淺析曼恩二沖程低速柴油機(jī)調(diào)優(yōu)方式與實(shí)例分析

方冬

摘 要：曼恩公司生產(chǎn)的二沖程低速柴油機(jī)被廣泛用于船舶中，本文首先介紹了調(diào)優(yōu)方式的概述以及曼恩二沖程低速柴油機(jī)的幾種調(diào)優(yōu)方式，然后對(duì)這幾種方式的油耗曲線以及排氣溫度曲線進(jìn)行了探討，最后以綠色海豚型散貨船為例，分析不同調(diào)優(yōu)方式的油耗以及廢氣的蒸汽量。

關(guān)鍵詞：二沖程；低速柴油機(jī)；調(diào)優(yōu)方式；曼恩

中圖分類號(hào)：TK115 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）20-0084-02

船舶運(yùn)行過(guò)程中需要的柴油主要是通過(guò)原油進(jìn)行提煉，而原油的價(jià)格較貴，因此很多船東都比較重視船舶的航行成本。為了降低船舶航行的成本，需要降低船舶的行駛速度，同時(shí)也重視起柴油機(jī)的燃油效率。目前低速柴油機(jī)主要產(chǎn)自曼恩和瓦錫蘭，他們都有自己的調(diào)優(yōu)方式，本文主要分析曼恩二沖程低速柴油機(jī)的調(diào)優(yōu)方式。

1 柴油機(jī)調(diào)優(yōu)方式

調(diào)優(yōu)，主要是對(duì)內(nèi)燃機(jī)的硬件以及軟件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，進(jìn)而改變內(nèi)燃機(jī)的持久性、經(jīng)濟(jì)性以及功率等條件。世界上最早出現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)調(diào)優(yōu)主要是在軍事上，第二次世界大戰(zhàn)中，英國(guó)的汽車和坦克的內(nèi)燃機(jī)都經(jīng)過(guò)了調(diào)優(yōu)。船舶柴油機(jī)的調(diào)優(yōu)也是對(duì)軟件和硬件進(jìn)行改變的，同時(shí)調(diào)優(yōu)方式的不同能夠保證不同的負(fù)荷工況下，柴油機(jī)都有較高的燃油積極性。通過(guò)調(diào)優(yōu)還會(huì)改變柴油機(jī)的一些熱工參數(shù)，比如排氣量和排氣溫度，也會(huì)影響到軸系的振動(dòng)激勵(lì)。

2 曼恩二沖程柴油機(jī)的主要調(diào)優(yōu)方式

曼恩二沖程柴油的主要調(diào)優(yōu)方式有：使用傳統(tǒng)效率增壓器，對(duì)柴油機(jī)的高負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化。這種方式的增壓器效率比較低，因此柴油機(jī)的油耗和排氣溫度都比較高；使用常規(guī)的高效增壓器進(jìn)行高負(fù)荷調(diào)優(yōu)，當(dāng)柴油機(jī)處于高負(fù)荷的時(shí)候油耗最低；主機(jī)控制調(diào)優(yōu)主要是通過(guò)調(diào)整來(lái)改變柴油機(jī)的噴油特性、噴油定時(shí)以及可變排氣定時(shí)等參數(shù)，這樣能夠?qū)⒉煌?fù)荷狀況下柴油機(jī)的燃油效率進(jìn)行調(diào)整，不需要對(duì)硬件進(jìn)行改變。主機(jī)控制調(diào)優(yōu)還分為低負(fù)荷優(yōu)化和部分負(fù)荷優(yōu)化。其中低負(fù)荷優(yōu)化主要是當(dāng)?shù)陀?0%負(fù)荷的時(shí)候降低燃油效率，部分負(fù)荷優(yōu)化是當(dāng)?shù)陀?5%的時(shí)候降低燃油效率；可變噴嘴環(huán)主要是改變可變噴嘴環(huán)的面積來(lái)改變?cè)鰤浩鞯墓ぷ?，使其掃氣壓力提高。一般有低?fù)荷優(yōu)化和部分負(fù)荷優(yōu)化；廢氣旁通主要是在柴油機(jī)上安裝廢氣旁通設(shè)備來(lái)對(duì)增壓器進(jìn)行調(diào)整，使其能夠在合適的負(fù)荷下達(dá)到最高的工作效率，這樣能夠降低油耗，其也有低負(fù)荷優(yōu)化和部分負(fù)荷優(yōu)化[1]。

