助噴技術在PA6型柴油機上的應用

張順利 竇振寰 杜磊 王江坤 高向花

摘要：柴油機突加負荷時，調速器使燃油供應量迅速增加，渦輪增壓器工作響應滯后造成進氣量不足，燃燒不充分，產生冒黑煙現象。文章闡述了可改善柴油機接排煙度的幾種方法，并對可行性進行了分析。根據實船情況，在降低柴油機接排轉速并修改柴油機接排程序的同時，提出了一種向柴油機進氣箱預注入空氣的助噴技術，增加柴油機接排時柴油機的進氣量，提高空燃比，改善柴油機接排時冒黑煙程度。通過理論計算該方案技術上可行，具備可操作性。經實船驗證試驗，柴油機突加負荷時冒黑煙現象得到解決。需要時該技術可在其它柴油機推廣使用。

關鍵詞：柴油機;突加負荷;冒黑煙;助噴裝置;空燃比

中圖分類號：U664.121.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0059-03

0 ?引言

某船推進系統由PA6型柴油機驅動定距槳工作，PA6型柴油機自上世紀80引入國內生產，被廣泛應用于各國主力作戰艦艇。當柴油機轉速達到450r/min時，開始接排（柴油機空車起動，接排時柴油機接如傳動軸系），柴油機負荷瞬間增大，轉速下降至350r/min，同時排煙管有大量黑煙冒出，冒煙時間大約持續30s。由于排煙口位置在舷側，大量黑煙會造成舷體表面污染，同時降低艦船的隱身性能，對艦船的使用維修成本和航行安全均造成不利影響。

1 ?背景描述

渦輪增壓器與柴油機通過氣動過程聯系在一起。管道中氣體的可壓縮性，以及供油、噴射、著火和燃燒等過程的延遲，使渦輪增壓器、柴油機自身以及二者之間的配合存在工作響應滯后，這種遲滯現象在柴油機低負荷或突加負荷時表現尤為明顯[1]。

柴油機接排，屬于柴油機突加負荷，調速器隨之作出反應，使燃油供應量迅速增加，而渦輪增壓器不能立即提供柴油機因負荷突加所需的空氣量，導致燃油燃燒并不完全，使功率的上升不能與負荷的變化相適應，沒有完全燃燒的柴油在燃燒室中高溫缺氧的情況下，分解聚合形成碳煙，這種固體的碳煙比氣化的燃油反應速度慢得多，來不及燃燒而呈黑色的煙霧排出，故廢氣渦輪增壓柴油機突加負載運行時均存在不同程度的冒黑煙，一旦增壓器響應匹配后，煙度值隨之消除。這種現象是渦輪增壓柴油機突加負荷共有的問題。

2 ?初步方案

根據某船的系統設計及增壓器工作特點分析，解決冒黑煙問題有以下三種初步方案：

2.1 優化燃油噴射系統

近幾年來，國內外各柴油機制造廠商為降低柴油機排放，已陸續將電控高壓共軌噴射技術應用于柴油機燃油系統。高壓共軌系統可單獨調整柴油機各缸的噴油正時、噴油持續期、噴油量、噴射壓力等燃油噴射參數。這種單獨調控燃油噴射參數的方式，可以主動適應增壓器的工作節奏，降低遲滯影響，從而改善柴油機突加負荷時的冒黑煙現象。

2.2 增加進氣量

增加柴油機進氣量有以下三種方法：

①增壓器加裝助噴裝置，縮短增壓器響應遲滯期。在柴油機起動及突加負荷載過程中通過助噴裝置向增壓器壓氣葉輪噴入定量空氣，使增壓器轉速迅速升高，為缸內提供更多壓縮空氣。

②匹配新型高效增壓器，縮短遲滯期，使缸內進氣量增加，改善燃燒質量。

③向柴油機進氣總管提前注入一定量的助噴空氣，當柴油機在增壓器低效區運行時，保證柴油機的進氣量需求，使得缸內空氣與燃油充分混合。

2.3 降低柴油機接轉速

柴油機與艦船的傳動軸系配合，柴油機接排時，轉速越高，對應軸系轉速越高，因此柴油機接排時所受突加負荷越大。負荷增大，缸內燃燒所需的進氣量越大。

降低柴油機的接排轉速，便降低了柴油機接排負荷，減少了進氣量需求，使得柴油機相應負荷變化的時間縮短，有利于煙度值的降低。

3 ?可行性分析

3.1 優化燃油噴射系統

電控高壓共軌噴射系統通常由低壓燃油輸送泵、高壓燃油泵、高壓共軌管、高壓油管、噴油器以及一個電控單元組成[2]。

在PA6型柴油機上配置高壓共軌噴射系統，需要對整個燃油系統升級改造。目前PA6型柴油機在國內外沒有匹配高壓共軌噴射系統的案例，沒有成熟配套可以移植。升級改造涉及到凸輪軸、低壓燃油輸送泵、高壓燃油泵、高壓共軌管、高壓油管和噴油器的重新設計，以及后續一系列專業試驗和優化工作，無法短期形成研制結果。

