楊亞男， 徐雪波， 陳 峰

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129)

0 引 言

柴油發(fā)電機(jī)組在現(xiàn)代船舶電站中應(yīng)用廣泛，其動(dòng)態(tài)性能是柴油發(fā)電機(jī)組重要性能之一，機(jī)組的動(dòng)態(tài)性能是否滿足指標(biāo)對于機(jī)組的成套至關(guān)重要，更是實(shí)現(xiàn)船舶電網(wǎng)品質(zhì)指標(biāo)的重要保障之一。在我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，船舶電站柴油發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)是用轉(zhuǎn)速描述的(ISO和DN標(biāo)準(zhǔn)則是用頻率描述的)。

某船柴油發(fā)電機(jī)組由TBD620V12型柴油機(jī)和三相同步發(fā)電機(jī)組成，按合同要求其動(dòng)態(tài)性能須滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中柴油發(fā)電機(jī)組II級(jí)精度等級(jí)要求：機(jī)組的瞬態(tài)調(diào)速率應(yīng)≤7%，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間應(yīng)≤3 s。在實(shí)船系泊試驗(yàn)期間，出現(xiàn)機(jī)組動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)不能滿足合同指標(biāo)的現(xiàn)象，其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間比出廠試驗(yàn)時(shí)的時(shí)間要長。在分析問題原因和進(jìn)一步解決問題的同時(shí)，對該型柴油機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行深入解析，以下將對問題的具體分析和解決過程進(jìn)行闡述。

1 機(jī)組動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)現(xiàn)象及原因分析

1.1 機(jī)組主要特點(diǎn)

TBD620V12型柴油機(jī)為直噴式廢氣渦輪增壓中冷V型12缸機(jī)，是國內(nèi)引進(jìn)德國DEUTZ公司TBD604BV12的國產(chǎn)化機(jī)型，采用4氣門雙進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)，其氣缸蓋上設(shè)有2個(gè)彼此獨(dú)立的不同形式的進(jìn)氣道：直(切向)進(jìn)氣道、渦流氣道。在直進(jìn)氣道的入口設(shè)有氣流控制閥門，閥門的開關(guān)由增壓空氣壓力控制，被稱為“HALLO高低負(fù)荷最優(yōu)化可控渦流(controllable inlet swirl system)” 技術(shù)。同時(shí)，該型柴油機(jī)還采用R-K雙循環(huán)冷卻系統(tǒng)、 HEINZMANN HELNOS I系列數(shù)字電子調(diào)速器等。該柴油發(fā)電機(jī)組從出廠到裝船調(diào)試已累計(jì)運(yùn)行約125 h，額定功率為1 251 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，空載轉(zhuǎn)速整定在1 540 r/min。

1.2 機(jī)組動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)條件和方法

機(jī)組試驗(yàn)在實(shí)船建造系泊試驗(yàn)階段進(jìn)行。機(jī)組在機(jī)艙安裝完畢，其燃油管系、滑油管系、淡水管系、海水管系、進(jìn)氣排氣管路、通風(fēng)管道等各保障系統(tǒng)安裝完整正確并正常運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)負(fù)載為智能干式負(fù)載箱，試驗(yàn)時(shí)的轉(zhuǎn)速記錄采用WDS-C動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速測量儀，轉(zhuǎn)速信號(hào)從飛輪端接出。試驗(yàn)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)電力系統(tǒng)試驗(yàn)要求進(jìn)行，機(jī)組在額定負(fù)載工況下運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后突卸全部負(fù)載，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間(一般在10 s以上)，然后按照0-60%-100%分2級(jí)突加至100%額定負(fù)載。

1.2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)中，柴油機(jī)在突加0-60%負(fù)載階段，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間為3.5～4.0 s，不滿足機(jī)組動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)≤3 s，在調(diào)整HEINZMANN HELNOS I數(shù)字電子調(diào)速器的PID參數(shù)并采取排氣管安裝隔熱裝置、調(diào)整清潔增壓器進(jìn)氣濾器位置等措施后，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間勉強(qiáng)達(dá)到指標(biāo)3 s。調(diào)整前后的轉(zhuǎn)速記錄波形圖分別如圖1和圖2所示，而柴油機(jī)出廠試驗(yàn)和電站陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間均為2.8～2.9 s，優(yōu)于實(shí)船系泊試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 機(jī)組突加60%負(fù)載轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間3.8 s(調(diào)整前)

圖2 機(jī)組突加60%負(fù)載轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間3.1 s(調(diào)整后)

