8L20/27主機加速時冒黑煙原因分析和處理方法

陳文光，伊富春

(交通運輸部東海航海保障中心 廈門航標處，福建 廈門 361012)

8L20/27主機加速時冒黑煙原因分析和處理方法

陳文光，伊富春

(交通運輸部東海航海保障中心 廈門航標處，福建 廈門 361012)

文章分析了某船2臺MAN-CXZ-8L20/27主機加速時冒黑煙的故障原因，是增壓器工作效率跟不上及加速時燃燒空氣供應不足導致的，后將原柴油機定壓增壓系統改造為MPC增壓系統，同時系統加裝了3級補氣裝置，排除了故障，縮短了主機的加速時間，提高了船舶的機動性能。

船舶主機；黑煙；故障原因；增壓系統；補氣

某船上配置2臺MAN-CXZ-8L20/27主機，為上海新中動力機廠生產的20/27系列產品，是上世紀80年代初引進。由于受當時技術所限，20/27系列柴油機，都不同程度存在同樣的技術缺陷，即低速和加速運行時冒黑煙現象，甚至濃煙滾滾，一直難以解決，給大氣環境造成了嚴重污染。

1 主機冒黑煙的故障分析

由于柴油機形成混合氣的時間短，又燃燒非均質混合氣，所以燃燒室缸內情況異常復雜。有的區域只有空氣或過稀的混合氣，有的區域則是過濃混合氣，而且由于燃燒和噴油重疊，有的區域會有未蒸發完的油滴。

因此，缸內空氣和燃油混合不均勻，噴入汽缸的柴油受到高溫燃油氣的包圍，一部分裂解、聚合形成碳粒，碳粒能夠在燃燒中遇到氧而完全燃燒，但如果缸內缺氧，則碳粒不能被燒完而隨廢氣排出，形成了碳煙，即形成排氣冒黑煙的現象。要想盡可能保證燃油完全燃燒，柴油機的過量空氣系數應該保持在1.3左右。

MAN-CXZ-8L20/27柴油機采用定壓增壓系統，各缸共用1根較大容積的排氣管，排氣管內的壓力基本保持恒定，大小僅與負荷有關系。定壓系統的優點是掃氣干擾小，泵氣功損失小，不同缸數的柴油機的增壓系統可以統一進行設計。但定壓增壓系統的缺點也比較明顯，其對排氣脈沖能量的利用率較低、掃氣量少和低工況性能及加速性能較差，就是在快速加速的初期，增壓器供氣率滯后于供油率的增加，造成供氣量不足，排氣煙度急劇惡化，產生大量黑煙。

實船工作中在標定轉速下運轉時情況良好，只有在低速運行和加速時才出現嚴重的冒黑煙現象，因此判斷主要是由于增壓器工作效率跟不上，以及加速時燃燒空氣供應不足所導致。

2 處理方法

如果把MAN-CXZ-8L20/27柴油機作為發電柴油機使用，它絕大部分時間都將在標定轉速下運轉，冒黑煙只是在從啟動到穩定運行的很短時間內，則對冒黑煙故障可不考慮。但當它在某船上作為主機使用時，由于航標船工作的特殊性，經常需要處于急加速、急減速的變工況工作狀態，頻繁地變工況就使其冒黑煙現象成為常態，不僅浪費資源污染環境，而且使柴油機性能受到很大影響。因此對該柴油機進行技術改進，消除冒黑煙故障，對海事系統節能減排工作的開展具有重大的意義。

針對廢氣渦輪增壓器對于柴油機突然加速的響應滯后，進入汽缸中的空氣量跟不上油量的變化速率，造成冒黑煙故障這一問題。某船主機在進船廠改造時，根據計算和仿真結果，對原柴油機增壓器的等壓增壓系統進行了改進，改為“模件式脈沖轉換系統”(MPC增壓系統)；新增3級補氣裝置1套；對柴油機排氣管、增壓器的進排氣蝸殼、凸輪軸進行重新設計匹配，對補氣裝置進行合理設計安裝。

