某型重油柴油發電機組相關問題的分析及改進

邱國才，陳小芳

（1.上海齊耀發動機有限公司，上海201108；2.上海寰創通信科技有限公司，上海200241）

某型重油柴油發電機組相關問題的分析及改進

邱國才1，陳小芳2

（1.上海齊耀發動機有限公司，上海201108；2.上海寰創通信科技有限公司，上海200241）

介紹了某型重油柴油發電機組在試驗和使用過程中發現的功率開不足、缸內積碳及冒黑煙問題的分析及改進方案。改進后，該型柴油機功率開不足、煙度及燃燒效果得到了較好的改善，達到了預期的效果。

重油柴油機噴油器齒條刻度冒黑煙積碳功率開不足

1 引言

近年來，全球船用重油柴油機發展與應用的速度非常迅猛，國內民用船舶也越來越多地采用經濟性更好的重柴油作為船用主輔柴油機的主要燃料。某型船用柴油機，引進國內生產已有30余年。雖然該型柴油機在初始設計時就有燃用重油的技術方案，但在引進初期，由于國內的航運業不發達，競爭不激烈，國內客戶主要選用的是操作、燃料儲存及使用簡單方便的輕柴油的柴油機機作為船用動力。隨著中國加入世貿以后，國內的航運業得到了蓬勃的發展，航運業的競爭越來越激烈。為了適應時代的需要，該型柴油機的國內客戶于是越來越多地選擇了經濟性更好的重油柴油機作為船用動力。但是該型重柴油發電機組在國內使用了一段時間后，發現了在燃用重油時存在著功率不足，且活塞頂部及噴油器噴嘴積碳嚴重，柴油機變工況時存在嚴重的冒黑煙等一系列問題。

2 原因查找及分析

為了查找以上問題的原因，徹底解決相關問題，公司組織了相關人員經過了大量的分析及研究，決定選取在公司銷量最大的6缸重油柴油機發電機組上進行相關試驗，查找相關問題的根源。為了充分暴露問題，選定該柴油機設計工況轉速進行負荷特性試驗，試驗部分數據見表1。

從表1試驗結果可以得出以下幾點：

（1）額定負載時，該機型單缸平均排溫為420℃，總排溫為500℃。而單缸平均排溫的設計值≤530℃，總排溫≤580℃，可見該重油柴油機的單缸排溫和總排溫還有一定的上升空間，可以增加供油量，以提高柴油機功率。

（2）在發動機的燃油泵、機油泵及水泵工作正常、溫度和壓力都滿足設計要求的情況下，油泵齒條刻度為35，而設計的油泵齒條刻度也為35，油門齒條和調速器負荷指示刻度已經達到最大值，沒有了調整裕度。

（3）柴油機實際最大負荷為106.3%，未達到柴油發電機組應能實現的110%負荷下正常運行的設計值。

表1 改進前柴油機臺架試驗數據

（4）柴油機掃氣壓力設計值為100%負荷時應＜190 kPa，試驗實測值為170 kPa，還有提升的余地。

與此同時，實測的柴油機最大爆發壓力值為9.5 MPa。該柴油機設計允許的最大爆發壓力為10 MPa，離允許的最大爆發壓力還有一點上升空間。

除最大工況試驗中暴露的問題之外，客戶還反映柴油機重油運行一段時間后，缸內存在嚴重的積碳問題；并且在高負載變工況時，存在較嚴重的冒黑煙現象。在分析了柴油機主要結構件的設計配合尺寸及零件實測尺寸檢驗結果后，排除了大量燒機油引起積碳的可能性后，得出該問題主要是由柴油燃燒不充分所引起的結論。于是進行了初步的柴油機負荷特性試驗，油耗和煙度的測量結果見圖1。可以發現，在高負荷工況時煙度上升較快，但仍基本在正常允許的范圍以內。

3 改進措施

結合試驗及客戶反映問題的原因查找及分析，在考慮到該機型開發時間較早，結構強度不高，加之受到生產成本等因素的制約，在不改變噴油壓力及噴油提前角的情況下，主要采取了以下2項措施來解決相關問題：提高燃油供油效率和增加柴油機進氣流量。

3.1 提高燃油供油效率

在噴孔錐角和開啟壓力相同的情況下，當噴孔直徑增大時，油束射程增大，單位時間內的噴油流量增大，這樣在同樣的供油凸輪轉角下，供油效率就會得到相應的提高，但這樣可能會對燃油霧化效果及排放有影響。因此噴油器針閥偶件采用擠壓工藝處理，以提高噴油嘴流量系數。通過該工藝使噴嘴錐閥面的材料表面致密度及粗糙度得到了較大的改善和提高，減少噴油器工作時的燃油積留，降低了針閥偶件的磨損，從而達到了改善噴嘴積碳問題的效果。

