1、第 44 卷（2022）第 6 期Vol.44（2022）No.6柴油机Diesel EngineDOI：10.12374/j.issn.1001-4357.2022.06.005某型船用大功率中速柴油机冒黑烟问题分析与改进张永洋1，周 柯 2（1.海军装备部装备项目管理中心动力室，北京100071；2.沪东重机有限公司中高速机产品所，上海200129）摘要：基于某船用大功率中速柴油机冒黑烟现象开展研究，对加载过程和柴油机过量空气系数等关键性能参数进行分析，确定柴油机冒黑烟产生的条件和机理，并对喷油策略进行优化。经实船验证，优化后的柴油机冒黑烟现象得到明显改善。关键词：增压柴油机；过量空气系数
2、；冒黑烟；控制策略中图分类号：TK421+4文献标志码：B文章编号：1001-4357（2022）06-0022-06Analysis and Improvement of Black Smoke From a Marine High PowerMedium Speed Diesel EngineZHANG Yongyang1，ZHOU Ke2（1.Power Equipment Department，Chinese Naval Armament Department Project Management Center，Beijing 100071，China；2.Medium&High Sp
3、eed Engine Department，Hudong Heavy Machinery Co.，Ltd.，Shanghai 200129，China）Abstract：Research was carried out on the black smoke phenomenon of a marine high power mediumspeed diesel engine，the key performance parameters such as the loading process and the excess aircoefficient of the diesel engine w
4、ere analyzed to determine the generation conditions and mechanism ofblack smoke of the diesel engine，and the fuel injection strategy was optimized.The real ship test showsthat the black smoke phenomenon of the optimized diesel engine has been significantly improved.Key words：supercharged diesel engi
5、ne；excess air coefficient；black smoke；control strategy0引言柴油机排放黑烟不仅影响到大气环境和客户使用感受，也反映出柴油机在运行过程中存在缸内燃料燃烧不充分的问题1。某型船用主推进柴油机为国内首次使用，对于该型柴油机的排放特性尚未充分认识和了解。基于该型柴油机冒黑烟的现象开展研究，分析柴油机冒黑烟的主要原因并对柴油机性能进行仿真分析，对喷油策略进行优化。1冒黑烟问题现象描述某型船用主推进柴油机采用大缸径四冲程中速柴油机，该型柴油机单机功率超过1万kW，采用单增压器涡轮增压、机械式单体喷油泵。该型船用柴油机在低负荷工况下（柴油机功率不超过50
6、%额定功率）加速过程中排气冒黑烟现象十分明显，达到设定工况稳定运行时冒黑烟现象消失。为了更清楚地说明柴油机工作时的冒黑烟情结构与可靠性收稿日期：2022-06-02；修回日期：2022-07-052022 年 11 月23张永洋等：某型船用大功率中速柴油机冒黑烟问题分析与改进况，表1列出了在不同工况下柴油机排气冒黑烟情况的汇总。试航记录显示：柴油机在加速过程中，刚开始加速的瞬时容易产生非常浓的黑烟，而后烟色逐步变淡。图1为船舶从进一到进三加速过程中的参数变化曲线。从图1可见，该船刚开始加速的瞬时柴油机输出功率有大幅度的提升，随着船舶航速提高到设定水平，柴油机输出功率逐步下降。这是由于该船载重吨
