某柴油機(jī)合排冒黑煙及響應(yīng)慢問(wèn)題分析與優(yōu)化

段艷強(qiáng)　史長(zhǎng)平　梁毅　高磊　翟光瑞

摘要：為解決某沿海拖輪主機(jī)合排過(guò)程中冒黑煙問(wèn)題，通過(guò)分析確定主要原因?yàn)閲娪推鬟^(guò)度噴油和增壓器響應(yīng)慢導(dǎo)致的燃燒不完全。采取加裝限油裝置、優(yōu)化增壓器和凸輪軸等措施，將單增壓器改為雙增壓器，增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量從0.437 kg·m2減小至0.046 kg·m2，將排氣門開度增大15°、進(jìn)氣門關(guān)閉角減小25°、氣門重疊角減小20°，將氣門最大升程減小9%，通過(guò)臺(tái)架突加負(fù)荷試驗(yàn)和實(shí)船試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)速為350、400、450 r/min時(shí)，優(yōu)化后的突加功率較原機(jī)分別提高11.1%～27.3%，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間縮短25%～48%，突加負(fù)荷時(shí)冒煙現(xiàn)象明顯改善。實(shí)船驗(yàn)證結(jié)果表明：柴油機(jī)排氣煙色肉眼幾乎不可見，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間大幅縮短，冒煙時(shí)長(zhǎng)由21 s縮短至9 s，冒黑煙及響應(yīng)慢的問(wèn)題得到解決。

關(guān)鍵詞：沿海拖輪；合排；冒黑煙；增壓器；凸輪軸；過(guò)量空氣系數(shù)

中圖分類號(hào)：U672文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2023）05-0074-08

引用格式：段艷強(qiáng)，史長(zhǎng)平，梁毅，等. 某柴油機(jī)合排冒黑煙及響應(yīng)慢問(wèn)題分析與優(yōu)化［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2023，40（5）：74-81.

DUAN Yanqiang， SHI Changping， LIANG Yi， et al. Analysis and optimization of black smoke and slow response from a diesel engine during clutch engaging［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：74-81.

0 引言

正常工作條件下，船舶柴油機(jī)尾氣顏色一般為無(wú)色或淺灰色。冒黑煙是船舶柴油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的常見故障之一[1]。導(dǎo)致柴油機(jī)冒黑煙的原因較多，其中最主要的原因?yàn)槿加腿紵怀浞郑糠植裼驮诟邷厝毖鯒l件下裂解、聚合生成自由碳粒子，當(dāng)這些碳微粒在排氣中的占比超過(guò)85%，就會(huì)呈黑色煙霧排出，即冒黑煙現(xiàn)象。柴油機(jī)冒黑煙增加了燃料消耗和運(yùn)營(yíng)成本，降低了柴油機(jī)動(dòng)力性能；冒黑煙與節(jié)能減排理念相背離，受到港口國(guó)的嚴(yán)格限制， 輕者罰款，重者可能滯留船舶[2]。本文中，分析某沿海拖輪用柴油機(jī)合排冒黑煙和低速響應(yīng)慢的原因，采取加裝限油裝置、優(yōu)化增壓器和凸輪軸等措施，并進(jìn)行臺(tái)架突加負(fù)荷試驗(yàn)和實(shí)船運(yùn)行驗(yàn)證，解決該柴油機(jī)排氣冒黑煙及響應(yīng)慢故障。

1 故障現(xiàn)象

某沿海拖輪用中速柴油機(jī)在與齒輪箱合排時(shí)冒黑煙，如圖1所示。由圖1可知：合排后大約經(jīng)過(guò)7 s，排煙管中開始冒黑煙，一直持續(xù)到第21秒。

柴油機(jī)在與齒輪箱合排時(shí)，需要驅(qū)動(dòng)處于靜止?fàn)顟B(tài)的螺旋槳，螺旋槳的速度將在極短的時(shí)間內(nèi)從零增加到相當(dāng)大，柴油機(jī)負(fù)荷瞬間增大，為了維持柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，調(diào)速器加大噴油量，造成“油多”現(xiàn)象；但此時(shí)增壓器響應(yīng)速度存在遲滯，吸入氣缸的空氣量的增加速率跟不上噴油量的變化速率，造成“氣少”現(xiàn)象。這種“油多、氣少”現(xiàn)象，使得氣缸內(nèi)的油氣混合物不能達(dá)到最佳比例，燃燒質(zhì)量下降[3-5]。