綜上考慮，柴油機采用匹配高壓共軌噴射系統來優化燃油噴射的方法，無法解決柴油機冒黑煙問題，不具備技術和施工的必要條件，也無法滿足艦船可靠性的要求。

3.2 增加進氣量

3.2.1 縮短增壓器響應遲滯期

給增壓器匹配助噴裝置是縮短增壓器響應匹配滯后期有效措施。目前該型柴油機匹配的增壓器VTC304，沒有助噴裝置，也沒有預留可以裝助噴裝置的接口;VTC304增壓器的升級優化產品TPR61增壓器也沒有助噴裝置。在VTC304增壓器增加助噴裝置沒有技術支撐，即便自行研制，必須經過增壓器專業廠家反復試驗，以及在柴油機廠進行配機試驗，尋找到合理匹配參數的過程。目前實船沒有此條件在柴油機上安裝助噴裝置。

3.2.2 匹配高效增壓器

匹配高效增壓器，需要進行一系列配機試驗后才能確定匹配參數[3]。新型增壓器裝機帶來的各項參數和轉換點的修改，會造成艦船試驗數據的大幅度調整。目前艦船已交付用戶，換裝新型增壓器會造成柴油機操作標準、隨機資料、相關控制程序等方面的變更，需要重新開展航行試驗。因此，實船不具備更換裝新型增壓器的條件。

3.2.3 進氣總管注入空氣

PA6型柴油機低負荷運行時只有A列增壓器工作，在進氣總管引入一定量的助噴空氣，滿足柴油機接排的進氣量需求，可改善缸內空氣不足造成的燃燒不充分問題。

進氣總管引入助噴空氣要解決兩個問題，一是進氣通道，二是氣源。進氣通道可從A列增壓器進氣管上的M33×2螺孔建立，拆除螺塞后配相應的進氣歧管。氣源可從機旁壓縮空氣瓶引入。

3.3 降低柴油機接排轉速

降低柴油機接排轉速可通過限制接排時的供油量實現。調速器控制器中有燃油齒條格數限制線，通過設置齒條格數限值，減少噴油量，從而降低柴油機轉速。由于PA6型柴油機采用機帶齒輪泵，流體壓力隨柴油機轉速發生變化。當柴油機轉速過低時，會導致柴油機各流體系統壓力過低，影響柴油機的冷卻、潤滑等。

因此，接排轉速的降幅需要計算各系統流體壓力后確定。

4 ?設計方案

4.1 柴油機進氣管增加空氣量

根據PA6型柴油機冒煙限制理論數據表（表1）可知，燃油齒條格數在一定值時，增壓壓力不應小于表中對應值，否則會因進氣量不足出現冒黑煙現象。

柴油機轉速到達450r/min時，接排動作開始，接排瞬間負荷瞬間增大。在450r/min接排臨界點前，柴油機負荷為6.5%，齒條格數理論值在10-12mm。根據冒煙限制理論數據表可知，當燃油齒條小于17mm時，柴油機自然吸氣即可滿足要求。但柴油機接排時，燃油齒條瞬時約為17.5mm，接排成功后（接排動作持續約20s），齒條格數回落至14mm。