圖11 500 r/min負荷特性試驗

為了解決柴油機的功率儲備及油泵齒條刻度不足問題，考慮到改進前齒條的實際刻度與理論設計值的偏差，將噴油器噴油量由3.2 L/min提高至3.5 L/min，即噴油量提高了9.4%，在噴油提前角不變的情況下，相當于將供油效率提高了9.4%，實際噴油器噴油量測量值見圖2。

從圖2噴油器流量曲線也可以發現，改進工藝后，柴油機各缸噴油器的針閥偶件流量的均勻性更好，對柴油機各缸負荷的均勻性及柴油機運行的穩定性也有了較好的改善。

3.2 增加柴油機進氣流量

增壓中速柴油機的過量空氣系數α為2.0左右，α值越小，柴油機工作過程中需要的結構強度就越高。在考慮到該機型結構強度及對改善燃燒的需求的情況下，將增壓器噴嘴環的喉口面積由45.76 cm2調整為48 cm2，提高了大約4.9%。從而使過量空氣系數α有了一定的提升，讓噴油量提升帶來的缸內爆發壓力過高的風險得到了相應的抑制。同時，由于喉口面積的增大，帶來了掃氣壓力及掃氣效率的提高，進一步改善了缸內的燃燒效果。

圖2 改進前后噴油器流量對比

4 改進后的效果

同一臺柴油機經過以上改進后，重新進行柴油發電機組的單機試驗得到的負荷特性數據見表2。從表中可以看出：

（1）油泵齒條的刻度能滿足柴油機功率設計的要求，并且留有適當余量。改進前后噴油泵齒條位置進行對比分析如圖3所示。可以看出，油泵齒條的裕度改善效果明顯。

（2）各缸平均排溫為426℃，僅比改進前提高了6℃，沒有超出設計要求。

（3）掃氣壓力為175 kPa，沒有超出設計值為100%負荷時應＜190 kPa的設計指標。

在改進試驗循環中，對柴油機的油耗及煙度進行了測量，測量值見圖4。最后測量了柴油機的最大爆發壓力，實測值為9.8～9.9 MPa，這證明已經充分挖掘了該機型的潛力。

根據測量值對改進前后的油耗及煙度進行對比分析見圖5。從圖中可以看出，改進后柴油機的油耗及煙度得到了較好的改善。可見，這些改進措施對煙度及油耗影響明顯，對燃油消耗率的影響呈現低工況和高工況變化大，中間位置變化小的趨勢。

表2 改進后柴油機臺架試驗數據

圖3 改進前后齒條位置

圖5 改進前后柴油機油耗和煙度對比

5 結論

通過對燃油系統和增壓系統的改進，較好地解決了柴油機功率不足、缸內積碳及冒黑煙等問題。同時，由于充氣系數和掃氣壓力的提高，改善了柴油機的燃燒，讓柴油機在更低的油耗下達到了需要的功率。不僅降低了油耗，改善了煙度，而且還降低了柴油機的排放，完全達到了改進的目標要求。

1徐立華.船舶柴油機［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2006.

2 Takasaki K,Fukuyoshi T,Abe S,.et al.Visual Study about Combustion Characteristics of Heavy Fuel in Diesel Engines[J].Bulletin of the MESJ,1999,27(1): 22-28.

3王忠俊，陳軍.中高速船用柴油機燃用重油的應用[J].船海工程，2010，39（2）：74-77.

Analysis and Improvement of Problems of Heavy Fuel Engine for Generator Set

Qiu Guocai1,Chen Xiaofang2
（1.Shanghai Qiyao Engine Co.,Ltd.,Shanghai 201108,China; 2.Shanghai Huanchuang Communication Technology Co.,Ltd.,Shanghai 2000241,China）

Problems of insufficient power,carbon deposit and black smoke happened during the test and use of a heavy fuel engine for generator set.Analysis and improvement was made to address the problems.After the improvement of the fuel and intake systems,the engine power was increased,and the issues of smoke and carbon deposit much improved,achieving the desired results of the improvement.

heavy fuel engine;injector;fuel pump rack scale;black smoke;carbon deposit;insufficient power

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.01.005

來稿日期：2013-10-07

邱國才（1979-），男，助理工程師，主要研究方向為柴油機制造及開發。