7、达近4万t，船在加速过程中不仅要克服流体产生的阻力，还要克服自身巨大的惯性，此时要求柴油机的输出功率高于稳定航行时的水平；当船加速到设定航速后，只克服流体带来的阻力，因此柴油机输出功率逐步降低到稳定航行的水平。2黑烟产生原因分析柴油机冒黑烟的直接原因在于燃料在气缸内燃烧不充分，产生大量的含碳颗粒物。气缸内燃料燃烧不充分的原因主要有喷油雾化不良、燃油品质差、零部件性能劣化、喷油量与空气量不匹配等2。针对以上因素对该柴油机进行勘验和检查，结果如下：柴油机勘验检查结果表明喷油器喷射压力和雾化状态良好，因此可以排除喷油器雾化不良的因素；该机所用燃油为轻柴油，油料化验报告显示燃油符合标准要求，因此可以排
8、除燃油品质因素；该机为新机，勘验检查未见零部件存在异常，且柴油机在达到稳定工况后冒黑烟现象即消失、各项参数经测量均正常，因此可以排除零部件性能劣化的因素；根据冒黑烟的现象和工况特征，基本可以确定冒黑烟现象是在船舶开始加速时出现的，因此柴油机在此过程中可能存在瞬时喷油量与空气量不匹配的情况，即瞬时空燃比过低，须进一步核算过量空气系数。根据内燃机过量空气系数的定义以及该型柴油机的气缸容积、单体式喷油泵容腔尺寸等参数建立喷油泵齿条格数、增压空气压力与过量空气系数的计算关系式，形成计算公式3：()P3+0.10 Vcyl()Rfuel-5 2.3 0.10 lim（1）式中：P3为气缸进气压力，MPa
9、；Vcyl为气缸工作有效容积，L；Rfuel为油门齿条格数，mm；lim为许用过量空气系数。式中：(P3+0.10）表示气缸进气空气的绝对压力；由于喷油泵存在5 mm空行程，因此（Rfuel-5)表示有效油门行程；理论上完全燃烧每1 mm油门有效行程对应的喷射燃油须2.3 L新鲜空气（根据喷油泵齿条、柱塞等相关零部件尺寸，按柴油密度为0.835 g/mL、空气密度为1.29 g/L、气缸进气温度为40 计算获得）。图2为船舶从进二到进三加速过程中柴油机油门与气缸进气压力曲线。从图2可见，柴油机气缸进气压力的变化较柴油机功率的变化要略慢，而柴油机功率的变化较油门的变化也要略慢。根据图2上的刻度进
10、行计算，气缸进气压力的变化较柴油机功率的变化要慢约510 s、较油门变化则要慢约1215 s。由于气缸进气压力对油门的响应存在较大的延迟，因此加载初期柴油机油门增大、喷油量瞬时提高时，气缸进气压力不高，气缸内的新鲜空气不足以确保燃油充分燃烧，于是产生了大量的黑烟。表1不同工况下的柴油机排气冒黑烟情况汇总表序号123456789101112运行工况空车加载到进一过程进一加载到进二过程进二加载到进三过程进三加载到进四过程进一稳定运行进二稳定运行进三稳定运行进四稳定运行进四减载到进三过程进三减载到进二过程进二减载到进一过程进一减载到空车过程冒黑烟情况非常浓非常浓明显可见非常淡非常淡非常淡非常淡非常淡
11、非常淡非常淡非常淡非常淡图1船舶从进一到进三加速过程中的参数变化曲线第44 卷第6 期24柴 油 机进一步分析进三到进四、进四到进五的工况，气缸进气压力对油门的响应存在延迟的情况仍然存在，但由于柴油机稳定运行在进三和进四工况时气缸进气压力已经超过0.20 MPa，气缸内的新鲜空气供应量是充足的，因而在加载过程中并未出现明显黑烟。根据该船航行试验中记录的柴油机气缸进气压力、油门、功率、转速等数据进行估算，在进一加载到进二的过程中，气缸内的过量空气系数理论上不高于1.3，考虑到主机转速提高、涡轮响应迟滞等因素，实际值可能会更低。以上分析表明，柴油机在低负荷工况下运行，当船舶开始加速时，瞬时喷油量骤
