判斷噴油提前角是最優(yōu)選擇，但實船上大部分都因價格較貴和故障率較高而沒有選擇安裝電子示功器，只安裝了傳統(tǒng)的各種溫度傳感器，因此想通過示功圖來判斷噴油提前角是否最佳并不方便，為了連續(xù)調整噴油提前角而頻繁測示功圖不太現(xiàn)實。在對噴油提前角進行修正時，如果只參考排氣溫度這個單一指標，其精確性將受到影響，最好能同時參考兩個以上指標。

通過對噴油提前角、排氣溫度和掃氣溫度三者間相關性的分析可知，噴油提前角不僅直接影響柴油機的排氣溫度，還間接影響單缸掃氣溫度，而且排氣溫度與掃氣溫度也相互影響。對于這種復雜的關聯(lián)性，業(yè)界至今沒有形成具體量化的關系，給實際管理帶來了一定的難度。特別是在噴油提前角設定時，無法通過精確的數學計算進行修正，目前仍是依靠經驗來操作，這也是在實際管理中很少能做到精確修正的原因之一。由于理論上無法精確計算出修正值，試驗法就成了優(yōu)先選擇的方法。而采用試驗法就需要參照指標，根據前文分析，可選擇具有普遍性且容易觀察和讀取的溫度參數，即排氣溫度和掃氣溫度，基于雙參數進行調節(jié)可保證精準性。具體來說，就是柴油機在一定負荷運行時，如果能通過調整噴油提前角的修正值，使排氣溫度和掃氣溫度相對同時最低，此時的噴油提前角即是最佳值。本文將這種以單缸排氣溫度和掃氣溫度最低值為參照指標的調節(jié)方法稱作“雙低法”。

三、瓦錫蘭RT-Flex型柴油機噴油提前角修正值的組成及設置方法

1.噴油提前角連續(xù)修正的必要性

瓦錫蘭RT-Flex機型是首先實現(xiàn)船用大型柴油機無凸輪軸的一種機型，該型低速船用柴油機從2002年開始在中國市場裝備我司船舶以來，經過十幾年的改進和發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)從早期的WECS-9500（Wartsila Engine Control System）升級到WECS-9520，技術越來越成熟，裝船量也越來越大，相較于有凸輪軸柴油機其優(yōu)越性得到充分體現(xiàn)。RTFlex型柴油機通過傳感器和計算機技術實現(xiàn)柴油機的電噴控制，使柴油機在運行中能夠對噴油提前角實現(xiàn)連續(xù)動態(tài)調節(jié)。盡管如此，在實際管理工作中，船上很少有人對噴油提前角進行適時連續(xù)修正，大部分的修正值仍是出廠設置，也就是臺架試驗或試航時的修正值。船舶柴油機燃燒質量受燃油品質和其他多種因素影響，隨著柴油機不斷運行，臺架試驗時的各種條件與實際運行條件存在的差異越來越大，出廠時的修正值已經與船舶營運實際環(huán)境不匹配，有時會嚴重影響柴油機的運行工況，需要根據實際運行情況對噴油提前角進行修正。

2.瓦錫蘭RT-Flex型柴油機噴油提前角修正值的組成及要求

該機型在設計時考慮到了柴油機轉速、共軌（Common Rail）壓力和掃氣壓力等相關因素對噴油提前角的影響，將噴油提前角的修正分成三部分，即可變噴油定時（VIT）修正值（δVIT）、燃油品質設定（FQS）修正值（δFQS）和單缸噴油提前角修正值（δCly）。其中，VIT修正值是系統(tǒng)根據柴油機轉速、掃氣壓力和共軌燃油壓力自動修正的，是一個自動連續(xù)變量，不需要手動調節(jié)，只設置了自動修正開關；FQS修正值是根據燃油品質進行修正的，其允許修正范圍為±3°；單缸修正值是考慮到單缸運動部件磨損情況不一樣，根據單缸實際情況進行修正的，允許修正范圍是±1.5°，但必須滿足所有缸的修正加權平均值在±0.2°范圍內。前兩個修正值是針對整臺柴油機的實際情況進行修正，對整臺柴油機起作用；單缸修正值只是針對單缸的情況進行修正，對單缸起作用。最終單缸的實際修正值（δC）則是上述三個修正值之和，即δC=δVIT+δFQS+δCly。

