段艷強　史長平　梁毅　高磊　翟光瑞

摘要：為解決某沿海拖輪主機合排過程中冒黑煙問題，通過分析確定主要原因為噴油器過度噴油和增壓器響應慢導致的燃燒不完全。采取加裝限油裝置、優(yōu)化增壓器和凸輪軸等措施，將單增壓器改為雙增壓器，增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量從0.437 kg·m2減小至0.046 kg·m2，將排氣門開度增大15°、進氣門關閉角減小25°、氣門重疊角減小20°，將氣門最大升程減小9%，通過臺架突加負荷試驗和實船試驗對優(yōu)化方案進行驗證。臺架試驗結(jié)果表明：轉(zhuǎn)速為350、400、450 r/min時，優(yōu)化后的突加功率較原機分別提高11.1%～27.3%，轉(zhuǎn)速恢復時間縮短25%～48%，突加負荷時冒煙現(xiàn)象明顯改善。實船驗證結(jié)果表明：柴油機排氣煙色肉眼幾乎不可見，轉(zhuǎn)速恢復時間大幅縮短，冒煙時長由21 s縮短至9 s，冒黑煙及響應慢的問題得到解決。

關鍵詞：沿海拖輪；合排；冒黑煙；增壓器；凸輪軸；過量空氣系數(shù)

中圖分類號：U672文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2023）05-0074-08

引用格式：段艷強，史長平，梁毅，等. 某柴油機合排冒黑煙及響應慢問題分析與優(yōu)化［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2023，40（5）：74-81.

DUAN Yanqiang， SHI Changping， LIANG Yi， et al. Analysis and optimization of black smoke and slow response from a diesel engine during clutch engaging［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：74-81.

0 引言

正常工作條件下，船舶柴油機尾氣顏色一般為無色或淺灰色。冒黑煙是船舶柴油機在運行過程中的常見故障之一[1]。導致柴油機冒黑煙的原因較多，其中最主要的原因為燃油燃燒不充分，部分柴油在高溫缺氧條件下裂解、聚合生成自由碳粒子，當這些碳微粒在排氣中的占比超過85%，就會呈黑色煙霧排出，即冒黑煙現(xiàn)象。柴油機冒黑煙增加了燃料消耗和運營成本，降低了柴油機動力性能；冒黑煙與節(jié)能減排理念相背離，受到港口國的嚴格限制， 輕者罰款，重者可能滯留船舶[2]。本文中，分析某沿海拖輪用柴油機合排冒黑煙和低速響應慢的原因，采取加裝限油裝置、優(yōu)化增壓器和凸輪軸等措施，并進行臺架突加負荷試驗和實船運行驗證，解決該柴油機排氣冒黑煙及響應慢故障。

1 故障現(xiàn)象

某沿海拖輪用中速柴油機在與齒輪箱合排時冒黑煙，如圖1所示。由圖1可知：合排后大約經(jīng)過7 s，排煙管中開始冒黑煙，一直持續(xù)到第21秒。

柴油機在與齒輪箱合排時，需要驅(qū)動處于靜止狀態(tài)的螺旋槳，螺旋槳的速度將在極短的時間內(nèi)從零增加到相當大，柴油機負荷瞬間增大，為了維持柴油機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，調(diào)速器加大噴油量，造成“油多”現(xiàn)象；但此時增壓器響應速度存在遲滯，吸入氣缸的空氣量的增加速率跟不上噴油量的變化速率，造成“氣少”現(xiàn)象。這種“油多、氣少”現(xiàn)象，使得氣缸內(nèi)的油氣混合物不能達到最佳比例，燃燒質(zhì)量下降[3-5]。

2 故障排除

2.1 故障復現(xiàn)

為了快速排除冒黑煙故障，在發(fā)動機臺架上進行原機故障復現(xiàn)。柴油機在低轉(zhuǎn)速下進行突加負荷試驗，試驗結(jié)果如表1所示，表中突加功率百分比為突加功率與額定功率的比，試驗過程排氣煙色如圖2所示。由表1可知：原機突加功率偏低，轉(zhuǎn)速恢復時間較長，突加負荷響應能力較差。

2.2 限油裝置

為了解決“油多”問題，在油門位置安裝限油裝置，進行同功率突加負荷對比試驗，試驗結(jié)果如表2所示，試驗過程排氣煙色如圖3所示。

由表2、圖3可知：采用限油裝置控制油門開度，防止過量供油，空燃比更好，燃燒相對較好，轉(zhuǎn)速恢復時間縮短了5～6 s，排氣煙色轉(zhuǎn)淡，濃煙持續(xù)期縮短。

2.3 助噴裝置

為改善“氣少”問題，由柴油機起動空氣管路上引出一路壓縮空氣，經(jīng)減壓后與增壓器殼體進氣口相連。在突加負荷試驗時，空氣開關閉合，時間繼電器開始計時，吹氣管上電磁閥打開進行吹氣，10 s后繼電器自動斷開，電磁閥閉合，補氣過程結(jié)束。加裝助噴裝置后臺架突加負荷試驗結(jié)果如表3所示，排氣煙色如圖4所示。