3 不同調(diào)優(yōu)方式的單位油耗以及排氣溫度

3.1 數(shù)據(jù)選擇

目前曼恩二沖程柴油機(jī)都是為了降低功率和轉(zhuǎn)速，因此選擇型號(hào)為S50ME-B9.3在低轉(zhuǎn)速情況下的某一點(diǎn)需要降低功率的地方進(jìn)行分析，可以得出其排氣溫度曲線和單位的油耗曲線。

3.2 單位油耗對(duì)比

曼恩二沖程柴油機(jī)不同調(diào)優(yōu)方式下的單位油耗曲線呈現(xiàn)出一些規(guī)律：傳統(tǒng)效率增壓器調(diào)優(yōu)的油耗曲線比高負(fù)荷調(diào)優(yōu)的要高。這是由于傳統(tǒng)效率增壓器的效率比較低，因此油耗就比較高。這種調(diào)優(yōu)方式主要是以增高油耗為代價(jià)來(lái)使排氣溫度提高。當(dāng)柴油機(jī)處于70%負(fù)荷下的時(shí)候，不同調(diào)優(yōu)方式的油耗呈現(xiàn)出階梯分布的情況，其中最大的是傳統(tǒng)效率增壓器，然后依次是高負(fù)荷調(diào)優(yōu)、部分負(fù)荷ETC調(diào)優(yōu)、低負(fù)荷ETC調(diào)優(yōu)、部分負(fù)荷EGB調(diào)優(yōu)，最低的則是低負(fù)荷EGB調(diào)優(yōu)。從這可以看出，由于EGB調(diào)優(yōu)主要是選擇了小容量的增壓器，因此當(dāng)負(fù)荷較低的情況下效率更高，因此能夠有效的降低油耗。而部分負(fù)荷調(diào)優(yōu)的油耗小于低負(fù)荷調(diào)優(yōu)的油耗。從此可以看出，增壓器的效率對(duì)油耗的影響比較大[2]。

當(dāng)處于90%負(fù)荷的時(shí)候，高負(fù)荷調(diào)優(yōu)的油耗最低，但是差距也不會(huì)太大。一般來(lái)說(shuō)，90%負(fù)荷是柴油機(jī)持續(xù)服務(wù)功率點(diǎn)的極限，并且其還包括了海況儲(chǔ)備。因此這個(gè)區(qū)間的油耗不會(huì)被船東或者是設(shè)計(jì)師關(guān)注。而90%負(fù)荷以下，70%負(fù)荷以上的區(qū)間是所有調(diào)優(yōu)方式的油耗進(jìn)行高低轉(zhuǎn)換的區(qū)間，很多調(diào)優(yōu)方式的臨界點(diǎn)都是在85%左右。這個(gè)區(qū)間對(duì)于二沖程柴油機(jī)來(lái)說(shuō)是比較重要的區(qū)間，因?yàn)楹芏嗖裼蜋C(jī)的持續(xù)負(fù)荷功率點(diǎn)都位于這個(gè)區(qū)間，也是船舶設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。

3.3 排氣溫度對(duì)比

根據(jù)幾種調(diào)優(yōu)方式的排氣溫度曲線可以看出：傳統(tǒng)效率增壓器調(diào)優(yōu)的排氣溫度要高于高負(fù)荷調(diào)優(yōu)以及高效增壓器。雖然排氣量比較少，但是如果排氣溫度比較高的話那么就會(huì)使廢氣側(cè)的蒸發(fā)量增加。很多柴油機(jī)的標(biāo)配都是高效增壓器，但是隨著降低油耗和功率使得排氣溫度也得到了降低，這種情況下廢氣側(cè)的蒸發(fā)量就不能滿足出船舶在一些工況下航行的蒸汽需求量，因此選擇傳統(tǒng)的增壓器可以提高排氣溫度。這種方式會(huì)使得柴油機(jī)的油耗增加，選擇的時(shí)候需要考慮蒸發(fā)量的增加能否滿足一些工況下蒸汽量的要求。

高負(fù)荷調(diào)優(yōu)和ETC調(diào)優(yōu)的排氣溫度基本相同，并且都是呈現(xiàn)出拋物線，而最低點(diǎn)則在70%到80%負(fù)荷之間。一般情況下，排氣量不會(huì)有太大的變化，因此ETC調(diào)優(yōu)和高負(fù)荷調(diào)優(yōu)的蒸發(fā)量基本相同，這種情況下高負(fù)荷調(diào)優(yōu)和低負(fù)荷調(diào)優(yōu)都能夠滿足設(shè)計(jì)蒸發(fā)量的要求。兩種EGB調(diào)優(yōu)的排氣溫度基本相似，并且處于80%負(fù)荷之下的時(shí)候，幾種調(diào)優(yōu)方式基本類似。但是當(dāng)超過(guò)80%負(fù)荷的時(shí)候，排氣溫度都呈現(xiàn)出快速升高的趨勢(shì)，并且在85%的時(shí)候都與傳統(tǒng)效率增壓器的排氣溫度基本一致。