3.噴油提前角修正值設置方法

瓦錫蘭RT-Flex型柴油機噴油提前角修正是在監(jiān)控系統(tǒng)WECS-9520中完成的，具體操作是在柴油機的監(jiān)控電腦中用鼠標雙擊flexView監(jiān)控軟件，然后在對話框中輸入用戶密碼，就可以打開監(jiān)控軟件。整個軟件由多個目錄組成，每個參數對應的條框有白色和暗色兩種底色，白色意味其中的參數可以改變，暗色則不能改變。其中對FQS修正值的修正界面在用戶（USER）目錄下（見圖1），界面里FQS后面對應白色條框里的數值就是修正值。在調節(jié)（ADJUST）目錄下有單缸噴油提前角修正值設定界面（見圖2），其中每個缸號后面白條框里的值就是單缸修正值，在汽缸編號列頂有各缸修正值的平均值，底色是暗色，是系統(tǒng)自動計算出的，人工不能改動。如果要改變修正值，只要用鼠標點中白條框，即可以直接輸入數值；也可以用鍵盤上的方向鍵對數值進行逐步更改，修正幅度默認最小值是0.1°，操作非常方便。

圖1 FQS噴油提前角修正值設定界面

圖2 單缸噴油提前角修正值設定界面

四、瓦錫蘭RT-Flex型柴油機噴油提前角實船修正

1.船舶簡介

某船是2010年從大連中遠船塢出廠的30 000載重噸多用途重吊船，主要營運航線是遠東—美灣—遠東、遠東—歐洲—遠東、遠東—中東—遠東和遠東—美灣—歐洲—遠東。主機是Wartsila 7RT-Flex 60C型，持續(xù)運轉功率為16 520千瓦，運轉轉速為110.1轉/分鐘。營運中沒有特殊要求時使用380 cst/15 ℃的燃油，但會根據IMO或港口國法規(guī)的要求，在高硫燃油和低硫油之間進行轉換。由于近年航運市場不景氣，為了降低船舶營運成本，公司要求船舶使用經濟航速，規(guī)定主機轉速為80轉/分鐘。該輪第43航次執(zhí)行從美國休斯頓到南京航線，筆者當時在船上任輪機長，這也是選擇該輪進行噴油提前角實船修正的原因。

2.修正前的準備

該輪自出廠后主機的噴油提前角就沒有進行過修正，根據IMO的規(guī)定燃油已經從含硫不高于3.5%變?yōu)椴桓哂?.5%，燃油品質發(fā)生了變化，需要重新進行FQS初始值修正。為了確保整個調節(jié)過程中船舶的安全，同時確保調節(jié)的準確性、縮短調節(jié)時間，我們采取了以下幾個方面的措施：

（1）為了減少外界因素的干擾，避免航行條件變化過大造成調節(jié)值不準確，我們選擇船舶經過巴拿馬運河進入太平洋后水域比較開闊、氣象條件較好且穩(wěn)定的時候進行。

（2）考慮到在調節(jié)過程中可能會發(fā)生部分汽缸燃燒惡化，需要密切監(jiān)視各缸的燃燒狀況，一旦發(fā)生溫度和壓力等參數異?；蛴星酶赚F(xiàn)象時，須立即調回原值。

（3）為了避免調節(jié)過程的混亂，確保調節(jié)結果不如預期時能恢復原態(tài)，先將FQS修正值為原始值（即δFQS=0.0）時的單缸修正值記錄下來。

（4）考慮到每改變一個設定值柴油機排氣溫度和掃氣溫度穩(wěn)定下來都需要一個過程，為了節(jié)省時間，記錄在10分鐘內不發(fā)生變化的溫度值。

（5）假設噴油提前角的變化與溫度的變化關系是線性的，如果發(fā)現(xiàn)提前角修正值變化方向導致排氣溫度和掃氣溫度都升高，則認為調節(jié)方向不正確，不再沿原方向調節(jié)，改為反向修正。

