渡船主机冒黑烟故障查找及解决方法研究

潘冬良，明廷锋，苏永生

(海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033)



渡船主机冒黑烟故障查找及解决方法研究

潘冬良，明廷锋，苏永生

(海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033)

针对武汉市轮渡公司渡船主机冒黑烟故障无法彻底解决的难题，根据柴油主机冒黑烟的本质即“在一定转速下，供的‘油’多了或者进的‘气’少了所导致的燃油燃烧不完全”，对该渡船 “船-桨-机”的匹配、柴油主机的进排气系统的分析和各缸排温的测量等方法来查找并确定主机冒黑烟的原因并提出改进措施。通过对“船-桨-机”匹配的理论分析、实船测试等途径的综合判断和研究，找到了主机冒黑烟的根源。轮渡公司根据研究成果对渡船主机的排气管路进行改造，彻底消除了此故障。

渡船；柴油机；螺旋桨；故障诊断；船舶维修

0　引言

武汉市轮渡公司用于往返汉口武汉关和武昌中华路码头的5条800客位渡船(“江城1号”～“江城5号”)自投入营运后不久，主机都有不同程度的冒黑烟现象，且随着使用时间延长冒黑烟逐渐严重，主机所能达到的最高转速也逐渐降低。渡船尾部冒黑烟不但严重影响了渡船的公共交通形象，而且也大大降低了主机的使用寿命。根据现场勘查，冒黑烟所导致的船尾部环境很差，渡船工作人员除了完成日常营运工作外，还需要定时清洁被烟灰污染的船尾外表面，无形中增加了船员的工作量。另外，据船员和轮渡公司技术人员介绍，由于主机燃烧不充分，导致主机磨损加剧，修理期限也大大提前，造成的维修保养费用也大幅度增加。

主机冒黑烟是柴油主机工作时经常出现的一类故障，国内外专家对此也进行了相关的研究[1-3]，但此类研究主要是从机器本身或所属设备(如喷油器、高压泵、排气阀、增压器、空冷器等)去判断。针对本文研究的对象，作者认为主机本身的故障可以排除，应该从系统的角度进行排查。通过查阅渡船的相关资料，依据渡船“船-桨-机”系统匹配的基本原理，分析柴油主机的进排气系统等，最终找到了主机冒黑烟的原因。轮渡公司根据研究的建议对排气管道进行了改造，彻底消除了冒黑烟的故障。

1　“船-桨-机”匹配的分析

1.1分析思路

对“船-桨-机”匹配的分析，其核心在于判断主机是否超负荷运行而导致冒黑烟故障的产生。一般从以下3个方面进行分析：

(1)船舶阻力是否增大：查阅模型试验时的曲线，调研实际营运时的状态(满载还是空载)，投入营运后是否进行船底的清理等工作。由于这5条船都是营运不久就出现了冒黑烟现象，根据快速性计算书的数据和与轮渡公司工作人员的交流，排除船舶阻力增大的可能性。

(2)螺旋桨的负载是否偏大：根据桨的敞水性能曲线判断。渡船选用的是AU桨，设计单位直接通过图谱选用的，没有做桨模的实验，所以本研究通过计算流体力学(CFD)的方法，对渡船使用的桨进行敞水性能校核。根据桨的敞水性能曲线，反推主机在设计转速下的功率，从而根据其是否落在主机工作范围内来进行螺旋桨负荷的判断。

(3)主机性能是否变差：需要判断WD615.57C03四冲程增压柴油机进气量是否足够，增压器是否出现了故障，空气滤清器是否定期清洗等。通过现场勘查和轮渡公司之前的改进，确定舱室的进气应该是足够的，但空气滤清器的清洗不是很及时，这可能是出现冒黑烟故障的一个因素。渡船是公共交通，虽然出现了冒黑烟现象，但仍然得继续营运，所以持续地运行导致了主机的性能恶化，修理的期限会大大提前。

“船-桨-机”的合理匹配，简单而言是指螺旋桨产生的推力克服船的阻力，而此时螺旋桨的阻力矩需要由主机的主动力矩来提供。这里有2个平衡，即力的平衡和运动的平衡，航行中的最佳匹配是指螺旋桨在某一转速下运行时主机的工作点位于额定工作点。重载工况时，螺旋桨的“需”要大于主机的“供”，此时柴油主机有可能会出现冒黑烟。所以，对“供”、“需”进行分析和判断是查找柴油主机冒黑烟现象的关键和突破口。

1.2螺旋桨敞水性能曲线

为了节省成本，缩短校核周期，更真实地反映实际桨的敞水性能，采用经过验证了的CFD方法获取直径D分别为1.591 m和1.521 m 2个螺旋桨的敞水性能曲线[4]。数值计算的思路为：建立几何模型；网格划分；边界条件及湍流模型选择；最后对计算结果进行分析。渡船所采用的两型桨敞水性能计算结果分别见表1和表2。

