某型重油柴油发电机组相关问题的分析及改进

邱国才，陈小芳

（1.上海齐耀发动机有限公司，上海201108；2.上海寰创通信科技有限公司，上海200241）

某型重油柴油发电机组相关问题的分析及改进

邱国才1，陈小芳2

（1.上海齐耀发动机有限公司，上海201108；2.上海寰创通信科技有限公司，上海200241）

介绍了某型重油柴油发电机组在试验和使用过程中发现的功率开不足、缸内积碳及冒黑烟问题的分析及改进方案。改进后，该型柴油机功率开不足、烟度及燃烧效果得到了较好的改善，达到了预期的效果。

重油柴油机喷油器齿条刻度冒黑烟积碳功率开不足

1 引言

近年来，全球船用重油柴油机发展与应用的速度非常迅猛，国内民用船舶也越来越多地采用经济性更好的重柴油作为船用主辅柴油机的主要燃料。某型船用柴油机，引进国内生产已有30余年。虽然该型柴油机在初始设计时就有燃用重油的技术方案，但在引进初期，由于国内的航运业不发达，竞争不激烈，国内客户主要选用的是操作、燃料储存及使用简单方便的轻柴油的柴油机机作为船用动力。随着中国加入世贸以后，国内的航运业得到了蓬勃的发展，航运业的竞争越来越激烈。为了适应时代的需要，该型柴油机的国内客户于是越来越多地选择了经济性更好的重油柴油机作为船用动力。但是该型重柴油发电机组在国内使用了一段时间后，发现了在燃用重油时存在着功率不足，且活塞顶部及喷油器喷嘴积碳严重，柴油机变工况时存在严重的冒黑烟等一系列问题。

2 原因查找及分析

为了查找以上问题的原因，彻底解决相关问题，公司组织了相关人员经过了大量的分析及研究，决定选取在公司销量最大的6缸重油柴油机发电机组上进行相关试验，查找相关问题的根源。为了充分暴露问题，选定该柴油机设计工况转速进行负荷特性试验，试验部分数据见表1。

从表1试验结果可以得出以下几点：

（1）额定负载时，该机型单缸平均排温为420℃，总排温为500℃。而单缸平均排温的设计值≤530℃，总排温≤580℃，可见该重油柴油机的单缸排温和总排温还有一定的上升空间，可以增加供油量，以提高柴油机功率。

（2）在发动机的燃油泵、机油泵及水泵工作正常、温度和压力都满足设计要求的情况下，油泵齿条刻度为35，而设计的油泵齿条刻度也为35，油门齿条和调速器负荷指示刻度已经达到最大值，没有了调整裕度。

（3）柴油机实际最大负荷为106.3%，未达到柴油发电机组应能实现的110%负荷下正常运行的设计值。

表1 改进前柴油机台架试验数据

（4）柴油机扫气压力设计值为100%负荷时应＜190 kPa，试验实测值为170 kPa，还有提升的余地。

与此同时，实测的柴油机最大爆发压力值为9.5 MPa。该柴油机设计允许的最大爆发压力为10 MPa，离允许的最大爆发压力还有一点上升空间。

除最大工况试验中暴露的问题之外，客户还反映柴油机重油运行一段时间后，缸内存在严重的积碳问题；并且在高负载变工况时，存在较严重的冒黑烟现象。在分析了柴油机主要结构件的设计配合尺寸及零件实测尺寸检验结果后，排除了大量烧机油引起积碳的可能性后，得出该问题主要是由柴油燃烧不充分所引起的结论。于是进行了初步的柴油机负荷特性试验，油耗和烟度的测量结果见图1。可以发现，在高负荷工况时烟度上升较快，但仍基本在正常允许的范围以内。

3 改进措施

结合试验及客户反映问题的原因查找及分析，在考虑到该机型开发时间较早，结构强度不高，加之受到生产成本等因素的制约，在不改变喷油压力及喷油提前角的情况下，主要采取了以下2项措施来解决相关问题：提高燃油供油效率和增加柴油机进气流量。

3.1 提高燃油供油效率

在喷孔锥角和开启压力相同的情况下，当喷孔直径增大时，油束射程增大，单位时间内的喷油流量增大，这样在同样的供油凸轮转角下，供油效率就会得到相应的提高，但这样可能会对燃油雾化效果及排放有影响。因此喷油器针阀偶件采用挤压工艺处理，以提高喷油嘴流量系数。通过该工艺使喷嘴锥阀面的材料表面致密度及粗糙度得到了较大的改善和提高，减少喷油器工作时的燃油积留，降低了针阀偶件的磨损，从而达到了改善喷嘴积碳问题的效果。

