助噴技術(shù)在PA6型柴油機(jī)上的應(yīng)用

張順利 竇振寰 杜磊 王江坤 高向花

摘要：柴油機(jī)突加負(fù)荷時(shí)，調(diào)速器使燃油供應(yīng)量迅速增加，渦輪增壓器工作響應(yīng)滯后造成進(jìn)氣量不足，燃燒不充分，產(chǎn)生冒黑煙現(xiàn)象。文章闡述了可改善柴油機(jī)接排煙度的幾種方法，并對(duì)可行性進(jìn)行了分析。根據(jù)實(shí)船情況，在降低柴油機(jī)接排轉(zhuǎn)速并修改柴油機(jī)接排程序的同時(shí)，提出了一種向柴油機(jī)進(jìn)氣箱預(yù)注入空氣的助噴技術(shù)，增加柴油機(jī)接排時(shí)柴油機(jī)的進(jìn)氣量，提高空燃比，改善柴油機(jī)接排時(shí)冒黑煙程度。通過(guò)理論計(jì)算該方案技術(shù)上可行，具備可操作性。經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證試驗(yàn)，柴油機(jī)突加負(fù)荷時(shí)冒黑煙現(xiàn)象得到解決。需要時(shí)該技術(shù)可在其它柴油機(jī)推廣使用。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);突加負(fù)荷;冒黑煙;助噴裝置;空燃比

中圖分類號(hào)：U664.121.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0059-03

0 ?引言

某船推進(jìn)系統(tǒng)由PA6型柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)定距槳工作，PA6型柴油機(jī)自上世紀(jì)80引入國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，被廣泛應(yīng)用于各國(guó)主力作戰(zhàn)艦艇。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到450r/min時(shí)，開(kāi)始接排（柴油機(jī)空車起動(dòng)，接排時(shí)柴油機(jī)接如傳動(dòng)軸系），柴油機(jī)負(fù)荷瞬間增大，轉(zhuǎn)速下降至350r/min，同時(shí)排煙管有大量黑煙冒出，冒煙時(shí)間大約持續(xù)30s。由于排煙口位置在舷側(cè)，大量黑煙會(huì)造成舷體表面污染，同時(shí)降低艦船的隱身性能，對(duì)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(jī)通過(guò)氣動(dòng)過(guò)程聯(lián)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(guò)程的延遲，使渦輪增壓器、柴油機(jī)自身以及二者之間的配合存在工作響應(yīng)滯后，這種遲滯現(xiàn)象在柴油機(jī)低負(fù)荷或突加負(fù)荷時(shí)表現(xiàn)尤為明顯[1]。

柴油機(jī)接排，屬于柴油機(jī)突加負(fù)荷，調(diào)速器隨之作出反應(yīng)，使燃油供應(yīng)量迅速增加，而渦輪增壓器不能立即提供柴油機(jī)因負(fù)荷突加所需的空氣量，導(dǎo)致燃油燃燒并不完全，使功率的上升不能與負(fù)荷的變化相適應(yīng)，沒(méi)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(yīng)速度慢得多，來(lái)不及燃燒而呈黑色的煙霧排出，故廢氣渦輪增壓柴油機(jī)突加負(fù)載運(yùn)行時(shí)均存在不同程度的冒黑煙，一旦增壓器響應(yīng)匹配后，煙度值隨之消除。這種現(xiàn)象是渦輪增壓柴油機(jī)突加負(fù)荷共有的問(wèn)題。

2 ?初步方案

根據(jù)某船的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及增壓器工作特點(diǎn)分析，解決冒黑煙問(wèn)題有以下三種初步方案：

2.1 優(yōu)化燃油噴射系統(tǒng)

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外各柴油機(jī)制造廠商為降低柴油機(jī)排放，已陸續(xù)將電控高壓共軌噴射技術(shù)應(yīng)用于柴油機(jī)燃油系統(tǒng)。高壓共軌系統(tǒng)可單獨(dú)調(diào)整柴油機(jī)各缸的噴油正時(shí)、噴油持續(xù)期、噴油量、噴射壓力等燃油噴射參數(shù)。這種單獨(dú)調(diào)控燃油噴射參數(shù)的方式，可以主動(dòng)適應(yīng)增壓器的工作節(jié)奏，降低遲滯影響，從而改善柴油機(jī)突加負(fù)荷時(shí)的冒黑煙現(xiàn)象。