1.3 試驗(yàn)現(xiàn)象原因分析

現(xiàn)場檢查柴油機(jī)油門執(zhí)行器與油泵的連接機(jī)構(gòu)、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電流均正常，執(zhí)行器無卡滯，分析原因主要有2個(gè)方面。

(1) 環(huán)境因素差異。環(huán)境因素的改變會(huì)造成空氣密度的變化。出廠試驗(yàn)、陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)均為空曠車間環(huán)境，環(huán)境溫度30 ℃左右；船上系泊試驗(yàn)階段在7-8月，柴油機(jī)進(jìn)氣采用艙內(nèi)進(jìn)氣方式，副機(jī)艙試驗(yàn)環(huán)境為45～50 ℃，高溫下空氣密度變小，工作循環(huán)進(jìn)氣量變少，造成機(jī)組的動(dòng)態(tài)性能與出廠、聯(lián)調(diào)試驗(yàn)有所差異，在機(jī)組上的排氣管包扎隔熱裝置也是為了消除這一不利因素。

(2) 試驗(yàn)方法差異。柴油機(jī)出廠試驗(yàn)負(fù)載為水負(fù)載，負(fù)載誤差較大，且與實(shí)船試驗(yàn)方法在試驗(yàn)時(shí)間上有差異，該試驗(yàn)是在機(jī)組突卸100%負(fù)載后3～5 s內(nèi)突加60%負(fù)載測得的轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間。此時(shí)增壓器的轉(zhuǎn)速滯后特性導(dǎo)致了增壓器仍在高效率區(qū)工作，而機(jī)組突卸負(fù)載后空載運(yùn)行時(shí)間越長，根據(jù)增壓器工作模式與柴油機(jī)負(fù)荷匹配的特性,其將逐漸工作在低效率區(qū),此時(shí)突加負(fù)載，柴油機(jī)循環(huán)空氣供給量較少，氣缸內(nèi)燃燒不充分，導(dǎo)致機(jī)組的動(dòng)態(tài)性能受到影響。

通過上述分析可以看出：機(jī)組的動(dòng)態(tài)性能不能充分發(fā)揮的原因是柴油機(jī)突加負(fù)載后工作循環(huán)內(nèi)空氣供給量不足，船上采取的調(diào)整清潔增壓器進(jìn)氣濾器位置等措施并不是解決問題的根本辦法，一旦柴油機(jī)工作環(huán)境惡劣或運(yùn)行時(shí)間變久，動(dòng)態(tài)性能就會(huì)受到影響，柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)仍存在不利因素影響機(jī)組動(dòng)態(tài)性能，需進(jìn)一步深入研究柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)。

2 機(jī)組可控渦流進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理分析

2.1 基本結(jié)構(gòu)

圖3為TBD620V12型柴油機(jī)氣缸單元的氣缸蓋剖視圖[1]，2個(gè)進(jìn)氣門和2個(gè)排氣門連同氣門座圈和氣門導(dǎo)管等一起裝在氣缸蓋上，氣門傳動(dòng)裝置由挺柱、推桿、搖臂、搖臂支架和閥橋組成。噴油器位于保護(hù)套管內(nèi)，在其周圍有循環(huán)水冷卻。冷卻水和機(jī)油經(jīng)過平板密封墊上的導(dǎo)管從機(jī)體引入氣缸蓋。每個(gè)氣缸蓋有2個(gè)進(jìn)氣道，為前直(切)向后螺旋(渦流)的雙進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)，簡化圖如圖4所示。直進(jìn)氣道裝有可調(diào)節(jié)氣道流通面積的閥門，根據(jù)所要求的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式，直進(jìn)氣道的氣流閥門開度由增壓空氣壓力控制的調(diào)節(jié)桿隨負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖3 TBD620V12型柴油機(jī)氣缸單元的氣缸蓋剖視圖

圖4 前直向后螺旋(渦流)雙進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場實(shí)物進(jìn)氣管路外部如圖5所示，圖中柴油機(jī)進(jìn)氣總管進(jìn)入氣缸前分為2路進(jìn)氣歧管，進(jìn)氣歧管2即為直進(jìn)氣道，金屬軟管用于連通進(jìn)氣總管和壓力開關(guān)，與壓力開關(guān)連接的金屬導(dǎo)軌同時(shí)連接各氣缸進(jìn)氣歧管2的閥門。