2.1 改裝MPC增壓系統

MPC增壓系統利用1根較細的排氣總管，使從排氣支管來的脈沖能在斜向喉口中變為動能，并在排氣總管中部分保存下來，在渦輪中加以利用，從而提高排氣能量的利用率。這是由于提高了廢氣能量的傳遞效率，減小了排氣總管中的壓力波動，使渦輪效率提高，并可防止反射波對排氣的干涉。

一般采用MPC增壓系統后，柴油機的低負荷性能有改善，但在高負荷時燃油消耗率比定壓系統時高，為此還需從調整配氣正時方面進行研究。經過優化，MPC增壓系統的瞬態和穩態都比原定壓系統要好。試驗結果顯示在整個運行范圍內，增壓壓力均明顯高于定壓系統，燃燒最大爆發壓力提高，排溫及煙度降低，這說明汽缸充氣量增多，改善了缸內燃燒。

瞬態特性試驗中從445 r/min、98 kW突加速加載至811 r/min、311 kW，MPC增壓系統在沒有油位限止時為7.5 s，而在定壓系統時需11 s，有了很大改善，與原定壓系統加裝加速補氣裝置后的加速性能已較接近，對瞬態特性的改進提高是滿意的。而且在穩態特性試驗中也得到了滿意的結果，高負荷時燃油消耗率比定壓系統還有所降低。

2.2 加裝補氣裝置

為解決冒黑煙的問題，給發動機補氣是一個可行的辦法。根據船舶具體情況，一般有以下3種補氣方案：① 對進氣系統補氣；②對排氣系統補氣；③向壓氣機葉片切向噴射高壓空氣。

在進氣系統補氣可選擇增壓器壓氣機前串聯鼓風機或者是空氣中冷器后并聯鼓風機，這2個方案均可以直接增大進入汽缸的空氣量，但是在切換、并車等方面存在較大的難度，不確定因素是容易引起壓氣機喘振。對排氣系統補氣也可達到提高壓氣機轉速，從而提高掃氣壓力的目的，這是一種間接的補氣方法，從補氣開始到掃氣壓力改變需要較長時間。因此，選擇向壓氣機葉片切向噴射高壓空氣的方法。這一方法是在壓氣機蓋上均勻安裝多個噴嘴，使壓縮空氣以切線方向沖向壓氣機葉輪或者從增壓器噴嘴噴入壓縮空氣，可加快壓氣機轉速，增大進氣量。另一方面噴入的壓縮空氣也彌補了部分空氣不足，達到快速提高掃氣壓力的目的。

為滿足船舶對加速性能和加速時排氣煙色所提出的更高要求，根據實船運行時主機的工況設定了最佳補氣點(開始補氣的轉速)和補氣次數(本船主機從接排到全速可補3次)。

設計安裝的補氣裝置經過驗證具有如下特點。

1)縮短主機加速時間，原來從低速加到全速不補氣時需20多秒，補氣后需10 s左右，縮短約一半時間，有效地提高船舶的機動性能。

2)明顯改善主機突然加速時冒黑煙的情況。

3)整套裝置結構簡單，設計合理，能在加速時自動補氣，操作方便，效果明顯。

4)耗氣量省，每補一次約耗氣400～500 L。

5)補氣裝置與MPC增壓系統相結合，使MAN-CXZ-8L20/27柴油機做主機時的性能更加令用戶滿意。

3 結束語

技術改造結果表明，通過將某船上2臺MAN-CXZ-8L20/27主機的定壓增壓系統改裝為MPC增壓系統并加裝補氣裝置以后，柴油機快速增加負荷的性能顯著提高，耗能大、冒黑煙的現象得到徹底的解決，從而也明顯提高了船舶的機動性。

In this paper,the failure reason of exhausted black smoke is analyzed when the two marine engines MAN-CXZ-8L 20/27 are accelerated.Poor working efficiency from the turbocharger can' t meet the need of combustion air when ME accelerated.Then the original constant pressure charging system of the diesel engine is converted into the MPC pressure charging system,equipping with the triple air supply device at the same time,which can not only remove the fault but shorten the acceleration time of ME,improving the performance of ship maneuvering.

marine diesel engine;black smoke;failure reason;pressure charging system;air supply

陳文光(1970-)，男，福建莆田人，輪機長，船舶中級，大學本科，主要從事海洋船舶輪機工程和航海保障裝備管理工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.03.012

2016-08-23