這兩種EGB調(diào)優(yōu)方式的排氣溫度的一致是曼恩工程師在設(shè)計(jì)柴油機(jī)的時(shí)候設(shè)計(jì)的，當(dāng)處于較低負(fù)荷的時(shí)候，部分負(fù)荷調(diào)優(yōu)的油耗要高于低負(fù)荷調(diào)優(yōu)的油耗。但是由于排氣溫度一樣，根據(jù)能量守恒定律，部分負(fù)荷調(diào)優(yōu)的排氣量也會(huì)大于低負(fù)荷調(diào)優(yōu)的排氣量，但是當(dāng)超過(guò)75%之后，這種情況又會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)處于80%負(fù)荷之下的時(shí)候，由于排氣溫度比高負(fù)荷調(diào)優(yōu)要低，但是排氣量比較小，因此廢氣側(cè)的設(shè)計(jì)蒸發(fā)量就會(huì)減少。當(dāng)船舶處于熱帶工況下的時(shí)候，低負(fù)荷和部分負(fù)荷需要進(jìn)行油耗的優(yōu)化，那么就可以選擇兩種EGB調(diào)優(yōu)，但是前提條件是廢氣側(cè)的蒸發(fā)量能夠滿足船舶蒸汽的需求量。當(dāng)處于80%負(fù)荷之上的時(shí)候，柴油機(jī)的排氣溫度會(huì)急劇增加，這樣80%負(fù)荷和90%負(fù)荷的蒸汽蒸發(fā)量存在著一定的差距。還有一些柴油機(jī)的CSR點(diǎn)在85%以上，使用這兩種EGB調(diào)優(yōu)能夠得到較高的蒸發(fā)量，但是為了保證能夠得到較高的蒸發(fā)量需要保持高負(fù)荷運(yùn)行，這樣就違背了這種調(diào)優(yōu)方式的設(shè)計(jì)初衷。因此如果使用這種方式的時(shí)候，為了彌補(bǔ)蒸發(fā)量而使用燃油鍋爐的話，損失也比較大[3]。

4 實(shí)例分析

從上述排氣溫度和油耗的對(duì)比來(lái)看，并沒(méi)有最好的調(diào)優(yōu)方式，選擇調(diào)優(yōu)方式的時(shí)候需要考慮到船舶的蒸汽量需求以及運(yùn)行工況。下文以綠色海豚型散貨船來(lái)分析如何選擇調(diào)優(yōu)方式。

4.1 船舶基本參數(shù)

綠色海豚型散貨船是由上海船舶研究設(shè)計(jì)院進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其符合很多小型靈活型散貨船的特點(diǎn)。比如降低推進(jìn)功率主要是通過(guò)優(yōu)化線性，增加螺旋槳效率主要是降低轉(zhuǎn)速、增大直徑，并且使用了大缸徑的、長(zhǎng)沖程柴油機(jī)，這樣能夠降低油耗。但是柴油機(jī)的油耗和轉(zhuǎn)速都得到了降低，這樣就使得排氣溫度也降低，帶來(lái)了一些負(fù)面的效果。

綠色海豚型散貨船的主機(jī)選擇的是5S50ME-B9.3，其合同最大連續(xù)服務(wù)功率點(diǎn)與L4點(diǎn)基本一直，而CSR點(diǎn)則處于SMCR的75%。船舶在ISO工況下的蒸汽消耗量為480KG/h，在冬季工況下的蒸汽消耗量為980KG/h。而鍋爐輔機(jī)側(cè)的蒸發(fā)量是180KG/h。

4.2 高負(fù)荷調(diào)優(yōu)分析

高負(fù)荷調(diào)優(yōu)方式下，主機(jī)廢氣側(cè)的蒸發(fā)量在300KG/H左右，而輔機(jī)則是180KG/H，這樣加起來(lái)就能夠滿足ISO工況的蒸汽量需求。同時(shí)由于在重油下運(yùn)行的時(shí)候排氣溫度會(huì)升高，這樣就會(huì)需要對(duì)鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修整，才能夠提高蒸汽的產(chǎn)量。當(dāng)環(huán)境的溫度對(duì)于IOS工況下的時(shí)候，鍋爐廢氣側(cè)的蒸發(fā)量就能夠滿足船舶的運(yùn)行需要。

