渡船主機冒黑煙故障查找及解決方法研究

潘冬良，明廷鋒，蘇永生

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

?

渡船主機冒黑煙故障查找及解決方法研究

潘冬良，明廷鋒，蘇永生

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

針對武漢市輪渡公司渡船主機冒黑煙故障無法徹底解決的難題，根據柴油主機冒黑煙的本質即“在一定轉速下，供的‘油’多了或者進的‘氣’少了所導致的燃油燃燒不完全”，對該渡船 “船-槳-機”的匹配、柴油主機的進排氣系統的分析和各缸排溫的測量等方法來查找并確定主機冒黑煙的原因并提出改進措施。通過對“船-槳-機”匹配的理論分析、實船測試等途徑的綜合判斷和研究，找到了主機冒黑煙的根源。輪渡公司根據研究成果對渡船主機的排氣管路進行改造，徹底消除了此故障。

渡船；柴油機；螺旋槳；故障診斷；船舶維修

0　引言

武漢市輪渡公司用于往返漢口武漢關和武昌中華路碼頭的5條800客位渡船(“江城1號”～“江城5號”)自投入營運后不久，主機都有不同程度的冒黑煙現象，且隨著使用時間延長冒黑煙逐漸嚴重，主機所能達到的最高轉速也逐漸降低。渡船尾部冒黑煙不但嚴重影響了渡船的公共交通形象，而且也大大降低了主機的使用壽命。根據現場勘查，冒黑煙所導致的船尾部環境很差，渡船工作人員除了完成日常營運工作外，還需要定時清潔被煙灰污染的船尾外表面，無形中增加了船員的工作量。另外，據船員和輪渡公司技術人員介紹，由于主機燃燒不充分，導致主機磨損加劇，修理期限也大大提前，造成的維修保養費用也大幅度增加。

主機冒黑煙是柴油主機工作時經常出現的一類故障，國內外專家對此也進行了相關的研究[1-3]，但此類研究主要是從機器本身或所屬設備(如噴油器、高壓泵、排氣閥、增壓器、空冷器等)去判斷。針對本文研究的對象，作者認為主機本身的故障可以排除，應該從系統的角度進行排查。通過查閱渡船的相關資料，依據渡船“船-槳-機”系統匹配的基本原理，分析柴油主機的進排氣系統等，最終找到了主機冒黑煙的原因。輪渡公司根據研究的建議對排氣管道進行了改造，徹底消除了冒黑煙的故障。

1　“船-槳-機”匹配的分析

1.1分析思路

對“船-槳-機”匹配的分析，其核心在于判斷主機是否超負荷運行而導致冒黑煙故障的產生。一般從以下3個方面進行分析：

(1)船舶阻力是否增大：查閱模型試驗時的曲線，調研實際營運時的狀態(滿載還是空載)，投入營運后是否進行船底的清理等工作。由于這5條船都是營運不久就出現了冒黑煙現象，根據快速性計算書的數據和與輪渡公司工作人員的交流，排除船舶阻力增大的可能性。

(2)螺旋槳的負載是否偏大：根據槳的敞水性能曲線判斷。渡船選用的是AU槳，設計單位直接通過圖譜選用的，沒有做槳模的實驗，所以本研究通過計算流體力學(CFD)的方法，對渡船使用的槳進行敞水性能校核。根據槳的敞水性能曲線，反推主機在設計轉速下的功率，從而根據其是否落在主機工作范圍內來進行螺旋槳負荷的判斷。

(3)主機性能是否變差：需要判斷WD615.57C03四沖程增壓柴油機進氣量是否足夠，增壓器是否出現了故障，空氣濾清器是否定期清洗等。通過現場勘查和輪渡公司之前的改進，確定艙室的進氣應該是足夠的，但空氣濾清器的清洗不是很及時，這可能是出現冒黑煙故障的一個因素。渡船是公共交通，雖然出現了冒黑煙現象，但仍然得繼續營運，所以持續地運行導致了主機的性能惡化，修理的期限會大大提前。

“船-槳-機”的合理匹配，簡單而言是指螺旋槳產生的推力克服船的阻力，而此時螺旋槳的阻力矩需要由主機的主動力矩來提供。這里有2個平衡，即力的平衡和運動的平衡，航行中的最佳匹配是指螺旋槳在某一轉速下運行時主機的工作點位于額定工作點。重載工況時，螺旋槳的“需”要大于主機的“供”，此時柴油主機有可能會出現冒黑煙。所以，對“供”、“需”進行分析和判斷是查找柴油主機冒黑煙現象的關鍵和突破口。

1.2螺旋槳敞水性能曲線

為了節省成本，縮短校核周期，更真實地反映實際槳的敞水性能，采用經過驗證了的CFD方法獲取直徑D分別為1.591 m和1.521 m 2個螺旋槳的敞水性能曲線[4]。數值計算的思路為：建立幾何模型；網格劃分；邊界條件及湍流模型選擇；最后對計算結果進行分析。渡船所采用的兩型槳敞水性能計算結果分別見表1和表2。

表1敞水性能計算結果(D=1.591 m)