表1敞水性能计算结果(D=1.591 m)

表2　敞水性能计算结果(D=1.521 m)

渡船设计单位给轮渡公司提供的快速性计算书上给出了上述两型桨在设计点处对应的敞水效率，本文将数值计算所得到的值与之比对，结果见表3。

表3　数值计算结果与快速性计算书中的数据对比

根据数值计算的结果判断，设计单位提供的1.591 m和1.521 m 2个螺旋桨的敞水性能数据是可信的。

1.3主机功率储备的核算

根据渡船航速计算书(锰黄铜-直径1.591 m桨、铸钢-直径1.521 m桨)以及WD615.57C03主机推进特性和外特性曲线，对该船的设计工作点进行核算。WD615.57C03主机的特性曲线图如图1所示。将主机推进特性和外特性曲线拟合到同一个曲线图中，横坐标是主机转速，纵坐标对应的是功率，上面一条圆点线是主机的外特性曲线，下面一条方点线是主机厂推荐的螺旋桨推进特性线。

图1　WD615.57C03主机的特性曲线图(厂家提供)

根据相关研究，当主机转速为1 500 r/min时，采用直接推算法得到设计点的功率储备分别约17.9%(锰黄铜桨)、40.7%(铸钢桨)；采用间接计算法对锰黄铜桨所需要的主机功率按照2种方法核算分别为192.1 kW和191.8 kW，与直接推算法得到的主机功率197.9 kW相比，误差约3%，满足工程误差要求，得到的功率储备约为20.3%；同时采用间接计算法对铸钢桨也进行所需主机功率的核算，得到所需要的主机功率分别为134.8 kW和134.4 kW，与直接推算法得到的主机功率140.9 kW相比，误差约4.3%，同样在工程误差范围之内，得到的功率储备约为43.9%。因此，对于该型渡船，采用目前设计和提供的两型桨在设计转速1 500 r/min时主机均不会超负荷。

上述研究是针对设计点的工况进行的理论计算，实际螺旋桨的收到功率到底是多少则要通过实船测试来进行检验，从而判断“船-桨-机”在设计点的匹配是否合适。下面的研究就是通过实船的测试来得到螺旋桨输入轴的功率，再进行主机输出功率的推算。本文选用的测试船只为“江城3号”和“江城5号”。

1.4螺旋桨输入轴功率的测量

测试设备选用了东华测试的DH5905无线遥测应变采集器。DH5905采用WiFi无线通讯方式与计算机通讯，能够可靠传送测试数据，对螺旋桨输入轴的力矩、转速、轴功率等参量完成信号的适调、采集及无线传送至计算机进行实时显示、存储和处理。通过测得的驱动转轴应变量来计算得到力矩，利用光电转速传感器实时测量转轴的转速，从而换算到轴功率。具体的测量方法见文献[5]，得到的测试数据分别见表4和表5。

表4　“江城3号”轴功率的测量数据

表5　“江城5号”轴功率的测量数据

从表4和表5得知，“江城3号”对应的转速下得到的轴功率要略小于“江城5号”，这是因为“江城5号”上方有一大广告牌，相同航速时，渡船的阻力稍大；或者说在相同主机转速下，渡船的航速要略低。对应于螺旋桨而言，转速相同时，由于来流的速度变小，桨叶上对应的来流攻角变大，主机需要克服的阻力矩变大，即轴功率要稍大。

如果考虑中间轴和艉轴的轴系损失，实际螺旋桨的收到功率要比上述测得的值要小，而考虑柴油主机到测试轴以及齿轮箱的传递损失，按照3%计算，此时对应需要主机的功率“江城3号”最大为156.6 kW，“江城5号”最大为183.6 kW，与主机在最高转速1 500 r/min下能提供的220 kW相比，均有29%和17%的功率储备，也就是说根据螺旋桨敞水性能核算和实船推进轴轴功率的测量，该型渡船的“船-桨-机”匹配是合理的，螺旋桨负载不偏大，故不存在主机超负荷的设计因素。

2　柴油主机进排气系统的排查

在测试的过程中，对“江城5号”(其他4条船的布置是一样的)的排气管路进行了现场的长度测量和弯管等部件计数。

左轴排气管：主机舱排气管长3.6 m+2个直角弯头+1个中渐弯头，中轴舱排气管长2.6 m+1个消声器(0.9 m)+排气管长3.1 m，舵机舱排气管长3.5 m，0.4 m船外向下弯尾端排气管，总长14.1 m左右。右轴排气管：主机舱排气管长3.6 m+2个直角弯头，中轴舱排气管长5.4 m+1个上弯+消声器(0.9 m)+排气管长0.35 m，舵机舱排气管长3.5 m+1个中弯+1个向下弯接头，0.4 m船外向下弯尾端排气管，总长14.2 m左右。

