遠(yuǎn)洋船舶主機(jī)低負(fù)荷下燃燒工況優(yōu)化研究

董慶豐，張志剛，鹿 佳，葛 權(quán)

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

0 引 言

本文研究以某特種船舶為樣本，該船采用瓦錫蘭8L46C型中速四沖程柴油機(jī)作為主機(jī)，配以減速齒輪箱以及液壓調(diào)距槳作為其主推進(jìn)裝置，該船在執(zhí)行特種任務(wù)時(shí)主機(jī)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致主機(jī)燃燒性能的惡化，這樣就造成主機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，常常出現(xiàn)單缸不發(fā)火等現(xiàn)象，在長(zhǎng)時(shí)間低速低負(fù)荷運(yùn)行后，改為全速航行時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)排溫偏高或單缸排溫偏高報(bào)警，造成主機(jī)自動(dòng)降負(fù)荷。雖然已經(jīng)采取相應(yīng)措施，但這僅僅解決了表面問(wèn)題，沒(méi)有從根本上解決，長(zhǎng)此以往，將會(huì)對(duì)設(shè)備的安全可靠性造成影響。本文通過(guò)對(duì)柴油機(jī)燃燒性能惡化的分析，提出了主機(jī)采用定速模式的優(yōu)化措施，通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，并將其應(yīng)用于該船。

1 柴油機(jī)燃燒性能惡化分析

1）影響噴油器的性能

長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，燃燒不良，直接影響噴油器的性能，造成噴油器噴孔積碳堵塞，使得燃油霧化質(zhì)量變差，從而使燃燒性能逐漸惡劣，惡劣的燃燒性能更加速了噴油器噴嘴的積碳堵塞，嚴(yán)重者更會(huì)造成噴油嘴的斷裂。

2）引起主機(jī)振動(dòng)不均

長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)造成各氣缸的燃燒不均衡，特別是在低負(fù)荷下，出現(xiàn)個(gè)別氣缸不發(fā)火的情況，使得各缸的燃燒爆炸壓力處于一個(gè)極度不平衡的狀態(tài)，使整個(gè)柴油機(jī)的振動(dòng)更加劇烈，進(jìn)而影響柴油機(jī)的可靠運(yùn)行。

3）影響船舶正常航行計(jì)劃

主機(jī)燃燒工況惡化后，柴油機(jī)后燃嚴(yán)重，平均排溫偏高，柴油機(jī)自動(dòng)報(bào)警降負(fù)荷運(yùn)行，造成船舶航速達(dá)不到要求，如果造成噴油器嚴(yán)重堵塞或者油嘴斷裂等故障，還必須停機(jī)檢修，會(huì)嚴(yán)重影響正常的航行計(jì)劃。

2 柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立

柴油機(jī)工作過(guò)程的仿真，一般是運(yùn)用微分方程來(lái)反應(yīng)柴油機(jī)的工作過(guò)程，之后運(yùn)用計(jì)算機(jī)來(lái)求解方程，最終求出柴油機(jī)各參數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間（或曲軸轉(zhuǎn)角）的變化規(guī)律。本文采用2種模型，一是平均值模型，其把柴油機(jī)工作過(guò)程分為柴油機(jī)、中冷器、掃氣箱、排氣管、增壓器、調(diào)速機(jī)構(gòu)等幾個(gè)獨(dú)立的單元，該模型仿真速度較快、精度較高，但是卻無(wú)法反應(yīng)氣缸內(nèi)的工作過(guò)程。二是容積法模型，其用來(lái)反應(yīng)氣缸的動(dòng)態(tài)過(guò)程，將氣缸的動(dòng)態(tài)過(guò)程分為壓縮過(guò)程、燃燒過(guò)程、膨脹過(guò)程、排氣過(guò)程、進(jìn)氣過(guò)程5個(gè)階段。最后通過(guò)開環(huán)控制，將2種模型結(jié)合起來(lái)，以此來(lái)動(dòng)態(tài)反應(yīng)出整個(gè)柴油機(jī)的工作過(guò)程。

2.1 平均值模型

該模型將柴油機(jī)劃分為如圖1所示的幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制單元，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。廢氣渦輪增壓器將空氣壓縮送入中冷器，冷卻后進(jìn)入掃氣箱，掃氣箱內(nèi)壓縮冷卻后的空氣和燃油進(jìn)去氣缸在缸內(nèi)燃燒，發(fā)出扭矩，在產(chǎn)生廢氣進(jìn)去排氣管，最后通過(guò)增壓器排到大氣中。這里根據(jù)質(zhì)量和能量守恒定律及理想氣體狀態(tài)方程建立各模塊的數(shù)學(xué)模型。