2 故障排除

2.1 故障復(fù)現(xiàn)

為了快速排除冒黑煙故障，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行原機(jī)故障復(fù)現(xiàn)。柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速下進(jìn)行突加負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，表中突加功率百分比為突加功率與額定功率的比，試驗(yàn)過(guò)程排氣煙色如圖2所示。由表1可知：原機(jī)突加功率偏低，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，突加負(fù)荷響應(yīng)能力較差。

2.2 限油裝置

為了解決“油多”問(wèn)題，在油門位置安裝限油裝置，進(jìn)行同功率突加負(fù)荷對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)過(guò)程排氣煙色如圖3所示。

由表2、圖3可知：采用限油裝置控制油門開度，防止過(guò)量供油，空燃比更好，燃燒相對(duì)較好，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間縮短了5～6 s，排氣煙色轉(zhuǎn)淡，濃煙持續(xù)期縮短。

2.3 助噴裝置

為改善“氣少”問(wèn)題，由柴油機(jī)起動(dòng)空氣管路上引出一路壓縮空氣，經(jīng)減壓后與增壓器殼體進(jìn)氣口相連。在突加負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，空氣開關(guān)閉合，時(shí)間繼電器開始計(jì)時(shí)，吹氣管上電磁閥打開進(jìn)行吹氣，10 s后繼電器自動(dòng)斷開，電磁閥閉合，補(bǔ)氣過(guò)程結(jié)束。加裝助噴裝置后臺(tái)架突加負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，排氣煙色如圖4所示。

由表3、圖4可知，通過(guò)向壓氣機(jī)葉輪補(bǔ)氣，迅速提高增壓器轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣量，提高了空燃比，改善燃燒，突加功率更高，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間更短，煙色更好，只有輕微淡煙。

輔助增加限油裝置和助噴裝置后，柴油機(jī)的突加負(fù)荷能力得到顯著提升[6]。但進(jìn)氣助噴裝置方案對(duì)船艙設(shè)備改動(dòng)較大，不僅需要臨時(shí)加工補(bǔ)氣管路，且管路布置及電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜，同時(shí)氣源能也得不到保障，所以未進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證。為解決進(jìn)氣不足問(wèn)題，對(duì)柴油機(jī)的增壓空氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2.4 增壓器優(yōu)化

增壓器響應(yīng)時(shí)間主要與增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和壓氣機(jī)的流量相關(guān)。增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，壓氣機(jī)流量越大，越有利于提高增壓器響應(yīng)速度[7]。將原機(jī)由單增壓調(diào)整為雙增壓，增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量從0.437 kg·m2減小至0.046 kg·m2，減小了89.5%，增壓器響應(yīng)時(shí)間大幅度提高。臺(tái)架雙增壓突加負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，排氣煙色如圖5所示。對(duì)比表1、4可知：雙增壓柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間縮短了15%～50%，達(dá)到預(yù)期效果；柴油機(jī)能夠快速捕獲足夠的新鮮空氣，空燃比增加，燃燒效果改善，排氣冒黑煙現(xiàn)象也隨之改善，但仍較明顯。

2.5 凸輪軸優(yōu)化

2.5.1 配氣相位優(yōu)化

柴油機(jī)匹配雙增壓器后，突加負(fù)荷響應(yīng)性已大幅度提升，但排氣煙色仍不符合要求。對(duì)凸輪軸進(jìn)行優(yōu)化，提升其低速性能。選取轉(zhuǎn)速為750 r/min的額定工況和轉(zhuǎn)速為350～450 r/min的外特性工況，通過(guò)調(diào)整原凸輪的排氣門開度（exhaust valve opening，EVO）、進(jìn)氣門關(guān)閉角（intake valve close，IVC）和氣門重疊角（valve overlap，VO）對(duì)配氣相位進(jìn)行優(yōu)化[8]，優(yōu)化結(jié)果如圖6～8所示。