图11 500 r/min负荷特性试验

为了解决柴油机的功率储备及油泵齿条刻度不足问题，考虑到改进前齿条的实际刻度与理论设计值的偏差，将喷油器喷油量由3.2 L/min提高至3.5 L/min，即喷油量提高了9.4%，在喷油提前角不变的情况下，相当于将供油效率提高了9.4%，实际喷油器喷油量测量值见图2。

从图2喷油器流量曲线也可以发现，改进工艺后，柴油机各缸喷油器的针阀偶件流量的均匀性更好，对柴油机各缸负荷的均匀性及柴油机运行的稳定性也有了较好的改善。

3.2 增加柴油机进气流量

增压中速柴油机的过量空气系数α为2.0左右，α值越小，柴油机工作过程中需要的结构强度就越高。在考虑到该机型结构强度及对改善燃烧的需求的情况下，将增压器喷嘴环的喉口面积由45.76 cm2调整为48 cm2，提高了大约4.9%。从而使过量空气系数α有了一定的提升，让喷油量提升带来的缸内爆发压力过高的风险得到了相应的抑制。同时，由于喉口面积的增大，带来了扫气压力及扫气效率的提高，进一步改善了缸内的燃烧效果。

图2 改进前后喷油器流量对比

4 改进后的效果

同一台柴油机经过以上改进后，重新进行柴油发电机组的单机试验得到的负荷特性数据见表2。从表中可以看出：

（1）油泵齿条的刻度能满足柴油机功率设计的要求，并且留有适当余量。改进前后喷油泵齿条位置进行对比分析如图3所示。可以看出，油泵齿条的裕度改善效果明显。

（2）各缸平均排温为426℃，仅比改进前提高了6℃，没有超出设计要求。

（3）扫气压力为175 kPa，没有超出设计值为100%负荷时应＜190 kPa的设计指标。

在改进试验循环中，对柴油机的油耗及烟度进行了测量，测量值见图4。最后测量了柴油机的最大爆发压力，实测值为9.8～9.9 MPa，这证明已经充分挖掘了该机型的潜力。

根据测量值对改进前后的油耗及烟度进行对比分析见图5。从图中可以看出，改进后柴油机的油耗及烟度得到了较好的改善。可见，这些改进措施对烟度及油耗影响明显，对燃油消耗率的影响呈现低工况和高工况变化大，中间位置变化小的趋势。

表2 改进后柴油机台架试验数据

图3 改进前后齿条位置

图5 改进前后柴油机油耗和烟度对比

5 结论

通过对燃油系统和增压系统的改进，较好地解决了柴油机功率不足、缸内积碳及冒黑烟等问题。同时，由于充气系数和扫气压力的提高，改善了柴油机的燃烧，让柴油机在更低的油耗下达到了需要的功率。不仅降低了油耗，改善了烟度，而且还降低了柴油机的排放，完全达到了改进的目标要求。

1徐立华.船舶柴油机［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006.

2 Takasaki K,Fukuyoshi T,Abe S,.et al.Visual Study about Combustion Characteristics of Heavy Fuel in Diesel Engines[J].Bulletin of the MESJ,1999,27(1): 22-28.

3王忠俊，陈军.中高速船用柴油机燃用重油的应用[J].船海工程，2010，39（2）：74-77.

Analysis and Improvement of Problems of Heavy Fuel Engine for Generator Set

Qiu Guocai1,Chen Xiaofang2
（1.Shanghai Qiyao Engine Co.,Ltd.,Shanghai 201108,China; 2.Shanghai Huanchuang Communication Technology Co.,Ltd.,Shanghai 2000241,China）

Problems of insufficient power,carbon deposit and black smoke happened during the test and use of a heavy fuel engine for generator set.Analysis and improvement was made to address the problems.After the improvement of the fuel and intake systems,the engine power was increased,and the issues of smoke and carbon deposit much improved,achieving the desired results of the improvement.

heavy fuel engine;injector;fuel pump rack scale;black smoke;carbon deposit;insufficient power

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.01.005

来稿日期：2013-10-07

邱国才（1979-），男，助理工程师，主要研究方向为柴油机制造及开发。