采用Matlab中的Simulink模塊編制仿真程序，編制柴油機(jī)模塊、螺旋槳模塊、轉(zhuǎn)速設(shè)定模塊和調(diào)速器模塊，由這幾個(gè)模塊組成整體模型，其中環(huán)境條件以及柴油機(jī)的各參數(shù)通過(guò)柴油機(jī)模塊的參數(shù)界面輸入。如圖2上部（除陰影部分）所示為柴油機(jī)模塊，其中需要輸入負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jl，柴油機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl，單缸循環(huán)供油量m，掃氣箱壓力pim，可輸出主機(jī)轉(zhuǎn)速ne，排氣管壓力pem，透平轉(zhuǎn)速ntc等參數(shù)。

圖1 柴油機(jī)工作原理圖Fig.1 Working principle of diesel engine

圖2 主機(jī)工作過(guò)程模型Fig.2 Working process model of diesel engine

2.2 容積法模型

將柴油機(jī)的每個(gè)獨(dú)立控制單元都作為一個(gè)獨(dú)立的控制容積，它們之間通過(guò)氣體和能量流動(dòng)關(guān)聯(lián)起來(lái)。本文簡(jiǎn)單介紹氣缸工作過(guò)程，其中假設(shè)缸內(nèi)工質(zhì)為理想氣體，缸內(nèi)各處的工質(zhì)成分、壓力和溫度都相同。這樣，采用能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程和氣體狀態(tài)方程關(guān)聯(lián)起來(lái)，得到氣缸內(nèi)工作過(guò)程的基本數(shù)學(xué)模型。

2.3 氣缸工作過(guò)程基本方程

2.4 氣缸工作容積

這里將曲柄在上死點(diǎn)位置定義為φ=0，氣缸工作容積的變化規(guī)律表示為：

氣缸容積的變化率表示為：

本文的柴油機(jī)為高速四沖程柴油機(jī)，這里通過(guò)編寫程序?qū)飧坠ぷ鬟^(guò)程劃分為壓縮過(guò)程、燃燒過(guò)程、膨脹過(guò)程、排氣過(guò)程、進(jìn)氣過(guò)程5個(gè)模塊，仿真時(shí)根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角和定時(shí)依次調(diào)用這5個(gè)模塊來(lái)完成仿真。氣缸內(nèi)在不同階段，模型的方程表現(xiàn)形式也不同。

3 綜合模型及其仿真結(jié)果

平均值模型和容積法模型各自采用時(shí)間和曲軸轉(zhuǎn)角為自變量建立方程，所以需要將角度域轉(zhuǎn)換到時(shí)間域才能將2個(gè)模型結(jié)合起來(lái)。

如圖2所示，將平均值模型的仿真輸出量（進(jìn)氣壓力pim，進(jìn)氣溫度Tim，輸入單缸循環(huán)供油量m，排氣壓力pe、主機(jī)轉(zhuǎn)速ne）作為容積法模型（氣缸動(dòng)態(tài)工作過(guò)程）的輸入量，合理的仿真出整個(gè)柴油機(jī)的工作過(guò)程。

該船主機(jī)類型為瓦錫蘭8L46C型四沖程柴油機(jī)，額定輸出功率為 8 400 kW，額定轉(zhuǎn)速 500 r/min，氣缸直徑460 mm，活塞行程580 mm，平均有效壓力為2.61 MPa。表1為該船主機(jī)各參數(shù)的實(shí)測(cè)值以及利用模型計(jì)算出來(lái)的參數(shù)對(duì)比。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)仿真計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與實(shí)際的測(cè)量結(jié)果相差不大，在額定工況下的最大爆發(fā)壓力和輸出功率幾乎沒(méi)有誤差，其他負(fù)荷下的誤差也都在10%以內(nèi)，符合工程需要。

表1 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表Tab.1 The simulation results are compared to the measured data