表2　敞水性能計算結果(D=1.521 m)

渡船設計單位給輪渡公司提供的快速性計算書上給出了上述兩型槳在設計點處對應的敞水效率，本文將數值計算所得到的值與之比對，結果見表3。

表3　數值計算結果與快速性計算書中的數據對比

根據數值計算的結果判斷，設計單位提供的1.591 m和1.521 m 2個螺旋槳的敞水性能數據是可信的。

1.3主機功率儲備的核算

根據渡船航速計算書(錳黃銅-直徑1.591 m槳、鑄鋼-直徑1.521 m槳)以及WD615.57C03主機推進特性和外特性曲線，對該船的設計工作點進行核算。WD615.57C03主機的特性曲線圖如圖1所示。將主機推進特性和外特性曲線擬合到同一個曲線圖中，橫坐標是主機轉速，縱坐標對應的是功率，上面一條圓點線是主機的外特性曲線，下面一條方點線是主機廠推薦的螺旋槳推進特性線。

圖1　WD615.57C03主機的特性曲線圖(廠家提供)

根據相關研究，當主機轉速為1 500 r/min時，采用直接推算法得到設計點的功率儲備分別約17.9%(錳黃銅槳)、40.7%(鑄鋼槳)；采用間接計算法對錳黃銅槳所需要的主機功率按照2種方法核算分別為192.1 kW和191.8 kW，與直接推算法得到的主機功率197.9 kW相比，誤差約3%，滿足工程誤差要求，得到的功率儲備約為20.3%；同時采用間接計算法對鑄鋼槳也進行所需主機功率的核算，得到所需要的主機功率分別為134.8 kW和134.4 kW，與直接推算法得到的主機功率140.9 kW相比，誤差約4.3%，同樣在工程誤差范圍之內，得到的功率儲備約為43.9%。因此，對于該型渡船，采用目前設計和提供的兩型槳在設計轉速1 500 r/min時主機均不會超負荷。

上述研究是針對設計點的工況進行的理論計算，實際螺旋槳的收到功率到底是多少則要通過實船測試來進行檢驗，從而判斷“船-槳-機”在設計點的匹配是否合適。下面的研究就是通過實船的測試來得到螺旋槳輸入軸的功率，再進行主機輸出功率的推算。本文選用的測試船只為“江城3號”和“江城5號”。

1.4螺旋槳輸入軸功率的測量

測試設備選用了東華測試的DH5905無線遙測應變采集器。DH5905采用WiFi無線通訊方式與計算機通訊，能夠可靠傳送測試數據，對螺旋槳輸入軸的力矩、轉速、軸功率等參量完成信號的適調、采集及無線傳送至計算機進行實時顯示、存儲和處理。通過測得的驅動轉軸應變量來計算得到力矩，利用光電轉速傳感器實時測量轉軸的轉速，從而換算到軸功率。具體的測量方法見文獻[5]，得到的測試數據分別見表4和表5。

表4　“江城3號”軸功率的測量數據

表5　“江城5號”軸功率的測量數據

從表4和表5得知，“江城3號”對應的轉速下得到的軸功率要略小于“江城5號”，這是因為“江城5號”上方有一大廣告牌，相同航速時，渡船的阻力稍大；或者說在相同主機轉速下，渡船的航速要略低。對應于螺旋槳而言，轉速相同時，由于來流的速度變小，槳葉上對應的來流攻角變大，主機需要克服的阻力矩變大，即軸功率要稍大。

如果考慮中間軸和艉軸的軸系損失，實際螺旋槳的收到功率要比上述測得的值要小，而考慮柴油主機到測試軸以及齒輪箱的傳遞損失，按照3%計算，此時對應需要主機的功率“江城3號”最大為156.6 kW，“江城5號”最大為183.6 kW，與主機在最高轉速1 500 r/min下能提供的220 kW相比，均有29%和17%的功率儲備，也就是說根據螺旋槳敞水性能核算和實船推進軸軸功率的測量，該型渡船的“船-槳-機”匹配是合理的，螺旋槳負載不偏大，故不存在主機超負荷的設計因素。

2　柴油主機進排氣系統的排查

在測試的過程中，對“江城5號”(其他4條船的布置是一樣的)的排氣管路進行了現場的長度測量和彎管等部件計數。

左軸排氣管：主機艙排氣管長3.6 m+2個直角彎頭+1個中漸彎頭，中軸艙排氣管長2.6 m+1個消聲器(0.9 m)+排氣管長3.1 m，舵機艙排氣管長3.5 m，0.4 m船外向下彎尾端排氣管，總長14.1 m左右。右軸排氣管：主機艙排氣管長3.6 m+2個直角彎頭，中軸艙排氣管長5.4 m+1個上彎+消聲器(0.9 m)+排氣管長0.35 m，舵機艙排氣管長3.5 m+1個中彎+1個向下彎接頭，0.4 m船外向下彎尾端排氣管，總長14.2 m左右。