由圖6可知：隨著EVO增大，外特性工況的油耗和泵氣平均有效壓力略微下降，充氣效率和缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)升高，表明在低速時(shí)推遲排氣門開啟時(shí)刻，可充分利用氣體膨脹做功；但額定工況的泵氣平均有效壓力呈線性大幅下降，泵氣負(fù)功大幅增加[9]，油耗逐漸增加。綜合分析，優(yōu)化方案為EVO增大15°。

由圖7可知：隨著IVC減小，外特性工況的油耗略有降低，充氣效率和缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)略有升高，表明低速時(shí)進(jìn)氣管內(nèi)空氣流速慢，進(jìn)氣門關(guān)閉早，可以避免已進(jìn)入氣缸的空氣被上行的活塞推出；但隨著IVC減小，額定工況的充氣效率先升高后下降，不利于補(bǔ)充進(jìn)氣。綜合分析，優(yōu)化方案為IVC減小25°。

由圖8可知：隨著VO減小，外特性工況的油耗降低，充氣效率和缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)性能均有提高，表明低速時(shí)減小氣門重疊角，可以防止進(jìn)氣回流和排氣倒灌現(xiàn)象，提高進(jìn)氣質(zhì)量；但渦前總管排溫先降低后升高，原因?yàn)閂O過(guò)小使廢氣流通不暢，導(dǎo)致掃氣效率降低。綜合分析，優(yōu)化方案為VO減小20°。

2.5.2 氣門升程優(yōu)化

柴油機(jī)的動(dòng)力性能主要取決于單位時(shí)間內(nèi)氣缸的進(jìn)氣量，最佳配氣相位只能增加氣門開啟時(shí)間，并不能有效改善氣缸的進(jìn)氣速度。

低轉(zhuǎn)速時(shí)，柴油機(jī)單位時(shí)間進(jìn)氣量小，不需要很高的進(jìn)氣速度。通過(guò)減小氣門升程有助于增強(qiáng)進(jìn)氣渦流強(qiáng)度，增加缸內(nèi)紊流，提高燃燒速度。根據(jù)氣道流通能力，初步確定氣門最大升程減小9%。

根據(jù)最佳配氣相位角和氣門升程，重新設(shè)計(jì)滿足配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力性校核要求的氣門升程曲線，如圖9所示。

2.5.3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)仿真對(duì)凸輪軸優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證。轉(zhuǎn)速為400 r/min外特性工況的進(jìn)、排氣道質(zhì)量流量?jī)?yōu)化前、后對(duì)比如圖10所示。由圖10可知：凸輪軸優(yōu)化后，原凸輪的進(jìn)氣回流和排氣倒灌現(xiàn)象得到明顯改善。

凸輪優(yōu)化前、后的柴油機(jī)主要性能仿真對(duì)比如圖11所示。由圖11可知：轉(zhuǎn)速為350～450 r/min的外特性工況下，凸輪軸優(yōu)化后的柴油機(jī)燃油消耗率降低了2.9～8.8 g/（kW·h），充氣效率提高了7.1%～17.1%，缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)提高了8.1%～19.6%。

2.6 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.6.1 臺(tái)架性能驗(yàn)證

安裝限油裝置，更換優(yōu)化后的增壓器和凸輪軸，在臺(tái)架上進(jìn)行突加負(fù)荷試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化方案的效果，結(jié)果如表5所示，排氣煙色如圖12所示。由表5、圖12可知：優(yōu)化后的柴油機(jī)突加功率較原機(jī)提高了11.1%～27.3%，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間縮短了25%～48%，突加負(fù)荷時(shí)冒煙現(xiàn)象明顯改善。

2.6.2 實(shí)船驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述優(yōu)化方案的可行性，進(jìn)行實(shí)船合排作業(yè)驗(yàn)證，結(jié)果如圖13所示。由圖13可知：柴油機(jī)排氣煙色濃度肉眼幾乎不可見，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間大幅度縮短，冒煙時(shí)長(zhǎng)由21 s縮短至9 s，冒黑煙及響應(yīng)慢的問(wèn)題得到解決。