由表3、圖4可知，通過向壓氣機葉輪補氣，迅速提高增壓器轉(zhuǎn)速和進氣量，提高了空燃比，改善燃燒，突加功率更高，轉(zhuǎn)速恢復時間更短，煙色更好，只有輕微淡煙。

輔助增加限油裝置和助噴裝置后，柴油機的突加負荷能力得到顯著提升[6]。但進氣助噴裝置方案對船艙設備改動較大，不僅需要臨時加工補氣管路，且管路布置及電氣控制系統(tǒng)復雜，同時氣源能也得不到保障，所以未進行實船驗證。為解決進氣不足問題，對柴油機的增壓空氣系統(tǒng)進行優(yōu)化。

2.4 增壓器優(yōu)化

增壓器響應時間主要與增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量和壓氣機的流量相關。增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量越小，壓氣機流量越大，越有利于提高增壓器響應速度[7]。將原機由單增壓調(diào)整為雙增壓，增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量從0.437 kg·m2減小至0.046 kg·m2，減小了89.5%，增壓器響應時間大幅度提高。臺架雙增壓突加負荷試驗結(jié)果如表4所示，排氣煙色如圖5所示。對比表1、4可知：雙增壓柴油機的轉(zhuǎn)速恢復時間縮短了15%～50%，達到預期效果；柴油機能夠快速捕獲足夠的新鮮空氣，空燃比增加，燃燒效果改善，排氣冒黑煙現(xiàn)象也隨之改善，但仍較明顯。

2.5 凸輪軸優(yōu)化

2.5.1 配氣相位優(yōu)化

柴油機匹配雙增壓器后，突加負荷響應性已大幅度提升，但排氣煙色仍不符合要求。對凸輪軸進行優(yōu)化，提升其低速性能。選取轉(zhuǎn)速為750 r/min的額定工況和轉(zhuǎn)速為350～450 r/min的外特性工況，通過調(diào)整原凸輪的排氣門開度（exhaust valve opening，EVO）、進氣門關閉角（intake valve close，IVC）和氣門重疊角（valve overlap，VO）對配氣相位進行優(yōu)化[8]，優(yōu)化結(jié)果如圖6～8所示。

由圖6可知：隨著EVO增大，外特性工況的油耗和泵氣平均有效壓力略微下降，充氣效率和缸內(nèi)過量空氣系數(shù)升高，表明在低速時推遲排氣門開啟時刻，可充分利用氣體膨脹做功；但額定工況的泵氣平均有效壓力呈線性大幅下降，泵氣負功大幅增加[9]，油耗逐漸增加。綜合分析，優(yōu)化方案為EVO增大15°。

由圖7可知：隨著IVC減小，外特性工況的油耗略有降低，充氣效率和缸內(nèi)過量空氣系數(shù)略有升高，表明低速時進氣管內(nèi)空氣流速慢，進氣門關閉早，可以避免已進入氣缸的空氣被上行的活塞推出；但隨著IVC減小，額定工況的充氣效率先升高后下降，不利于補充進氣。綜合分析，優(yōu)化方案為IVC減小25°。

由圖8可知：隨著VO減小，外特性工況的油耗降低，充氣效率和缸內(nèi)過量空氣系數(shù)性能均有提高，表明低速時減小氣門重疊角，可以防止進氣回流和排氣倒灌現(xiàn)象，提高進氣質(zhì)量；但渦前總管排溫先降低后升高，原因為VO過小使廢氣流通不暢，導致掃氣效率降低。綜合分析，優(yōu)化方案為VO減小20°。

2.5.2 氣門升程優(yōu)化

柴油機的動力性能主要取決于單位時間內(nèi)氣缸的進氣量，最佳配氣相位只能增加氣門開啟時間，并不能有效改善氣缸的進氣速度。

低轉(zhuǎn)速時，柴油機單位時間進氣量小，不需要很高的進氣速度。通過減小氣門升程有助于增強進氣渦流強度，增加缸內(nèi)紊流，提高燃燒速度。根據(jù)氣道流通能力，初步確定氣門最大升程減小9%。

根據(jù)最佳配氣相位角和氣門升程，重新設計滿足配氣機構運動學和動力性校核要求的氣門升程曲線，如圖9所示。

2.5.3 仿真結(jié)果分析

通過仿真對凸輪軸優(yōu)化方案進行驗證。轉(zhuǎn)速為400 r/min外特性工況的進、排氣道質(zhì)量流量優(yōu)化前、后對比如圖10所示。由圖10可知：凸輪軸優(yōu)化后，原凸輪的進氣回流和排氣倒灌現(xiàn)象得到明顯改善。

凸輪優(yōu)化前、后的柴油機主要性能仿真對比如圖11所示。由圖11可知：轉(zhuǎn)速為350～450 r/min的外特性工況下，凸輪軸優(yōu)化后的柴油機燃油消耗率降低了2.9～8.8 g/（kW·h），充氣效率提高了7.1%～17.1%，缸內(nèi)過量空氣系數(shù)提高了8.1%～19.6%。