圖5 TBD620V12型柴油機(jī)進(jìn)氣管路外部視圖

2.2 原理分析

TBD620V12型柴油機(jī)采用進(jìn)氣渦流調(diào)節(jié)主要是為了解決長期低負(fù)荷運(yùn)行帶來的積炭、增壓器污染、燃油油耗等問題。柴油機(jī)燃燒室內(nèi)的氣流特性和噴霧特性以及兩者的優(yōu)化匹配對其燃燒過程有重要的影響。柴油機(jī)在低負(fù)荷工況時(shí)，噴油壓力降低，燃油噴霧性能變差，要求有較強(qiáng)的進(jìn)氣渦流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)油霧與空氣的混合，此時(shí)直進(jìn)氣道的氣流閥門在彈簧作用下關(guān)閉，空氣主要由螺旋進(jìn)氣道進(jìn)入，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的進(jìn)氣渦流，形成良好的可燃混合氣，利于低負(fù)荷工況下的燃燒，使燃油油耗和煙度同時(shí)降低，此時(shí)空氣流量較??；柴油機(jī)在高負(fù)荷工況時(shí)，噴油壓力提高，霧化較好，混合氣形成所需求的渦流比降低，此時(shí)空氣流量需求增大，在柴油機(jī)-增壓器合理匹配的前提下，增壓空氣壓力將增大推動(dòng)直氣道控制氣流閥門活塞的力以與彈簧力平衡直至氣流閥門打開，空氣從螺旋氣道和直氣道一同進(jìn)入，進(jìn)氣流量變大，渦流比降低，滿足燃油充分燃燒需求。

迄今已有大量的試驗(yàn)仿真證實(shí)了這種可控進(jìn)氣渦流結(jié)構(gòu)改進(jìn)柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行的有效性，起到了控制排放和降低油耗的作用，且?guī)缀醪挥绊懖裼蜋C(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，并總結(jié)出進(jìn)氣渦流強(qiáng)度隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷而變的最佳匹配[2]，如圖6所示，在低速高負(fù)荷時(shí)為強(qiáng)渦流，在高速及中、低速部分負(fù)荷時(shí)為弱渦流。

不過迄今對這種可控主輔雙進(jìn)氣道的分析結(jié)論僅是在仿真試驗(yàn)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)，而實(shí)際上受到諸如燃油噴射壓力、燃燒室形狀甚至排氣管結(jié)構(gòu)等因素的影響[3]，目前相關(guān)科研尚未得出一個(gè)合適的理論模型， 只是通過試驗(yàn)驗(yàn)證直觀想象和理論分析的正確性。目前仍有高壓噴射在強(qiáng)進(jìn)氣渦流下受到限制的相關(guān)理論和研究[4]，也進(jìn)一步證明了該技術(shù)在某些情況下的局限性。

圖6 柴油機(jī)進(jìn)氣最佳渦流分布圖

3 可控氣流閥門開閉對比試驗(yàn)

分析可控進(jìn)氣渦流技術(shù)的原理和進(jìn)氣最佳渦流分布的相關(guān)研究結(jié)果，明確柴油發(fā)電機(jī)組在突加0～60%負(fù)載這一動(dòng)態(tài)過程中處在圖6的低渦流比區(qū)，此時(shí)柴油機(jī)工作循環(huán)內(nèi)氣缸內(nèi)噴油量迅速增加，需要大流量的助燃空氣，直流氣道的閥門應(yīng)處于開啟狀態(tài)。因此，進(jìn)一步進(jìn)行氣流閥門開閉對比試驗(yàn)，并對比油門執(zhí)行器開度響應(yīng)、轉(zhuǎn)速響應(yīng)、穩(wěn)定時(shí)間等數(shù)據(jù)。

3.1 可控閥門正常關(guān)閉

試驗(yàn)前，電子調(diào)速器PID參數(shù)已通過多次試驗(yàn)調(diào)整為油門執(zhí)行器最佳響應(yīng)速度狀態(tài)(比例67%、積分30%、微分95%)，暫時(shí)關(guān)閉柴油機(jī)控制器的增壓空氣壓力-燃油限制和轉(zhuǎn)速-燃油限制。柴油機(jī)突加0～60%負(fù)荷，通過柴油機(jī)控制器調(diào)試軟件DcDesk2000記錄油門執(zhí)行器及轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，如圖7所示，油門執(zhí)行器設(shè)定位置和實(shí)際位置均迅速升至最大值100%，轉(zhuǎn)速卻遲遲不能恢復(fù)至設(shè)定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間為4.2 s，在試驗(yàn)中柴油機(jī)的直進(jìn)氣道氣流閥門拉桿一直處于閥門關(guān)閉狀態(tài)。

圖7 突加60%負(fù)載執(zhí)行器及轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線(閥門關(guān)閉)