2.2 增加進(jìn)氣量

增加柴油機(jī)進(jìn)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(yīng)遲滯期。在柴油機(jī)起動(dòng)及突加負(fù)荷載過(guò)程中通過(guò)助噴裝置向增壓器壓氣葉輪噴入定量空氣，使增壓器轉(zhuǎn)速迅速升高，為缸內(nèi)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(nèi)進(jìn)氣量增加，改善燃燒質(zhì)量。

③向柴油機(jī)進(jìn)氣總管提前注入一定量的助噴空氣，當(dāng)柴油機(jī)在增壓器低效區(qū)運(yùn)行時(shí)，保證柴油機(jī)的進(jìn)氣量需求，使得缸內(nèi)空氣與燃油充分混合。

2.3 降低柴油機(jī)接轉(zhuǎn)速

柴油機(jī)與艦船的傳動(dòng)軸系配合，柴油機(jī)接排時(shí)，轉(zhuǎn)速越高，對(duì)應(yīng)軸系轉(zhuǎn)速越高，因此柴油機(jī)接排時(shí)所受突加負(fù)荷越大。負(fù)荷增大，缸內(nèi)燃燒所需的進(jìn)氣量越大。

降低柴油機(jī)的接排轉(zhuǎn)速，便降低了柴油機(jī)接排負(fù)荷，減少了進(jìn)氣量需求，使得柴油機(jī)相應(yīng)負(fù)荷變化的時(shí)間縮短，有利于煙度值的降低。

3 ?可行性分析

3.1 優(yōu)化燃油噴射系統(tǒng)

電控高壓共軌噴射系統(tǒng)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(gè)電控單元組成[2]。

在PA6型柴油機(jī)上配置高壓共軌噴射系統(tǒng)，需要對(duì)整個(gè)燃油系統(tǒng)升級(jí)改造。目前PA6型柴油機(jī)在國(guó)內(nèi)外沒(méi)有匹配高壓共軌噴射系統(tǒng)的案例，沒(méi)有成熟配套可以移植。升級(jí)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(shè)計(jì)，以及后續(xù)一系列專業(yè)試驗(yàn)和優(yōu)化工作，無(wú)法短期形成研制結(jié)果。

綜上考慮，柴油機(jī)采用匹配高壓共軌噴射系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化燃油噴射的方法，無(wú)法解決柴油機(jī)冒黑煙問(wèn)題，不具備技術(shù)和施工的必要條件，也無(wú)法滿足艦船可靠性的要求。

3.2 增加進(jìn)氣量

3.2.1 縮短增壓器響應(yīng)遲滯期

給增壓器匹配助噴裝置是縮短增壓器響應(yīng)匹配滯后期有效措施。目前該型柴油機(jī)匹配的增壓器VTC304，沒(méi)有助噴裝置，也沒(méi)有預(yù)留可以裝助噴裝置的接口;VTC304增壓器的升級(jí)優(yōu)化產(chǎn)品TPR61增壓器也沒(méi)有助噴裝置。在VTC304增壓器增加助噴裝置沒(méi)有技術(shù)支撐，即便自行研制，必須經(jīng)過(guò)增壓器專業(yè)廠家反復(fù)試驗(yàn)，以及在柴油機(jī)廠進(jìn)行配機(jī)試驗(yàn)，尋找到合理匹配參數(shù)的過(guò)程。目前實(shí)船沒(méi)有此條件在柴油機(jī)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(jìn)行一系列配機(jī)試驗(yàn)后才能確定匹配參數(shù)[3]。新型增壓器裝機(jī)帶來(lái)的各項(xiàng)參數(shù)和轉(zhuǎn)換點(diǎn)的修改，會(huì)造成艦船試驗(yàn)數(shù)據(jù)的大幅度調(diào)整。目前艦船已交付用戶，換裝新型增壓器會(huì)造成柴油機(jī)操作標(biāo)準(zhǔn)、隨機(jī)資料、相關(guān)控制程序等方面的變更，需要重新開(kāi)展航行試驗(yàn)。因此，實(shí)船不具備更換裝新型增壓器的條件。