根據表1可知，若接排時增壓空氣壓力≥10kPa，可以有效改善柴油機冒黑煙現象。為了保證安全裕度，取齒條18mm處，增壓空氣壓力（P3）40kPa進行校核計算。

根據公式：PV=nRT

進氣箱容積：V=0.5m3，T=300K，R=8.31J/（mol×K）

P=1.4×105Pa（絕對壓力）

計算得：空氣n=100mol，Q≈2.2m3（常壓）

由以上計算可知接排時所需空氣量約為2.2m3。

機旁壓縮空氣瓶可提供30bar的氣源，柴油機A列進氣管上M33×2的螺塞拆除后，安裝管接頭，連接DN25的進氣管作為助噴空氣通道。

根據伯努利方程：P1/ρ+z1g+a1v12/2=P2/ρ+z2g+a2v22/2

取進氣腔壓力P2=40kPa，v2=0，注入空氣壓力P1=3000 kPa。

計算得注入空氣流速v1=2.14×103m/s

進氣管截面積A=π×（1.25×10-2）2m2

根據Q=V×A×t

計算可知充入空氣的時間t=3s，

故，30bar的壓縮空氣充入3s便可滿足接排時的進氣量要求。

4.1.1 具體布置系統（圖1）

從柴油機起動空氣系統中的空氣濾器（2）后分一路壓縮空氣至柴油機進氣管（此處引出空氣可保證進機的空氣清潔度），利用電磁閥控制，在柴油機接排時延遲3s關閉（時間根據實船調整）。

4.1.2 柴油機具體安裝

如圖2，件號1管接頭（GB/T3737-2008-S40）1件/機，件號2金屬軟管DN25（L=1000）1件/機。外部氣源由L101進入。

4.2 降低柴油機接排轉速

由于燃油齒條限制線為階梯線，為不影響高負荷供油量，將齒條格數限值設定為6（若設定為5，柴油機高負荷運行時會出現加載困難現象）。齒條格數限值設定為6后，柴油機接排轉速由450r/min降至430r/min。由于PA6型柴油機的冷卻、潤滑、供油系統的介質壓力均由機帶齒輪泵提供，轉速降低可能造成各系統流體壓力低于規定要求。柴油機內流體依靠機帶齒輪泵提供壓力的有燃油、滑油、冷卻水（高溫淡水及低溫海水）。

燃油系統實船除機帶泵外配有增壓泵，滑油系統除機帶泵外配有預供泵，在機帶泵壓力低的情況下增壓泵和預供泵均能提供壓力補償。即使機帶泵不工作，增壓泵和預供泵提供的壓力也可滿足柴油機低負荷運行時所需的燃油和滑油壓力。因此，低負荷降速不會影響燃油系統及滑油系統壓力。

柴油機低負荷下產生熱量小，換熱需求低，高溫水泵僅需滿足高溫淡水正常循環即可，不需要過高壓力。因此，低負荷降速不會影響高溫水系統的冷卻效果。

低溫海水需要冷卻空冷器、滑油冷卻器和高溫水冷卻器，必須保證一定的低溫冷卻水量。接排轉速為430r/min時，按照PA6型柴油機外特性線邊界可知，滑油冷卻溫差Δt約為8-12℃，滑油泵流量約為47.5m3/h，此時滑油冷卻器所需冷卻水量約為37.8m3/h。空冷器所需冷卻水量約為27.5m3/h。低負荷時高溫水所需的熱交換量很小，因此高溫水冷卻器所需的低溫水流量幾乎可以忽略不計。低溫海水泵此時最大流量為50m3/h，要保證柴油機在450r/min能夠加負荷運行，必須提供流量≥15.3m3/h的備用泵為機帶低溫海水泵補償壓力。實船機帶低溫海水泵的備用泵流量為20m3/h，滿足壓力補償需求。

綜上，將齒條格數限值設定為6，接排轉速降為430r/min，負荷降低至6.0%，各系統不會因為轉速下降而造成流體壓力不足。

4.3 改進柴油機接排程序

將柴油機接排轉速和進一/退一轉速設為兩個不同值，一方面降低柴油機突加負荷值，另一方面保障柴油機在進一/退一工況可靠運行。

5 ?結論

對上述方案進行實船驗證：

①通過降低柴油機接排轉速和修改柴油機接排程序，減少了接排時的缸內進氣量需求;

②在柴油機進氣管處引入一路助噴空氣，補償增壓器響應遲滯造成的進氣量不足。

方案實施后，柴油機接排缸內進氣量充足，柴油與空氣充分混合燃燒，冒黑煙現象得到解決。對于國內不具備高壓共軌和增壓器助噴技術的大功率柴油機，該方案成熟可靠，具有推廣意義。

參考文獻：

[1]周成堯，等.重型柴油機兩級渦輪增壓技術研究和探討[J].內燃機，2011，12（6）：14-17.

[2]陳三昧，等.柴油機電控高壓共軌噴射系統[J].內燃機， 2006，12（6）：18-20.

[3]任歡，等.渦輪增壓器與柴油機的匹配分析[J].汽車工程， 2013，10（3）：40-42.