助喷技术在PA6型柴油机上的应用

张顺利 窦振寰 杜磊 王江坤 高向花

摘要：柴油机突加负荷时，调速器使燃油供应量迅速增加，涡轮增压器工作响应滞后造成进气量不足，燃烧不充分，产生冒黑烟现象。文章阐述了可改善柴油机接排烟度的几种方法，并对可行性进行了分析。根据实船情况，在降低柴油机接排转速并修改柴油机接排程序的同时，提出了一种向柴油机进气箱预注入空气的助喷技术，增加柴油机接排时柴油机的进气量，提高空燃比，改善柴油机接排时冒黑烟程度。通过理论计算该方案技术上可行，具备可操作性。经实船验证试验，柴油机突加负荷时冒黑烟现象得到解决。需要时该技术可在其它柴油机推广使用。

关键词：柴油机;突加负荷;冒黑烟;助喷装置;空燃比

中图分类号：U664.121.3                               文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）07-0059-03

0  引言

某船推进系统由PA6型柴油机驱动定距桨工作，PA6型柴油机自上世纪80引入国内生产，被广泛应用于各国主力作战舰艇。当柴油机转速达到450r/min时，开始接排（柴油机空车起动，接排时柴油机接如传动轴系），柴油机负荷瞬间增大，转速下降至350r/min，同时排烟管有大量黑烟冒出，冒烟时间大约持续30s。由于排烟口位置在舷侧，大量黑烟会造成舷体表面污染，同时降低舰船的隐身性能，对舰船的使用维修成本和航行安全均造成不利影响。

1  背景描述

涡轮增压器与柴油机通过气动过程联系在一起。管道中气体的可压缩性，以及供油、喷射、着火和燃烧等过程的延迟，使涡轮增压器、柴油机自身以及二者之间的配合存在工作响应滞后，这种迟滞现象在柴油机低负荷或突加负荷时表现尤为明显[1]。

柴油机接排，属于柴油机突加负荷，调速器随之作出反应，使燃油供应量迅速增加，而涡轮增压器不能立即提供柴油机因负荷突加所需的空气量，导致燃油燃烧并不完全，使功率的上升不能与负荷的变化相适应，没有完全燃烧的柴油在燃烧室中高温缺氧的情况下，分解聚合形成碳烟，这种固体的碳烟比气化的燃油反应速度慢得多，来不及燃烧而呈黑色的烟雾排出，故废气涡轮增压柴油机突加负载运行时均存在不同程度的冒黑烟，一旦增压器响应匹配后，烟度值随之消除。这种现象是涡轮增压柴油机突加负荷共有的问题。

2  初步方案

根据某船的系统设计及增压器工作特点分析，解决冒黑烟问题有以下三种初步方案：

2.1 优化燃油喷射系统

近几年来，国内外各柴油机制造厂商为降低柴油机排放，已陆续将电控高压共轨喷射技术应用于柴油机燃油系统。高压共轨系统可单独调整柴油机各缸的喷油正时、喷油持续期、喷油量、喷射压力等燃油喷射参数。这种单独调控燃油喷射参数的方式，可以主动适应增压器的工作节奏，降低迟滞影响，从而改善柴油机突加负荷时的冒黑烟现象。

2.2 增加进气量

增加柴油机进气量有以下三种方法：

①增压器加装助喷装置，缩短增压器响应迟滞期。在柴油机起动及突加负荷载过程中通过助喷装置向增压器压气叶轮喷入定量空气，使增压器转速迅速升高，为缸内提供更多压缩空气。