3.2.3 進(jìn)氣總管注入空氣

PA6型柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)只有A列增壓器工作，在進(jìn)氣總管引入一定量的助噴空氣，滿足柴油機(jī)接排的進(jìn)氣量需求，可改善缸內(nèi)空氣不足造成的燃燒不充分問(wèn)題。

進(jìn)氣總管引入助噴空氣要解決兩個(gè)問(wèn)題，一是進(jìn)氣通道，二是氣源。進(jìn)氣通道可從A列增壓器進(jìn)氣管上的M33×2螺孔建立，拆除螺塞后配相應(yīng)的進(jìn)氣歧管。氣源可從機(jī)旁壓縮空氣瓶引入。

3.3 降低柴油機(jī)接排轉(zhuǎn)速

降低柴油機(jī)接排轉(zhuǎn)速可通過(guò)限制接排時(shí)的供油量實(shí)現(xiàn)。調(diào)速器控制器中有燃油齒條格數(shù)限制線，通過(guò)設(shè)置齒條格數(shù)限值，減少噴油量，從而降低柴油機(jī)轉(zhuǎn)速。由于PA6型柴油機(jī)采用機(jī)帶齒輪泵，流體壓力隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)各流體系統(tǒng)壓力過(guò)低，影響柴油機(jī)的冷卻、潤(rùn)滑等。

因此，接排轉(zhuǎn)速的降幅需要計(jì)算各系統(tǒng)流體壓力后確定。

4 ?設(shè)計(jì)方案

4.1 柴油機(jī)進(jìn)氣管增加空氣量

根據(jù)PA6型柴油機(jī)冒煙限制理論數(shù)據(jù)表（表1）可知，燃油齒條格數(shù)在一定值時(shí)，增壓壓力不應(yīng)小于表中對(duì)應(yīng)值，否則會(huì)因進(jìn)氣量不足出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象。

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)450r/min時(shí)，接排動(dòng)作開(kāi)始，接排瞬間負(fù)荷瞬間增大。在450r/min接排臨界點(diǎn)前，柴油機(jī)負(fù)荷為6.5%，齒條格數(shù)理論值在10-12mm。根據(jù)冒煙限制理論數(shù)據(jù)表可知，當(dāng)燃油齒條小于17mm時(shí)，柴油機(jī)自然吸氣即可滿足要求。但柴油機(jī)接排時(shí)，燃油齒條瞬時(shí)約為17.5mm，接排成功后（接排動(dòng)作持續(xù)約20s），齒條格數(shù)回落至14mm。

根據(jù)表1可知，若接排時(shí)增壓空氣壓力≥10kPa，可以有效改善柴油機(jī)冒黑煙現(xiàn)象。為了保證安全裕度，取齒條18mm處，增壓空氣壓力（P3）40kPa進(jìn)行校核計(jì)算。

根據(jù)公式：PV=nRT

進(jìn)氣箱容積：V=0.5m3，T=300K，R=8.31J/（mol×K）

P=1.4×105Pa（絕對(duì)壓力）

計(jì)算得：空氣n=100mol，Q≈2.2m3（常壓）

由以上計(jì)算可知接排時(shí)所需空氣量約為2.2m3。

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

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

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

計(jì)算得注入空氣流速v1=2.14×103m/s

進(jìn)氣管截面積A=π×（1.25×10-2）2m2

根據(jù)Q=V×A×t

計(jì)算可知充入空氣的時(shí)間t=3s，

故，30bar的壓縮空氣充入3s便可滿足接排時(shí)的進(jìn)氣量要求。

4.1.1 具體布置系統(tǒng)（圖1）

從柴油機(jī)起動(dòng)空氣系統(tǒng)中的空氣濾器（2）后分一路壓縮空氣至柴油機(jī)進(jìn)氣管（此處引出空氣可保證進(jìn)機(jī)的空氣清潔度），利用電磁閥控制，在柴油機(jī)接排時(shí)延遲3s關(guān)閉（時(shí)間根據(jù)實(shí)船調(diào)整）。