3.2 可控閥門強(qiáng)制開啟

調(diào)速器參數(shù)設(shè)置不變，柴油機(jī)的增壓空氣壓力-燃油限制和轉(zhuǎn)速-燃油限制正常工作，強(qiáng)制開啟增壓空氣壓力開關(guān)，氣流閥門開啟，油門執(zhí)行器及轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖8所示，油門執(zhí)行器設(shè)定位置和實(shí)際位置受增壓空氣壓力-燃油限制和轉(zhuǎn)速-燃油限制，由10.3%快速升至68%后緩慢至最大油門，即使在燃油限制下，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)速度明顯變快，此時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間為2.8 s。兩次對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

圖8 突加60%負(fù)載執(zhí)行器及轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線(閥門開啟)

表1 氣流閥門開閉對比試驗(yàn)記錄

經(jīng)過反復(fù)多次氣流閥門開啟試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果均相似，最終調(diào)整柴油機(jī)動(dòng)態(tài)性能達(dá)到較理想狀態(tài)，轉(zhuǎn)速記錄波形圖如圖9所示，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間為2.5 s。

圖9 機(jī)組突加60%負(fù)載轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)間2.5 s(閥門開啟)

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析及結(jié)論

從對比試驗(yàn)現(xiàn)象看，在柴油機(jī)突加0～60%負(fù)載時(shí)，油門開度響應(yīng)迅速達(dá)到最大值，空氣流量需求迅速增大，此時(shí)增壓器和氣流閥門均應(yīng)快速反應(yīng)，增壓空氣壓力增大，閥門應(yīng)開啟，而此時(shí)，在增壓器固有轉(zhuǎn)速滯后特性導(dǎo)致突變工況性能匹配不佳的情況下，閥門無法開啟而導(dǎo)致空氣流量不足，柴油機(jī)運(yùn)行工況偏離了柴油機(jī)負(fù)荷-渦流比最佳匹配設(shè)計(jì)曲線，此時(shí)這種進(jìn)氣渦流可控的優(yōu)勢沒有了，反而使機(jī)組的動(dòng)態(tài)性能受到限制，而閥門被強(qiáng)制開啟后，滿足了柴油機(jī)高速高負(fù)荷時(shí)大進(jìn)氣量低渦流比的要求。

3.4 改進(jìn)建議

通過以上試驗(yàn)和分析，針對機(jī)組動(dòng)態(tài)性能受限制不能達(dá)標(biāo)的情況，提出了以下幾點(diǎn)改進(jìn)建議：

(1) 改進(jìn)增壓器動(dòng)態(tài)匹配性能。柴油機(jī)與增壓器匹配性能改進(jìn)的理論計(jì)算和試驗(yàn)調(diào)整驗(yàn)證的實(shí)際工作量較大，僅限在柴油機(jī)前期設(shè)計(jì)制造工作中進(jìn)行，原型機(jī)增壓器匹配是經(jīng)過大量計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證的，在機(jī)組已經(jīng)成套實(shí)船安裝的階段，輕易修改會(huì)造成不利影響，需謹(jǐn)慎操作。

(2) 改進(jìn)出廠試驗(yàn)及陸上電站聯(lián)調(diào)的試驗(yàn)負(fù)載。智能干式負(fù)載較水電阻負(fù)載具有一體化可移動(dòng)、穩(wěn)定性好、精度高、可擴(kuò)容等優(yōu)點(diǎn)[5]，試驗(yàn)負(fù)載的準(zhǔn)確性有利于提前發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)修正改進(jìn)，為實(shí)船試驗(yàn)節(jié)省時(shí)間，縮短試驗(yàn)周期。

(3) 在特殊工況下越控增壓壓力控制閥門開閉功能。在柴油機(jī)控制系統(tǒng)突加負(fù)載工況下，通過程序判斷和越控，強(qiáng)制打開氣流閥門，雙進(jìn)氣道同時(shí)打開，使空氣流量與噴油量匹配，機(jī)組動(dòng)態(tài)性能發(fā)揮至最佳。實(shí)船已采取臨時(shí)措施實(shí)現(xiàn)氣流閥門開啟。

4 結(jié) 語

通過對TBD620V12型柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理的分析以及試驗(yàn)對比，找出機(jī)組動(dòng)態(tài)性能發(fā)揮不佳的影響因素，指出可控進(jìn)氣渦流技術(shù)在柴油發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)性能發(fā)揮中的局限性，并提出改進(jìn)建議。實(shí)船通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和實(shí)船現(xiàn)場改進(jìn)，已順利通過柴油發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)性能船檢驗(yàn)收，并可以為其他船舶同類問題的分析和解決提供參考借鑒。