②匹配新型高效增压器，缩短迟滞期，使缸内进气量增加，改善燃烧质量。

③向柴油机进气总管提前注入一定量的助喷空气，当柴油机在增压器低效区运行时，保证柴油机的进气量需求，使得缸内空气与燃油充分混合。

2.3 降低柴油机接转速

柴油机与舰船的传动轴系配合，柴油机接排时，转速越高，对应轴系转速越高，因此柴油机接排时所受突加负荷越大。负荷增大，缸内燃烧所需的进气量越大。

降低柴油机的接排转速，便降低了柴油机接排负荷，减少了进气量需求，使得柴油机相应负荷变化的时间缩短，有利于烟度值的降低。

3  可行性分析

3.1 优化燃油喷射系统

电控高压共轨喷射系统通常由低压燃油输送泵、高压燃油泵、高压共轨管、高压油管、喷油器以及一个电控单元组成[2]。

在PA6型柴油机上配置高压共轨喷射系统，需要对整个燃油系统升级改造。目前PA6型柴油机在国内外没有匹配高压共轨喷射系统的案例，没有成熟配套可以移植。升级改造涉及到凸轮轴、低压燃油输送泵、高压燃油泵、高压共轨管、高压油管和喷油器的重新设计，以及后续一系列专业试验和优化工作，无法短期形成研制结果。

综上考虑，柴油机采用匹配高压共轨喷射系统来优化燃油喷射的方法，无法解决柴油机冒黑烟问题，不具备技术和施工的必要条件，也无法满足舰船可靠性的要求。

3.2 增加进气量

3.2.1 缩短增压器响应迟滞期

给增压器匹配助喷装置是缩短增压器响应匹配滞后期有效措施。目前该型柴油机匹配的增压器VTC304，没有助喷装置，也没有预留可以装助喷装置的接口;VTC304增压器的升级优化产品TPR61增压器也没有助喷装置。在VTC304增压器增加助喷装置没有技术支撑，即便自行研制，必须经过增压器专业厂家反复试验，以及在柴油机厂进行配机试验，寻找到合理匹配参数的过程。目前实船没有此条件在柴油机上安装助喷装置。

3.2.2 匹配高效增压器

匹配高效增压器，需要进行一系列配机试验后才能确定匹配参数[3]。新型增压器装机带来的各项参数和转换点的修改，会造成舰船试验数据的大幅度调整。目前舰船已交付用户，换装新型增压器会造成柴油机操作标准、随机资料、相关控制程序等方面的变更，需要重新开展航行试验。因此，实船不具备更换装新型增压器的条件。

3.2.3 进气总管注入空气

PA6型柴油机低负荷运行时只有A列增压器工作，在进气总管引入一定量的助喷空气，满足柴油机接排的进气量需求，可改善缸内空气不足造成的燃烧不充分问题。

进气总管引入助喷空气要解决两个问题，一是进气通道，二是气源。进气通道可从A列增压器进气管上的M33×2螺孔建立，拆除螺塞后配相应的进气歧管。气源可从机旁压缩空气瓶引入。

3.3 降低柴油机接排转速

降低柴油机接排转速可通过限制接排时的供油量实现。调速器控制器中有燃油齿条格数限制线，通过设置齿条格数限值，减少喷油量，从而降低柴油机转速。由于PA6型柴油机采用机带齿轮泵，流体压力随柴油机转速发生变化。当柴油机转速过低时，会导致柴油机各流體系统压力过低，影响柴油机的冷却、润滑等。

因此，接排转速的降幅需要计算各系统流体压力后确定。

4  设计方案

4.1 柴油机进气管增加空气量

根据PA6型柴油机冒烟限制理论数据表（表1）可知，燃油齿条格数在一定值时，增压压力不应小于表中对应值，否则会因进气量不足出现冒黑烟现象。

柴油机转速到达450r/min时，接排动作开始，接排瞬间负荷瞬间增大。在450r/min接排临界点前，柴油机负荷为6.5%，齿条格数理论值在10-12mm。根据冒烟限制理论数据表可知，当燃油齿条小于17mm时，柴油机自然吸气即可满足要求。但柴油机接排时，燃油齿条瞬时约为17.5mm，接排成功后（接排动作持续约20s），齿条格数回落至14mm。