上述14 m多的長排氣管路、多彎頭以及膨脹式消聲器，必然造成較大的流動阻力和排氣背壓，致使進氣沖程終了時缸內廢氣多，新鮮空氣少，中、高負荷時油多氣少，冒黑煙是必然的。

另外，在“江城3號”勘查時，發現空氣過濾器非常臟，可能是有較長時間沒對進氣濾器進行定期清洗。由于空氣過濾器臟，使得進氣阻力就大，這又更加劇了主機工作時“新氣”不足，加重了主機冒黑煙的情況。

3　柴油主機各缸排溫的測量

考慮到現場無法進行柴油機噴油器霧化、缸內燃燒情況的檢查，為了檢驗柴油噴入氣缸后霧化和燃燒情況，采用非接觸法測量各缸排氣支管排溫來間接反映柴油機工作時各缸負荷的大小和均勻性。對“江城4號”和“江城5號”2條船的柴油主機單缸排煙管的外表面溫度進行了測量，測量裝置為VICTOR306B紅外測溫儀。測量得到的數據分別見表6和表7。其中測溫點選擇在氣缸外靠近的排氣口和對應的排氣支管，以上部和側面來表征，約定的柴油主機缸號如圖2所示。

從測試得到的情況來看，柴油主機的單缸排溫差異不大，基本滿足負荷大、排溫大和隨著排氣流向排溫逐漸增大的規律。據此判斷，柴油機各缸的霧化應該是能滿足要求的，各缸的負荷差異不大。

4　研究結果及分析

通過對渡船“船-槳-機”系統的匹配分析，柴油主機進排氣系統排查以及柴油

主機各缸排溫的測量等研究，可以得到以下研究結果：

表6　“江城4號”柴油主機單缸排溫的測量數據

表7　“江城5號”柴油主機單缸排溫的測量數據

圖2　柴油主機缸號約定關系圖

(1)根據輪渡公司提供的螺旋槳幾何模型分別對直徑為1.591 m和1.521 m的螺旋槳進行了敞水性能的數值計算。計算結果表明：設計單位提供的1.591 m和1.521 m22個螺旋槳的性能滿足要求。

(2)根據輪渡公司提供的航速計算說明書，采用直接推算法對額定工況的“船-槳-機”匹配進行了核算。結果表明：對給定的2個螺旋槳，在額定工況1 500 r/min時，主機均有一定的功率儲備，不會引起主機的超負荷。

(3)采用間接計算法對渡船設計工作點的“船-槳-機”匹配進行了分析。結果表明：用不同的計算方式得到的主機功率按照2種方法分別為192.1 kW和191.8 kW。同理，小槳(1.521 m)所需要的主機功率134.8 kW和134.4 kW。按照這種計算，主機在設計轉速下不會超負荷。

(4)對“江城3號”和“江城5號”的螺旋槳輸入軸的軸功率進行了實船測量。結果表明：由于“江城5號”的阻力稍大于“江城3號”，實測的軸功率在相同的轉速下“江城5號”大于“江城3號”，但由于經過換算在設計轉速下，主機能克服螺旋槳的旋轉阻力矩。但由于燃燒不完全，導致了柴油主機不能夠將噴入的燃料按照設計要求轉換成有用功，從而使得柴油機發出的力矩不能有效克服螺旋槳的阻力矩。

(5)對于廢氣渦輪增壓柴油機，排氣背壓對燃燒的影響非常大，一是影響廢氣的順利排出；二是影響新鮮空氣的吸入，如果兩者都受到影響，那么由于燃燒不完全造成的“冒黑煙”就自然而然出現了。

(6)通過對兩條船所有主機高負荷時各缸排氣支管的外表溫度測量，判別缸內燃油霧化燃燒和負荷不均勻性情況。結果表明無異常現象，排除了冒黑煙在這方面的誘因。

綜上所述：本研究認為，造成渡船柴油主機“冒黑煙”的主因是排氣管路太長，排氣背壓太大，因而建議對排氣管路進行改造，如縮短排氣管路的長度，增大排氣管的直徑。

據武漢市輪渡公司反饋，按照本文研究結論和相關建議，“江城5號”和“江城3號”對排氣管改造后，主機冒黑煙的現象已徹底消除。

[1]陳錫華. 船舶柴油機冒黑煙的原因分析及排除[J]. 珠江水運，2006(6)：39-41.

[2]徐建明，陳長根，黃志遠. 12VE230ZC柴油機冒黑煙原因分析及處理方法[J]. 中國修船，2009(5)：25-27，39.

[3]鄧志明，朱海慶，王瑞成. 6BT5.9康明斯柴油機冒黑煙的故障分析與排除[J]. 移動電源與車輛，2013(1)：36-38.

[4]仝博，王永生，楊瓊方，等. 渡輪螺旋槳水動力性能的數值預報[J]. 中國艦船研究，2014，9(1)：52-58.

[5]明廷濤，蘇永生，王益成，等. 基于無線遙測裝置的渡輪軸功率測量方法[J]. 兵工自動化，2015，34(3)：64-67.

2015-11-15

潘冬良(1980—)，男，工程師，研究方向為機械裝備保障技術。

U672.7

A