（6）初始修正的目的是先找到單缸最終的總修正角度，為了快速和不造成混亂，先保持單缸原有修正值不變，只調整對整臺柴油機起作用的FQS修正值。FQS修正值從零開始，按每次0.1°的幅度開始修正，記錄下每個FQS修正幅度對應的各缸排氣溫度和掃氣溫度（見表1），然后通過橫向對比，找到相對排氣溫度和掃氣溫度都最低時（表1中紅色）的FQS修正值，并將其記錄到表2中。那么單缸的原修正值δCly加上FQS修正值δFQS就是此缸的總修正值，這樣可避免每缸單獨調整時間太長和因調節(jié)過程中單缸負荷細微變化造成調節(jié)不準確。

表1 調整FQS修正值對應的各缸排氣溫度和掃氣溫度 ℃

（7）考慮到在FQS修正值調節(jié)過程中可能會影響到各缸負荷分配的變化，為了消除可能產生的誤差，等到FQS修正值調節(jié)結束后再對單缸進行微調修正。

根據上述措施進行完初始修正，后續(xù)就根據實際情況對單缸每天進行連續(xù)修正。

3.實際修正過程

船舶于2019年2月13日通過了巴拿馬運河后，按要求更換了含硫1.5%以下的380 cst燃油，以公司規(guī)定經濟航速80轉/分鐘定速航行，海面開闊，風平浪靜。一切準備好后，從當地時間上午09：00開始對FQS按每次0.1°的幅度進行調整，并連續(xù)記錄下每個FQS修正值對應的穩(wěn)定排氣溫度和掃氣溫度。當修正值向正值方向調節(jié)時，發(fā)現(xiàn)兩個溫度均升高，認為調節(jié)方向可能錯了，在調至0.3°后就改為向負值方向調節(jié)，發(fā)現(xiàn)兩個溫度均逐步有所降低，于是就一直調節(jié)了下去。調節(jié)結果的記錄見表1。

對表1中每缸的兩個溫度值進行橫向對比，找到每缸對應行中相對的雙低溫度（紅色標示），并將對應的FQS修正值填入表2中，這個對應的FQS修正值就是δFQS，各缸的原設定值為δCly，最終的設定值為δs。VIT自動設定值是δVIT，因δVIT是一個自動變量，也無法讀取，所以未作記錄。將相關修正值整理記錄入表2中，其中所有缸的FQS 修正值的平均值δFQS平為-0.5°。最終單缸總修正角度就是δVIT+δFQS+δCly。

表2 FQS修正值和單缸修正值記錄 （°）

如果將δFQS的平均值作為FQS的最終設定修正值，不去考慮自動修正的δVIT，那么單缸的最后設定值就是δs=δFQS+δCly-δFQS平，將δs計算結果填入表格2中。然后將FQS修正值δFQS平和單缸對應的修正值δs通過flexView軟件中的界面輸入監(jiān)控系統(tǒng)中。再根據溫度變化情況分別對單缸進行了±0.1°范圍的測試性驗證，其中只有第五缸進行了0.1°微調，最終設置結果分別如圖1和圖2所示。修正好之后，對比修正前后的排氣溫度、掃氣溫度、爆壓和主機負荷（見表3），在外界航行狀況和主機轉速不變的情況下，主機油門刻度明顯下降，但爆壓反而有所升高，各缸爆壓值更均衡，排氣和掃氣溫度也明顯下降，即使第六缸的總運行時間已超過全面檢修時間近4 000小時，依然有非常明顯的改善，改善最明顯的是換新缸套和活塞環(huán)后運行才2 000多小時的第二缸。

表3 噴油提前角修正前后主要參數記錄表

在完成上面的初始修正后，接下來進行連續(xù)修正?？紤]到外界航行條件變化對柴油機燃燒的影響，我們每天早晨觀察雙溫和負荷的變化情況，如果負荷沒有變化，排氣溫度有5 ℃或掃氣溫度0.5 ℃以上的變化，就對單缸修正值在原修正值±0.2°范圍內進行再修正。如果發(fā)現(xiàn)溫度有下降趨勢，就繼續(xù)修正；如果沒有下降，就返回原修正值。通過每天不斷的連續(xù)修正，確保噴油提前角的修正值始終是最佳的。