2.7 成本分析

優(yōu)化后的增壓器尺寸減小，可使壓氣機(jī)殼和蝸輪殼的模具尺寸減小，還可使葉輪采用精密鑄造替代五軸數(shù)控銑削加工，因此具備批量生產(chǎn)條件，雙增壓成本比單增壓降低了38.1%，優(yōu)化后的凸輪軸僅更改進(jìn)、排氣凸輪輪廓，不涉及毛坯和加工成本，優(yōu)化方案的成本更低。

3 結(jié)論

分析船用柴油機(jī)合排冒黑煙和低速響應(yīng)慢的原因，采取加裝限油裝置、優(yōu)化增壓器和凸輪軸等措施，并進(jìn)行轉(zhuǎn)速為350、400、450 r/min的低速臺(tái)架突加負(fù)荷試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)船運(yùn)行驗(yàn)證。

1）柴油機(jī)冒黑煙及響應(yīng)慢的主要原因是“油多、氣少”，使得氣缸內(nèi)的油氣混合物不能達(dá)到最佳比例。

2）臺(tái)架突加負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果表明：輔助加裝限油裝置和助噴裝置，可提高缸內(nèi)空燃比，臨時(shí)排除冒黑煙故障。

3）將單增壓器改為雙增壓器，增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量從0.437 kg·m2減小至0.046 kg·m2。臺(tái)架突加負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果表明：雙增壓柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間縮短了15%～50%，柴油機(jī)空燃比增加，燃燒效果改善，排氣冒黑煙現(xiàn)象得到改善。

4）將排氣門開度增大15°、進(jìn)氣門關(guān)閉角減小25°、氣門重疊角減小20°，將氣門最大升程減小9%，仿真結(jié)果表明，進(jìn)氣回流和排氣倒灌現(xiàn)象得到明顯改善。

5）安裝限油裝置、更換優(yōu)化后增壓器和凸輪軸后，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化后的突加功率較原機(jī)分別提高了11.1%～27.3%，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間縮短了25%～48%；實(shí)船驗(yàn)證結(jié)果表明：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間大幅縮短，冒煙時(shí)長(zhǎng)由21 s縮短至9 s，排氣煙色符合要求，冒黑煙及響應(yīng)慢的問(wèn)題得到解決。

6）優(yōu)化后的增壓器尺寸減小，具備批量生產(chǎn)條件，雙增壓成本比單增壓降低了38.1%，優(yōu)化后的凸輪軸僅更改進(jìn)、排氣凸輪輪廓，不涉及毛坯和加工成本，因此優(yōu)化方案的成本更低。

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Analysis and optimization of black smoke and slow response from a diesel engine during clutch engaging

DUAN Yanqiang1， SHI Changping1， LIANG Yi1， GAO Lei1， ZHAI Guangrui2

Abstract：To solve the problem of black smoke emitted during the main engine assembly process of a coastal tugboat， through analysis， it is determined that the main cause is excessive fuel injection by the fuel injector and incomplete combustion caused by slow response of the turbocharger. By installing a fuel limit device， optimizing the turbocharger and camshaft， the single turbocharger is changed by two turbochargers， and the inertia of the turbocharger rotor is reduced from 0.437 kg·m2 to 0.046 kg·m2. The exhaust valve opening increases 15°， intake valve closing decreases 25°， and valve overlap angle decreases 20°， respectively，and the maximum valve lift is reduced by 9%. The optimization scheme is verified through bench sudden load test and actual ship test. The results of the bench test show that at speeds of 350， 400， and 450 r/min， the optimized sudden increase in power increased by 11.1% to 27.3% compared to the original machine， and the speed recovery time shortened by 25% to 48%. The smoke phenomenon during sudden increase in load is significantly improved. The actual ship verification results show that the exhaust smoke color of the diesel engine is almost invisible to the naked eye， the speed recovery time is significantly shortened， and the smoke emission time is reduced from 21 s to 9 s. The problems of black smoke and slow response have been solved.

Keywords：coastal tug; clutch engaging; black smoke; supercharger; camshaft; excess air coefficient（責(zé)任編輯：郎偉鋒）

收稿日期：2023-06-20

第一作者簡(jiǎn)介：段艷強(qiáng)（1986—），男，四川樂(lè)山人，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榇貌裼蜋C(jī)性能開發(fā)，E-mail：duanyanqiang123@163.com.