淺析船用中速柴油機冒黑煙及其解決方法

丁樂中 蔣大偉 唐少華

摘 要：本文以某船主機MAN 8L28/32A柴油機為實例，對其啟動、合排、加速時冒黑煙的現(xiàn)象進(jìn)行機理性分析;由于低轉(zhuǎn)速高扭矩的負(fù)荷突變工況，增壓空氣并不能滿足柴油機燃燒所需，導(dǎo)致燃燒不良，從而柴油機冒黑煙;文中提供兩種有效的調(diào)節(jié)或者改造方法進(jìn)而解決了冒黑煙現(xiàn)象，確保柴油機處于良好的運行工況，使得該船能夠充分滿足節(jié)能環(huán)保相關(guān)規(guī)定的情況下運營。

關(guān)鍵詞：柴油機 冒黑煙 解決方法

1.引言

船用柴油機在運行期間冒黑煙屬于較為常見的現(xiàn)象，尤其是四沖程中速機作為主機在啟動、合排、加速時尤為明顯，其原因在于船舶配置四沖程中速機作為主機使用時，大多采用減速齒輪箱等部件與定距螺旋槳連接產(chǎn)生輸出動力，當(dāng)柴油機在啟動、合排、加速時，柴油機轉(zhuǎn)速與增壓器轉(zhuǎn)速不能有效、及時響應(yīng)，導(dǎo)致柴油機進(jìn)氣壓力過低而使得柴油機缸內(nèi)燃燒不充分，產(chǎn)生冒黑煙的現(xiàn)象。目前節(jié)能環(huán)保的相關(guān)規(guī)定在不斷出臺，例如《關(guān)于規(guī)范黃浦江水域船容船貌的通告》中明確“不得排放明顯可見的黑煙”的相關(guān)規(guī)定。因此對于船用柴油機在啟動、合排、加速時冒黑煙等問題應(yīng)盡最大可能進(jìn)行減緩或者解決，做到有的放矢。

2.機理分析

本文以某船主機MAN 8L28/32A 柴油機為實例，在啟動、合排、加速時進(jìn)行冒黑煙分析。MAN 8L28/32A 技術(shù)參數(shù)如下表1所示，該機通過減速齒輪箱帶動定距槳轉(zhuǎn)動，推動船舶航行;該柴油機配置增壓器補氣系統(tǒng)和Lambda燃油限制器來優(yōu)化燃燒性能。

船主機在啟動時，排煙呈現(xiàn)出輕微的黑煙狀態(tài)，當(dāng)處于合排時，冒黑煙現(xiàn)象相對比較嚴(yán)重，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)后，冒黑煙現(xiàn)象消失。經(jīng)過檢查，影響燃燒各零部件均處于良好狀態(tài)，本輪所使用的燃油品質(zhì)符合柴油機燃油使用要求，而且根據(jù)航行檢測報告記錄，船舶機、槳匹配均在合理范圍之內(nèi)。

柴油機實際運行過程中，合排時冒黑煙現(xiàn)象最為嚴(yán)重，且該工況狀態(tài)參數(shù)便于采集，因此本文以柴油機合排工況對該現(xiàn)象進(jìn)行分析。通過采集該工況點點的燃燒性能可知：如圖1所示，當(dāng)柴油機處于怠速運行時，由于受負(fù)荷限制，調(diào)速器輸出曲線4始終低于負(fù)荷限制曲線3;當(dāng)柴油機合排時，為了不引起柴油機‘悶車現(xiàn)象，如區(qū)域6中陰影，燃油油門刻度和調(diào)速器輸出會隨之大幅增壓超過負(fù)荷限制曲線，以適應(yīng)外界變化，同時柴油機轉(zhuǎn)速產(chǎn)生一定的速度降，隨著增壓器轉(zhuǎn)速不斷增加，增壓空氣相應(yīng)升高，使得柴油機有足夠的空氣滿足柴油機缸內(nèi)燃燒所需;當(dāng)柴油機完成合排，在負(fù)荷限制的反饋作用下，燃油油門刻度和調(diào)速器輸出趨于平緩，柴油機轉(zhuǎn)速上升至合排轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，完成合排。

在此合排、加速過程中，由于低轉(zhuǎn)速高扭矩的負(fù)荷突變工況，柴油機增大調(diào)速輸出和油門齒條刻度以適應(yīng)負(fù)荷變化，而此時增壓空氣并不能滿足柴油機燃燒所需，使得燃燒不良，從而導(dǎo)致柴油機冒黑煙。