2.6 試驗驗證

2.6.1 臺架性能驗證

安裝限油裝置，更換優(yōu)化后的增壓器和凸輪軸，在臺架上進行突加負荷試驗，驗證優(yōu)化方案的效果，結(jié)果如表5所示，排氣煙色如圖12所示。由表5、圖12可知：優(yōu)化后的柴油機突加功率較原機提高了11.1%～27.3%，轉(zhuǎn)速恢復時間縮短了25%～48%，突加負荷時冒煙現(xiàn)象明顯改善。

2.6.2 實船驗證

為了驗證上述優(yōu)化方案的可行性，進行實船合排作業(yè)驗證，結(jié)果如圖13所示。由圖13可知：柴油機排氣煙色濃度肉眼幾乎不可見，轉(zhuǎn)速恢復時間大幅度縮短，冒煙時長由21 s縮短至9 s，冒黑煙及響應慢的問題得到解決。

2.7 成本分析

優(yōu)化后的增壓器尺寸減小，可使壓氣機殼和蝸輪殼的模具尺寸減小，還可使葉輪采用精密鑄造替代五軸數(shù)控銑削加工，因此具備批量生產(chǎn)條件，雙增壓成本比單增壓降低了38.1%，優(yōu)化后的凸輪軸僅更改進、排氣凸輪輪廓，不涉及毛坯和加工成本，優(yōu)化方案的成本更低。

3 結(jié)論

分析船用柴油機合排冒黑煙和低速響應慢的原因，采取加裝限油裝置、優(yōu)化增壓器和凸輪軸等措施，并進行轉(zhuǎn)速為350、400、450 r/min的低速臺架突加負荷試驗驗證和實船運行驗證。

1）柴油機冒黑煙及響應慢的主要原因是“油多、氣少”，使得氣缸內(nèi)的油氣混合物不能達到最佳比例。

2）臺架突加負荷試驗結(jié)果表明：輔助加裝限油裝置和助噴裝置，可提高缸內(nèi)空燃比，臨時排除冒黑煙故障。

3）將單增壓器改為雙增壓器，增壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量從0.437 kg·m2減小至0.046 kg·m2。臺架突加負荷試驗結(jié)果表明：雙增壓柴油機的轉(zhuǎn)速恢復時間縮短了15%～50%，柴油機空燃比增加，燃燒效果改善，排氣冒黑煙現(xiàn)象得到改善。

4）將排氣門開度增大15°、進氣門關閉角減小25°、氣門重疊角減小20°，將氣門最大升程減小9%，仿真結(jié)果表明，進氣回流和排氣倒灌現(xiàn)象得到明顯改善。

5）安裝限油裝置、更換優(yōu)化后增壓器和凸輪軸后，臺架試驗結(jié)果表明：優(yōu)化后的突加功率較原機分別提高了11.1%～27.3%，轉(zhuǎn)速恢復時間縮短了25%～48%；實船驗證結(jié)果表明：柴油機轉(zhuǎn)速恢復時間大幅縮短，冒煙時長由21 s縮短至9 s，排氣煙色符合要求，冒黑煙及響應慢的問題得到解決。

6）優(yōu)化后的增壓器尺寸減小，具備批量生產(chǎn)條件，雙增壓成本比單增壓降低了38.1%，優(yōu)化后的凸輪軸僅更改進、排氣凸輪輪廓，不涉及毛坯和加工成本，因此優(yōu)化方案的成本更低。

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Analysis and optimization of black smoke and slow response from a diesel engine during clutch engaging

DUAN Yanqiang1， SHI Changping1， LIANG Yi1， GAO Lei1， ZHAI Guangrui2

Abstract：To solve the problem of black smoke emitted during the main engine assembly process of a coastal tugboat， through analysis， it is determined that the main cause is excessive fuel injection by the fuel injector and incomplete combustion caused by slow response of the turbocharger. By installing a fuel limit device， optimizing the turbocharger and camshaft， the single turbocharger is changed by two turbochargers， and the inertia of the turbocharger rotor is reduced from 0.437 kg·m2 to 0.046 kg·m2. The exhaust valve opening increases 15°， intake valve closing decreases 25°， and valve overlap angle decreases 20°， respectively，and the maximum valve lift is reduced by 9%. The optimization scheme is verified through bench sudden load test and actual ship test. The results of the bench test show that at speeds of 350， 400， and 450 r/min， the optimized sudden increase in power increased by 11.1% to 27.3% compared to the original machine， and the speed recovery time shortened by 25% to 48%. The smoke phenomenon during sudden increase in load is significantly improved. The actual ship verification results show that the exhaust smoke color of the diesel engine is almost invisible to the naked eye， the speed recovery time is significantly shortened， and the smoke emission time is reduced from 21 s to 9 s. The problems of black smoke and slow response have been solved.

Keywords：coastal tug; clutch engaging; black smoke; supercharger; camshaft; excess air coefficient（責任編輯：郎偉鋒）

收稿日期：2023-06-20

第一作者簡介：段艷強（1986—），男，四川樂山人，工學碩士，高級工程師，主要研究方向為船用柴油機性能開發(fā)，E-mail：duanyanqiang123@163.com.