五、結果驗證

對該輪主機的噴油提前角進行連續(xù)修正后，結果是否與我們預想的達到節(jié)省燃油和改善主機設備狀況的目標相吻合，需要用最終效果來驗證。首先從節(jié)油方面來比較，對該輪自2016年11月24日到2019年4月9日所有航次的燃油消耗數據進行統(tǒng)計，包括航線、實際耗油和理論耗油：實際耗油量由二管輪每天根據實際消耗統(tǒng)計得出；理論耗油分為定速航行理論耗油和機動航行理論耗油，是根據試航時標準耗油率2.662噸/小時，再分別對實際載重、主機功率進行修正后得到的，具體公式來自公司的熱工報告。定速航行理論耗油量Qf和機動航行理論耗油量Qm計算公式如下：

式中：Dt為船舶定速航行時實際載重（噸）；VS為船舶定速時主機轉速（轉/分）；Tf為主機定速運行時間（小時）；Dm為機動航行時平均載重（噸）；Tm為機動航行總時間（小時）。

統(tǒng)計該輪從第31航次到第43航次的所有熱工報告，具體數據見表4。

表4 實船主機油耗統(tǒng)計表

該輪第43航次開始段（HOUSTON-PANAMA CANAL）沒有對噴油提前角進行修正，過巴拿馬運河后才開始進行連續(xù)修正，但從表4中統(tǒng)計數據可知，整個航次的實際耗油量仍小于理論耗油量，而除43航次外的其他航次實際耗油均超過了理論耗油量。從31航次到42航次燃油共超耗649.81噸，平均超耗率為4.65%，按此平均超耗率計算該輪第43航次耗油量應為1 160.76噸，而實際耗油量為1 052.13噸，共節(jié)省燃油108.63噸，節(jié)省率達到了9.36%。同樣，根據船舶每日實際油耗可以看出，之前航次每日油耗均為25噸左右，油耗率均在180克/千瓦時以上；第43航次每日油耗明顯下降，油耗率降低到170.75克/千瓦時，下降幅度明顯。本文統(tǒng)計的第31～43航次，航線涉及遠東—歐洲、遠東—美灣和遠東—中東，時間跨度達兩年多，經歷的氣象條件多種多樣，先后由不同輪機長管理機艙，而第43航次節(jié)油效果最佳，可充分說明本文方法的有效性。

該輪在第43航次靠泊南京港后，在碼頭卸貨期間打開了主機所有道門進行例行檢查，變化最明顯的是掃氣箱狀況，內部很清潔，油泥比以往航次明顯減少；掃氣口、活塞頭和活塞環(huán)槽也很清潔，沒有積炭，缸套內壁狀況非常好。汽缸實際照片見圖3。另外一個明顯的現(xiàn)象，就是航行中后甲板從煙囪掉落的煙灰減少了。這些都說明主機的狀況很好或得到明顯改善，說明本次噴油提前角連續(xù)修正的效果非常好。

圖3 活塞下部空間、活塞頂和缸套內壁照片

六、結語

本文以瓦錫蘭RT-Flex型柴油機為例進行噴油提前角修正方法研究，此方法（即“雙低法”）也適用于噴油提前角可以進行連續(xù)修正的其他電噴柴油機，只是具體的操作界面或軟件設置不一樣。瓦錫蘭RT-Flex機型使用的是flexView系統(tǒng)，而MAN B&W ME-C機型使用的是MOP系統(tǒng)。每次噴油提前角修正完成后，并不意味不再需要修正。隨著燃油品質、柴油機部件磨損程度以及外界環(huán)境等發(fā)生變化，仍需要進行連續(xù)修正。修正周期可以是每天，也可以是多天，這要根據船舶的實際情況而定。一旦燃油品質發(fā)生變化，就需要進行初始修正，否則柴油機燃燒工況會受到較大影響。自2020年1月1日起所有遠洋船舶必須使用含硫量低于0.5%的燃油，據了解，自使用低硫油以來，各航運公司已經報告了多起主機缸套過度磨損等事故，至今沒有找到很好的解決辦法，影響了船舶的正常營運。本文提出的“雙低法”噴油提前角連續(xù)修正方法，可以給各公司提供一個解決問題的思路。