3.改善措施

通過對柴油機冒黑煙的原因進(jìn)行分析可知，產(chǎn)生該現(xiàn)象的根源主要是當(dāng)柴油機處于啟動、合排及加速狀態(tài)時，增壓器轉(zhuǎn)速響應(yīng)瞬時延遲，使得增壓壓力不足，缸內(nèi)燃燒不良。為了彌補這一不足，可以結(jié)合柴油機實際情況對其進(jìn)行以下調(diào)節(jié)或者改造。

3.1Lambda燃油限制器調(diào)節(jié)

柴油機在啟動、合排、加速時負(fù)荷突然增大，由圖1可知，在合排瞬時，油門齒條會迅速拉伸，增大供油量，以至于缸內(nèi)燃燒供氣量不足，而產(chǎn)生冒黑煙的現(xiàn)象。

Lambda燃油限制器是為了防止在瞬間增加負(fù)荷的狀況下，噴油器噴出過量的燃油，它是通過控制燃油泵齒條和增壓空氣壓力的關(guān)系來實現(xiàn)。如圖2所示，當(dāng)負(fù)荷突然增加，調(diào)節(jié)裝置會增加高壓油泵的齒條，隨著搖臂轉(zhuǎn)動，搖臂觸點與調(diào)節(jié)桿相接觸后下壓，隨著增壓器轉(zhuǎn)速不斷增加，增壓空氣壓力升高，因而把調(diào)節(jié)桿逐漸壓回 Lambda氣缸中，延緩調(diào)試?yán)瓧U的波動時間，即減緩了圖1中油門刻度曲線在合排時的峰值，達(dá)到燃油限制的作用。因此可以適當(dāng)將調(diào)節(jié)螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié)，防止形成濃煙和控制調(diào)速系統(tǒng)超出合理范圍。

Lambda燃油限制器不僅可以在起動過程中限制燃油齒條格數(shù)和在負(fù)荷突加時減少冒煙量，減小柴油機排煙管道污染，而且可以改善負(fù)荷特性，還具有特殊情況下應(yīng)急停車的作用。

3.2增壓器補氣調(diào)節(jié)或改造

針對章節(jié)1中所述的冒黑煙現(xiàn)象，一般通過調(diào)節(jié)或者添加Lambda燃油限制器即可減緩或消除;但是對于柴油機冒黑煙較為嚴(yán)重的船舶可以通過增壓器補氣系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié);對于已經(jīng)具備增壓器補氣系統(tǒng)的柴油機也可對控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖4所示。

補氣系統(tǒng)的作用在于彌補增壓器轉(zhuǎn)速瞬態(tài)滯后，增壓壓力不足以向缸內(nèi)提供充足的新鮮空氣，滿足燃燒需求。如圖3，壓縮空氣經(jīng)過減壓電磁閥（電磁閥通過啟動、合排、加速信號控制，待電磁閥得到信號而觸發(fā)后），和節(jié)流塞共同作用，將壓縮空氣調(diào)節(jié)到3-4bar，以滿足補氣所需;壓縮空氣進(jìn)入增壓器壓氣機端，使得增壓器轉(zhuǎn)速得以提前響應(yīng)，增壓空氣壓力增加，缸內(nèi)達(dá)到最優(yōu)化的空燃比和良好的燃燒狀況，消除此階段的燃燒不良和后燃等因素，也從根本上徹底解決冒黑煙。補氣時為了避免增壓器轉(zhuǎn)速過高，需要注意補氣需要在啟動、合排、加速信號提供前3-4s開始，使得增壓器能夠提前響應(yīng)，同時持續(xù)時間不宜過長，一般為8-10s連續(xù)補氣。

4.結(jié)論

本文通過對該船 MAN 8L28/32A 柴油機啟動、怠速、合排、加速時冒黑煙進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改善措施，柴油機在各工況下運行時排煙顏色均正常，能夠從根本上解決冒黑煙現(xiàn)象，確保柴油機處于良好的運行工況，從而使得該船能夠充分滿足節(jié)能環(huán)保相關(guān)規(guī)定的情況下運營，同時也為配置其他機型的船舶提供改造參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]淺析某船舶柴油機排黑煙的成因及排除方法，謝獻(xiàn)綱.

[2]上海市交通委員會官網(wǎng)[M].上海：關(guān)于規(guī)范黃浦江水域船容船貌的通告，2017.11.22.

[3]王振業(yè).船用推進(jìn)發(fā)動機冒黑煙故障現(xiàn)象的分析及解決方案[J].內(nèi)燃機與配件，2018（06）：122-124.

[4]李斌.船舶柴油機[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2008;173.