4 柴油機(jī)燃燒工況分析

目前該船的航行工況可以分為2種，一是額定轉(zhuǎn)速滿負(fù)荷的航行工況；二是低速低負(fù)荷的任務(wù)工況。第1種工況主機(jī)處于額定工況，各運(yùn)行參數(shù)良好，氣缸的燃燒情況比較好；第2種工況，主機(jī)輸出功率大概保持在 2 100 kW，轉(zhuǎn)速在 350 r/min，負(fù)荷處于25%左右，長(zhǎng)時(shí)間在此種工況下運(yùn)行，對(duì)柴油機(jī)有較大的影響，為改進(jìn)此種情況，利用仿真模型計(jì)算主機(jī)在額定轉(zhuǎn)速，負(fù)荷在25%時(shí)，主機(jī)各系統(tǒng)的參數(shù)，并與任務(wù)工況下主機(jī)聯(lián)控模式的各參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，為了方便下文說(shuō)明，將仿真模型計(jì)算的工況稱為定速模式（見(jiàn)表2）。

表2 主機(jī)在兩種工況下的參數(shù)對(duì)比表Tab.2 The parameter comparison of diesel engine in two conditions

表2中定速模式最大爆發(fā)壓力為單缸壓力，低負(fù)荷工況的最大爆發(fā)壓力是各缸的平均壓力，表2可以看出，定速模式下與聯(lián)控模式的負(fù)荷與輸出功率一致，這樣就滿足了該船在任務(wù)期間的動(dòng)力需求，同時(shí)平均排溫下降了40 ℃左右，可以有效避免或減少排溫過(guò)高的現(xiàn)象，同時(shí)單缸的最大爆發(fā)壓力也要低于聯(lián)控模式，有效地改善氣缸的燃燒狀態(tài)。因此當(dāng)采用定速模式時(shí)，主機(jī)的燃燒工況明顯要好于聯(lián)控模式。

5 柴油機(jī)燃燒工況優(yōu)化措施及結(jié)果

當(dāng)主機(jī)處于低負(fù)荷時(shí)，若將轉(zhuǎn)速設(shè)定在額定轉(zhuǎn)速，主機(jī)的燃燒工況比較良好，有利于設(shè)備在低負(fù)荷下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

該船主機(jī)的系統(tǒng)控制是通過(guò)集控室的PCU（Propeller Control Unit）控制箱實(shí)現(xiàn)，主機(jī)各傳感器將信號(hào)送到PCU內(nèi)，PCU通過(guò)內(nèi)部的PLC實(shí)現(xiàn)主機(jī)的啟動(dòng)、報(bào)警、停車、安保等功能。定速裝置直接連接到PCU中，并將定速模式的控制程序?qū)隤LC中，實(shí)現(xiàn)定速功能。定速裝置通過(guò)調(diào)節(jié)供油量自動(dòng)調(diào)節(jié)主機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其固定在設(shè)定值上，通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋槳的槳距來(lái)改變主機(jī)的輸出功率和負(fù)荷。表3和表4是該船在低負(fù)荷下采用定速模式和聯(lián)控模式時(shí)左右主機(jī)各參數(shù)的對(duì)比表。

由表可以看出，在定速模式下主機(jī)的排溫明顯低于聯(lián)控模式，增壓器的轉(zhuǎn)速卻有所提升，同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)在定速模式下，設(shè)定的轉(zhuǎn)速提高時(shí)，排溫有所降低，增壓器轉(zhuǎn)速有所提高。這充分說(shuō)明了定速模式可以改善主機(jī)氣缸內(nèi)的燃燒工況，提高主機(jī)的燃燒性能。

表3 左主機(jī)參數(shù)對(duì)比表Tab.3 The parameter comparison of port side diesel engine

表4 右主機(jī)參數(shù)對(duì)比表Tab.4 The parameter comparison of starboard side diesel engine

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)某特種船舶在低負(fù)荷下主機(jī)燃燒工況惡劣的情況，進(jìn)行分析并提出定速模式的優(yōu)化措施，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，最后在實(shí)際中將定速裝置應(yīng)用于該船，并與原模式進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該船主機(jī)燃燒工況得到了一定的改善，證明了定速裝置起到了預(yù)想的效果，提高了該船主機(jī)在低負(fù)荷下的燃燒性能。

[1]王海燕, 張均東, 曾鴻.大型低速柴油機(jī)工作過(guò)程建模與仿真[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 32(2): 1-4.

[2]王海燕, 任光, 張均東.船用大型低速二沖程柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)模型[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2006, 24(5): 452-458.

[3]胡豪杰.輪機(jī)模擬器主動(dòng)力裝置研究[D].大連: 大連海事大學(xué), 2009: 16–17.