4.1.2 柴油機(jī)具體安裝

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

4.2 降低柴油機(jī)接排轉(zhuǎn)速

由于燃油齒條限制線為階梯線，為不影響高負(fù)荷供油量，將齒條格數(shù)限值設(shè)定為6（若設(shè)定為5，柴油機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)加載困難現(xiàn)象）。齒條格數(shù)限值設(shè)定為6后，柴油機(jī)接排轉(zhuǎn)速由450r/min降至430r/min。由于PA6型柴油機(jī)的冷卻、潤(rùn)滑、供油系統(tǒng)的介質(zhì)壓力均由機(jī)帶齒輪泵提供，轉(zhuǎn)速降低可能造成各系統(tǒng)流體壓力低于規(guī)定要求。柴油機(jī)內(nèi)流體依靠機(jī)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(tǒng)實(shí)船除機(jī)帶泵外配有增壓泵，滑油系統(tǒng)除機(jī)帶泵外配有預(yù)供泵，在機(jī)帶泵壓力低的情況下增壓泵和預(yù)供泵均能提供壓力補(bǔ)償。即使機(jī)帶泵不工作，增壓泵和預(yù)供泵提供的壓力也可滿足柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)所需的燃油和滑油壓力。因此，低負(fù)荷降速不會(huì)影響燃油系統(tǒng)及滑油系統(tǒng)壓力。

柴油機(jī)低負(fù)荷下產(chǎn)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(huán)即可，不需要過(guò)高壓力。因此，低負(fù)荷降速不會(huì)影響高溫水系統(tǒng)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(zhuǎn)速為430r/min時(shí)，按照PA6型柴油機(jī)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(shí)滑油冷卻器所需冷卻水量約為37.8m3/h?？绽淦魉枥鋮s水量約為27.5m3/h。低負(fù)荷時(shí)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(jì)。低溫海水泵此時(shí)最大流量為50m3/h，要保證柴油機(jī)在450r/min能夠加負(fù)荷運(yùn)行，必須提供流量≥15.3m3/h的備用泵為機(jī)帶低溫海水泵補(bǔ)償壓力。實(shí)船機(jī)帶低溫海水泵的備用泵流量為20m3/h，滿足壓力補(bǔ)償需求。

綜上，將齒條格數(shù)限值設(shè)定為6，接排轉(zhuǎn)速降為430r/min，負(fù)荷降低至6.0%，各系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)速下降而造成流體壓力不足。

4.3 改進(jìn)柴油機(jī)接排程序

將柴油機(jī)接排轉(zhuǎn)速和進(jìn)一/退一轉(zhuǎn)速設(shè)為兩個(gè)不同值，一方面降低柴油機(jī)突加負(fù)荷值，另一方面保障柴油機(jī)在進(jìn)一/退一工況可靠運(yùn)行。

5 ?結(jié)論

對(duì)上述方案進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證：

①通過(guò)降低柴油機(jī)接排轉(zhuǎn)速和修改柴油機(jī)接排程序，減少了接排時(shí)的缸內(nèi)進(jìn)氣量需求;

②在柴油機(jī)進(jìn)氣管處引入一路助噴空氣，補(bǔ)償增壓器響應(yīng)遲滯造成的進(jìn)氣量不足。

方案實(shí)施后，柴油機(jī)接排缸內(nèi)進(jìn)氣量充足，柴油與空氣充分混合燃燒，冒黑煙現(xiàn)象得到解決。對(duì)于國(guó)內(nèi)不具備高壓共軌和增壓器助噴技術(shù)的大功率柴油機(jī)，該方案成熟可靠，具有推廣意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]周成堯，等.重型柴油機(jī)兩級(jí)渦輪增壓技術(shù)研究和探討[J].內(nèi)燃機(jī)，2011，12（6）：14-17.

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

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