根据表1可知，若接排时增压空气压力≥10kPa，可以有效改善柴油机冒黑烟现象。为了保证安全裕度，取齿条18mm处，增压空气压力（P3）40kPa进行校核计算。

根据公式：PV=nRT

进气箱容积：V=0.5m3，T=300K，R=8.31J/（mol×K）

P=1.4×105Pa（绝对压力）

计算得：空气n=100mol，Q≈2.2m3（常压）

由以上计算可知接排时所需空气量约为2.2m3。

机旁压缩空气瓶可提供30bar的气源，柴油机A列进气管上M33×2的螺塞拆除后，安装管接头，连接DN25的进气管作为助喷空气通道。

根据伯努利方程：P1/ρ+z1g+a1v12/2=P2/ρ+z2g+a2v22/2

取进气腔压力P2=40kPa，v2=0，注入空气压力P1=3000 kPa。

计算得注入空气流速v1=2.14×103m/s

进气管截面积A=π×（1.25×10-2）2m2

根据Q=V×A×t

计算可知充入空气的时间t=3s，

故，30bar的压缩空气充入3s便可满足接排时的进气量要求。

4.1.1 具体布置系统（图1）

从柴油机起动空气系统中的空气滤器（2）后分一路压缩空气至柴油机进气管（此处引出空气可保证进机的空气清洁度），利用电磁阀控制，在柴油机接排时延迟3s关闭（时间根据实船调整）。

4.1.2 柴油机具体安装

如图2，件号1管接头（GB/T3737-2008-S40）1件/机，件号2金属软管DN25（L=1000）1件/机。外部气源由L101进入。

4.2 降低柴油机接排转速

由于燃油齿条限制线为阶梯线，为不影响高负荷供油量，将齿条格数限值设定为6（若设定为5，柴油机高负荷运行时会出现加载困难现象）。齿条格数限值设定为6后，柴油机接排转速由450r/min降至430r/min。由于PA6型柴油机的冷却、润滑、供油系统的介质压力均由机带齿轮泵提供，转速降低可能造成各系统流体压力低于规定要求。柴油机内流体依靠机带齿轮泵提供压力的有燃油、滑油、冷却水（高温淡水及低温海水）。

燃油系统实船除机带泵外配有增压泵，滑油系统除机带泵外配有预供泵，在机带泵压力低的情况下增压泵和预供泵均能提供压力补偿。即使机带泵不工作，增压泵和预供泵提供的压力也可满足柴油机低负荷运行时所需的燃油和滑油压力。因此，低负荷降速不会影响燃油系统及滑油系统压力。

柴油机低负荷下产生热量小，换热需求低，高温水泵仅需满足高温淡水正常循环即可，不需要过高压力。因此，低负荷降速不会影响高温水系统的冷却效果。

低温海水需要冷却空冷器、滑油冷却器和高温水冷却器，必须保证一定的低温冷却水量。接排转速为430r/min时，按照PA6型柴油机外特性线边界可知，滑油冷却温差Δt约为8-12℃，滑油泵流量约为47.5m3/h，此时滑油冷却器所需冷却水量约为37.8m3/h。空冷器所需冷却水量约为27.5m3/h。低负荷时高温水所需的热交换量很小，因此高温水冷却器所需的低温水流量几乎可以忽略不计。低温海水泵此时最大流量为50m3/h，要保证柴油机在450r/min能够加负荷运行，必须提供流量≥15.3m3/h的备用泵为机带低温海水泵补偿压力。实船机带低温海水泵的备用泵流量为20m3/h，满足压力补偿需求。

综上，将齿条格数限值设定为6，接排转速降为430r/min，负荷降低至6.0%，各系统不会因为转速下降而造成流体压力不足。

4.3 改进柴油机接排程序

将柴油机接排转速和进一/退一转速设为两个不同值，一方面降低柴油机突加负荷值，另一方面保障柴油机在进一/退一工况可靠运行。

5  结论

对上述方案进行实船验证：

①通过降低柴油机接排转速和修改柴油机接排程序，减少了接排时的缸内进气量需求;

②在柴油机进气管处引入一路助喷空气，补偿增压器响应迟滞造成的进气量不足。

方案实施后，柴油机接排缸内进气量充足，柴油与空气充分混合燃烧，冒黑烟现象得到解决。对于国内不具备高压共轨和增压器助喷技术的大功率柴油机，该方案成熟可靠，具有推广意义。

参考文献：

[1]周成尧，等.重型柴油机两级涡轮增压技术研究和探讨[J].内燃机，2011，12（6）：14-17.

[2]陈三昧，等.柴油机电控高压共轨喷射系统[J].内燃机， 2006，12（6）：18-20.

[3]任欢，等.涡轮增压器与柴油机的匹配分析[J].汽车工程， 2013，10（3）：40-42.