12、然增大，而此时气缸进气压力仍较低，不充足的空气供应量导致了缸内燃料的不充分燃烧，这是导致黑烟产生的直接原因。这也解释了为何在高负荷条件下冒黑烟的现象不会发生，因为柴油机在高负荷工况下运行时气缸进气压力已经足够高，缸内的空气量即使在喷油量瞬时增大的情况下也能够满足缸内燃料燃烧的需要。3柴油机性能特性分析为了合理消除柴油机冒黑烟的现象，须对柴油机性能特性进行全面的分析。针对柴油机的分析主要分为2方面：对柴油机的颗粒物排放特性进行测试，通过对排放数据进行分析，确定柴油机可选用的过量空气系数下限；对柴油机气缸进气压力、过量空气系数进行全面分析，确定柴油机能力的裕量。3.1在不同过量空气系数下的颗粒物排
13、放特性试验柴油机排放的黑烟主要是废气中的颗粒物，其中大尺寸的碳颗粒物对于自然光有较强的吸收作用，因此排放测试的主要指标为颗粒物水平。碳颗粒物主要由未充分燃烧的燃油喷雾液滴形成，而气缸内氧和油雾的体积分数比则决定了燃油喷雾液滴是否可被充分燃烧。决定燃油喷雾量大小的是喷油泵的油门齿条格数（每格为 1 mm），因此对该型柴油机在不同过量空气系数下的颗粒物水平进行测试，掌握两者之间的关联性。柴油机颗粒物排放测试工况及结果如表 2所示，检测按GB/T 161571996进行。对于测试结果的几点说明：（1）仪器的检测下限为20 mg/m3；一般而言，当废气中的颗粒物水平低于20 mg/m3时，烟色已经非常
14、淡。（2）由于测试要求柴油机处于稳定工况，以上数据均在柴油机达到稳定运行时开展测试获得。（3）受柴油机负荷限制线的限制，无法进一步提高各转速下对应的功率，因此最大只能测试过量空气系数为1.5时的颗粒物排放。从表2可以看出，除启动时的颗粒物排放达到410 mg/m3，其余工况颗粒物排放均低于20 mg/m3。柴油机在过量空气系数为1.5时，颗粒物排放水平是非常低的，不足以产生黑烟。基于该结论，可以推断该型柴油机产生黑烟时的过量空气系数低于1.5。3.2柴油机运行图谱数据分析为了减少试验条件对柴油机性能数据分析产生的偏差，试验对象的数据样本量应尽可能大，试验条件的变化应尽可能少。为此，选择该型柴油
15、机开展1 000 h可靠性试验的数据进行统计分析，获得柴油机性能特性的三维图谱，如图 3 和图 4所示。图2船舶从进二到进三加速过程中的柴油机油门与气缸进气压力曲线表2柴油机颗粒物排放测试工况及结果工况1234567主机转速/（rmin-1）启动转速300300300400400400油门齿条格数最大17201715252017功率/kW2 1001 6801 4003 8002 8502 280过量空气系数*（理论值）1.672.082.501.502.002.50测试结果/（mgm-3）410202020202020注：*根据上文推导的过量空气系数计算公式（1）计算得出2022 年 11
16、月25张永洋等：某型船用大功率中速柴油机冒黑烟问题分析与改进从图4可以看出，过量空气系数理论上在柴油机允许使用范围内不低于2，较1.5仍有较大的空间。从柴油机三维图谱中抽取在怠速（300 r/min）、进二工作转速（400 r/min）和进三工作转速（480r/min）的数据分析柴油机过量空气系数和油门关系，如图5所示。从图5可以看出，该型柴油机过量空气系数在柴油机允许使用范围内基本都高于2，不存在低于1.5的区域，因此，解决该型柴油机冒黑烟问题的方法通过控制喷油量就能够实现。此外，随着柴油机转速的提高裕度也会增大。结合对于冒黑烟现象和原因的分析，将控制柴油机瞬时过量空气系数作为切入点对控制策略进行优化。4解决措施基于该型柴油机在使用过程中黑烟产生的机理和条件，考虑通过确保最低过量空气系数来解决该问题。影响过量空气系数的2个主要因素是空气供应量和燃油喷射量。由于黑烟是在柴油机加载过程中产生的，并不是在柴油机处于稳定状态下产生的，因此须对柴油机整个加载过程进行分析。4.1改变过量空气系数喷油量控制优化策略主要取决于柴油机本身的性能特性和运行的工况条件。3种柴油机在固定转速下过量空气系数和