4.3 EGB部分負(fù)荷與低負(fù)荷調(diào)優(yōu)

EGB部分負(fù)荷調(diào)優(yōu)的CSR油耗指標(biāo)比較好。對(duì)部分負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化油耗，使得設(shè)計(jì)蒸汽量大概在190KG/H，并且在常用的負(fù)荷期間也能夠保持在190KG/H，因此在ISO的時(shí)候仍熱存在蒸汽量缺口。根據(jù)鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)的修正方案，其在修正之后能夠滿足ISO的蒸汽量需求，但是這種方法比較冒險(xiǎn)。如果能夠清楚的知道船舶的運(yùn)行航線，比如經(jīng)常在熱帶地區(qū)航行，那么就可以選擇這種調(diào)優(yōu)方式，但是修正參數(shù)的時(shí)候需要船東進(jìn)行授權(quán)。

4.4 ECT部分負(fù)荷和低負(fù)荷調(diào)優(yōu)

ECT部分負(fù)荷和低負(fù)荷調(diào)優(yōu)方式的設(shè)計(jì)蒸發(fā)量和高負(fù)荷調(diào)優(yōu)的蒸發(fā)量基本相同。并且經(jīng)過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處于40%負(fù)荷到CSR的時(shí)候，其與高負(fù)荷調(diào)優(yōu)的蒸汽產(chǎn)量基本相同，但是油耗會(huì)降低一些。這種情況下，由于CSR僅僅是SMCR的75%，因此高負(fù)荷調(diào)優(yōu)的油耗優(yōu)化體現(xiàn)不出來(lái)，所以相對(duì)而言ETC調(diào)優(yōu)比較好[4]。

4.5 傳統(tǒng)效率增壓器調(diào)優(yōu)

使用傳統(tǒng)效率增壓器調(diào)優(yōu)產(chǎn)生的蒸汽量已經(jīng)可以滿足ISO工況的要求，但是輔機(jī)的排氣不能進(jìn)入到鍋爐中。如果將輔機(jī)的排氣接入鍋爐中的時(shí)候，那么產(chǎn)生的蒸汽量比較多，而主機(jī)則會(huì)需要消耗較多的油量，這種情況下船舶就不能夠在熱帶環(huán)境下運(yùn)行。而如果船舶是處于寒帶的時(shí)候，廢氣側(cè)產(chǎn)生的蒸汽量也不夠，這時(shí)候就需要使用燃油鍋爐，那么接入鍋爐多產(chǎn)生的油耗要比使用燃油鍋爐的成本降低。因此當(dāng)船舶處于寒帶的時(shí)候就可以選擇傳統(tǒng)效率增壓器的方式。一些船東認(rèn)為寒帶運(yùn)行的船只就必須得使用燃油鍋爐，并且燃油鍋爐的燃燒器也可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)船舶的航線也可能會(huì)發(fā)生變化，因此不需要使用傳統(tǒng)效率增壓器調(diào)優(yōu)。

根據(jù)對(duì)綠色海豚型散貨船的調(diào)優(yōu)方式分析，可以得出，即使主機(jī)的CSR點(diǎn)確定，選擇調(diào)優(yōu)方式的時(shí)候，不僅需要考慮廢氣的蒸汽產(chǎn)生量以及油耗，同時(shí)還需要考慮船舶的實(shí)際運(yùn)行情況。

4.6 船東的選擇

目前，綠色海豚型散貨船有很多船廠都在同時(shí)進(jìn)行建造，船東數(shù)量也有十幾個(gè)，數(shù)量比較多的是歐洲船東，也有部分中國(guó)船東、泰國(guó)船東、印度船東以及日本船東等。很多船東在選擇調(diào)優(yōu)方式的時(shí)候都選擇了部分負(fù)荷EGB調(diào)節(jié)，但是也有一些船東選擇了高負(fù)荷優(yōu)化，這樣就可以看出很多船東更關(guān)注CSR點(diǎn)和低負(fù)荷的油耗情況。

5 結(jié)語(yǔ)

調(diào)優(yōu)方式的不同能夠使不同負(fù)荷下油耗、排氣溫度等熱工參數(shù)發(fā)生變化，但是排氣溫度與油耗是相互矛盾的兩個(gè)參數(shù)。很多船舶都反映實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的排氣溫度要高于理論的排氣溫度，產(chǎn)生這種情況的主要原因有柴油機(jī)自身因素、環(huán)境溫度以及油品等。所以確定鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)的時(shí)候要適當(dāng)?shù)男拚艢鈪?shù)。船舶行業(yè)的各環(huán)節(jié)之間影響都比較大，因此設(shè)計(jì)師需要確定好合理的調(diào)優(yōu)方案，然后讓船東進(jìn)行選擇。

參考文獻(xiàn)

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