可变气门定时（VIC）与增压器改造对低负荷下柴油机的性能的改善

朱跃

（中海油田服务股份有限公司装备管理部，北京，101149）

0 引言

深水半潜式钻井平台的动力系统采用的是四冲程中速柴油机，在正常钻井作业中平台采取的是动力定位。动力定位系统必须把平台固定在保证安全的区域内作业才可 以 正 常 进 行。根据 WSOG（Well Specific Operational Guidelines）对主配电板的负荷要求是小于40%。因此正常钻井作业中深水动力定位钻井平台要求柴油机的负荷小于40%额定负荷，长期低负荷运转造成柴油机排气温度高、热负荷高，废气中NOx含量高。而对柴油机系统进行VIC及增压器改造后，通过增加气缸燃烧室内进气量，气缸内燃料的燃烧更加充分，提升柴油机负荷性能、减少柴油机在低负荷（小于50%）时的排放的废气量、降低柴油机热负荷，从而可以降低机器故障率，减少柴油机废气中含有的NOx对大气污染。使排放标准符合IMO MARPOL73/78公约附录Ⅵ《防止船舶造成的空气污染规则》及其附件《船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则》。

1 柴油机在长期低负荷下运转的危害

由于柴油机在生产制造阶段并未考虑柴油机的使用场所，都是按照标定工况条件进行生产的，这就造成了如果柴油机长期运行在低负荷（低于50%）时，燃烧室温度太低以致于燃油不能完全燃烧，从而引起在喷油器喷孔以及活塞环周围形成积炭并引起气门粘连。也会造成柴油机废气排气温度较高，接近甚至超过标定工况时的排气温度值。燃油消耗率亦略有上升。同时柴油机长期在低负荷运行还存在以下五大危害：

（1）上窜至气缸的一部分机油参与燃烧，一部分机油不能完全燃烧，在气门、进气道、活塞顶、活塞环等处形成积炭，还有一部分则随排气排出。这样，汽缸套排气道内就会逐步积聚机油，也会形成积炭；

（2）增压器的增压室内机油积聚到一定程度，就会从增压器的结合面处渗漏出；

（3）活塞-缸套密封不好，机油上窜，进入燃烧室燃烧，排气冒蓝烟；

（4）对于增压式柴油机，由于低载、空载，增压压力低，容易导致增压器油封（非接触式）的密封效果下降，机油窜入增压室，随同进气进入气缸；

（5）长期小负荷运行，将会更严重的导致运动部件磨损加剧，发动机燃烧环境恶化等导致大修期提前的后果。因此，国外柴油机制造厂商无论对自然吸气型还是增压机型的使用都强调应尽量减少低载/空载运行时间，并规定最小负荷不能低于机组额定功率的25%-30%［1］。

2 可变进气阀门关闭VIC正时原理

柴油机在低负荷时的VIC工作原理：阀门顶杆和推杆之间存在一个液压腔室，通过控制流入和流出预先设定的液压腔室的油量来控制进气阀门打开和关闭正时时间。当柴油机运行在低负荷时<50%，VIC被激活，系统滑油通过电磁控制阀门到达预先设定的腔室内，相当于增加了阀门顶杆的长度，造成进气阀门在上止点前提前打开角增大，下止点后关闭角也增大，延迟了关闭进气阀门关闭时间，增加了气缸燃烧室内进气量，使燃烧过量空气系数达到额定的要求，从而达到：降低进气压缩温度和燃烧后的排气温度，同时减少废气排量，废气中有害器气的NOx的排量减少约30%。

控制进气阀杆运动的液压油为系统的滑油。这样的设计可以减少引入其它动力源，减少投资成本，同时使用同一种型号的滑油，可以避免对柴油机系统滑油的污染。

3 可变进气阀门关闭VIC正时应用效果

柴油机在安装VIC后进行了测试，将测试结果与改造之前进行了比较，特别是主机各缸的排气温度，在低负荷运转下（<50%）VIC和增压器同时起到改善部分负荷下燃烧性能的作用，很明显的对比是柴油机负荷在28%时排气温度较VIC改造前低了将近60℃，在42%下负荷排气温度低于VIC改造之前57℃。对柴油机在部分负荷下的热负荷有非常大的改善。气缸内的燃油经过更充分的燃烧从而减少废气排量，特别是废气中有害气体NOx的排量，减少约30%,从而减少对大气的污染，使柴油机的废气排放标准值满足国际防止空气污染公约-IMO MARPOL73/78公约附录Ⅵ。

图1 标准米勒正时图 图2 VIC正时图

表1 瓦锡兰12V32型柴油机气门正时时间

表2 不同负荷下柴油机气缸排气温度对比

4 增压器改造对柴油机热负荷的影响

柴油机一般增压方式为定压增压器，定压涡轮增压在部分负荷运行时性能较差，在进行增压器改造之前钻井平台柴油机使用的是Napier 297型增压器，此增压器废气涡轮采用的轴向进气推动废气涡轮旋转，增压器的转速相对径向进气的废气涡轮转速要低，在高负荷运转时主机的燃烧性能不受影响，但是在低负荷（<50%）时，进气的增压压力偏低，使过量空气系数低于全负荷时的过量空气系数，同样造成气缸出口的排气温度升高，使柴油机机件的热负荷增加，缩短柴油机机件使用寿命。

本次为了改善柴油机长时间运转在低负荷下的性能，特别是降低部分负荷下柴油机的热负荷，选择了在低负荷有较高转速和进气增压压力的ABB生产的TPS61-F33，从而提高柴油机在低负荷时的过量空气系数。改善低负荷下燃烧质量和性能。ABB TPS61-F33增压器具有以下特点：全负荷压力比可以达到5.2，高涡轮性能，非常高的部分负载效率，压气端为：三级径向高压压缩铝制压缩叶轮，质量更轻，速度更高；废气端：采用增加流量高效混合式涡轮；增压器同时拥有高度紧凑的设计。

在增压器进行改造之后，通过对各缸排温对比发现：在75%负荷时（此时VIC已经不起作用）改造之后的柴油机各缸排气温度较改造之前平均减少20℃。降低燃烧温度是降低废气中有害气体NOx的必要条件，此次增压器改造降低了各缸的燃烧温度，从而降低了废气中NOx的排放与颗粒的生成。从表3可以看出柴油在不同负荷下废气中的NOx排放值均降低。明显减少了废气中污染物的排放。

表3 增压器改造后不同负荷下各参数对比

5 结论

本次钻井平台柴油机进行了VIC及增压器的改造，通过改造后的不同负荷下各参数的对比，特别是VIC改造，明显改善了部分负荷时的负荷性能，使柴油机各缸排气温度在低负荷下显著下降，降低了柴油机的热负荷，使柴油机机件工作在最佳状态，延长了柴油机的使用寿命，通过增压器的改造改善了柴油机在不同负荷下的燃烧性能，不仅降低了不同负载情况下的各缸排气温度，而且减少了主机废气中有害气体对空气的污染。使排放标准更加符合IMO MARPOL73/78公约附录Ⅵ《防止船舶造成的空气污染规则》及其附件《船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则》。并重新取得了EIAPP（Engine International Air Pollution Prevention Certificate）证书。