上述14 m多的长排气管路、多弯头以及膨胀式消声器，必然造成较大的流动阻力和排气背压，致使进气冲程终了时缸内废气多，新鲜空气少，中、高负荷时油多气少，冒黑烟是必然的。

另外，在“江城3号”勘查时，发现空气过滤器非常脏，可能是有较长时间没对进气滤器进行定期清洗。由于空气过滤器脏，使得进气阻力就大，这又更加剧了主机工作时“新气”不足，加重了主机冒黑烟的情况。

3　柴油主机各缸排温的测量

考虑到现场无法进行柴油机喷油器雾化、缸内燃烧情况的检查，为了检验柴油喷入气缸后雾化和燃烧情况，采用非接触法测量各缸排气支管排温来间接反映柴油机工作时各缸负荷的大小和均匀性。对“江城4号”和“江城5号”2条船的柴油主机单缸排烟管的外表面温度进行了测量，测量装置为VICTOR306B红外测温仪。测量得到的数据分别见表6和表7。其中测温点选择在气缸外靠近的排气口和对应的排气支管，以上部和侧面来表征，约定的柴油主机缸号如图2所示。

从测试得到的情况来看，柴油主机的单缸排温差异不大，基本满足负荷大、排温大和随着排气流向排温逐渐增大的规律。据此判断，柴油机各缸的雾化应该是能满足要求的，各缸的负荷差异不大。

4　研究结果及分析

通过对渡船“船-桨-机”系统的匹配分析，柴油主机进排气系统排查以及柴油

主机各缸排温的测量等研究，可以得到以下研究结果：

表6　“江城4号”柴油主机单缸排温的测量数据

表7　“江城5号”柴油主机单缸排温的测量数据

图2　柴油主机缸号约定关系图

(1)根据轮渡公司提供的螺旋桨几何模型分别对直径为1.591 m和1.521 m的螺旋桨进行了敞水性能的数值计算。计算结果表明：设计单位提供的1.591 m和1.521 m22个螺旋桨的性能满足要求。

(2)根据轮渡公司提供的航速计算说明书，采用直接推算法对额定工况的“船-桨-机”匹配进行了核算。结果表明：对给定的2个螺旋桨，在额定工况1 500 r/min时，主机均有一定的功率储备，不会引起主机的超负荷。

(3)采用间接计算法对渡船设计工作点的“船-桨-机”匹配进行了分析。结果表明：用不同的计算方式得到的主机功率按照2种方法分别为192.1 kW和191.8 kW。同理，小桨(1.521 m)所需要的主机功率134.8 kW和134.4 kW。按照这种计算，主机在设计转速下不会超负荷。

(4)对“江城3号”和“江城5号”的螺旋桨输入轴的轴功率进行了实船测量。结果表明：由于“江城5号”的阻力稍大于“江城3号”，实测的轴功率在相同的转速下“江城5号”大于“江城3号”，但由于经过换算在设计转速下，主机能克服螺旋桨的旋转阻力矩。但由于燃烧不完全，导致了柴油主机不能够将喷入的燃料按照设计要求转换成有用功，从而使得柴油机发出的力矩不能有效克服螺旋桨的阻力矩。

(5)对于废气涡轮增压柴油机，排气背压对燃烧的影响非常大，一是影响废气的顺利排出；二是影响新鲜空气的吸入，如果两者都受到影响，那么由于燃烧不完全造成的“冒黑烟”就自然而然出现了。

(6)通过对两条船所有主机高负荷时各缸排气支管的外表温度测量，判别缸内燃油雾化燃烧和负荷不均匀性情况。结果表明无异常现象，排除了冒黑烟在这方面的诱因。

综上所述：本研究认为，造成渡船柴油主机“冒黑烟”的主因是排气管路太长，排气背压太大，因而建议对排气管路进行改造，如缩短排气管路的长度，增大排气管的直径。

据武汉市轮渡公司反馈，按照本文研究结论和相关建议，“江城5号”和“江城3号”对排气管改造后，主机冒黑烟的现象已彻底消除。

[1]陈锡华. 船舶柴油机冒黑烟的原因分析及排除[J]. 珠江水运，2006(6)：39-41.

[2]徐建明，陈长根，黄志远. 12VE230ZC柴油机冒黑烟原因分析及处理方法[J]. 中国修船，2009(5)：25-27，39.

[3]邓志明，朱海庆，王瑞成. 6BT5.9康明斯柴油机冒黑烟的故障分析与排除[J]. 移动电源与车辆，2013(1)：36-38.

[4]仝博，王永生，杨琼方，等. 渡轮螺旋桨水动力性能的数值预报[J]. 中国舰船研究，2014，9(1)：52-58.

[5]明廷涛，苏永生，王益成，等. 基于无线遥测装置的渡轮轴功率测量方法[J]. 兵工自动化，2015，34(3)：64-67.

2015-11-15

潘冬良(1980—)，男，工程师，研究方向为机械装备保障技术。

U672.7

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