遠洋船舶主機低負荷下燃燒工況優化研究

董慶豐，張志剛，鹿 佳，葛 權

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

0 引 言

本文研究以某特種船舶為樣本，該船采用瓦錫蘭8L46C型中速四沖程柴油機作為主機，配以減速齒輪箱以及液壓調距槳作為其主推進裝置，該船在執行特種任務時主機會長時間低負荷運行，導致主機燃燒性能的惡化，這樣就造成主機在低負荷運行時，常常出現單缸不發火等現象，在長時間低速低負荷運行后，改為全速航行時，經常出現排溫偏高或單缸排溫偏高報警，造成主機自動降負荷。雖然已經采取相應措施，但這僅僅解決了表面問題，沒有從根本上解決，長此以往，將會對設備的安全可靠性造成影響。本文通過對柴油機燃燒性能惡化的分析，提出了主機采用定速模式的優化措施，通過數學模型對其進行驗證，并將其應用于該船。

1 柴油機燃燒性能惡化分析

1）影響噴油器的性能

長期低負荷運轉，燃燒不良，直接影響噴油器的性能，造成噴油器噴孔積碳堵塞，使得燃油霧化質量變差，從而使燃燒性能逐漸惡劣，惡劣的燃燒性能更加速了噴油器噴嘴的積碳堵塞，嚴重者更會造成噴油嘴的斷裂。

2）引起主機振動不均

長期低負荷運行，會造成各氣缸的燃燒不均衡，特別是在低負荷下，出現個別氣缸不發火的情況，使得各缸的燃燒爆炸壓力處于一個極度不平衡的狀態，使整個柴油機的振動更加劇烈，進而影響柴油機的可靠運行。

3）影響船舶正常航行計劃

主機燃燒工況惡化后，柴油機后燃嚴重，平均排溫偏高，柴油機自動報警降負荷運行，造成船舶航速達不到要求，如果造成噴油器嚴重堵塞或者油嘴斷裂等故障，還必須停機檢修，會嚴重影響正常的航行計劃。

2 柴油機數學模型的建立

柴油機工作過程的仿真，一般是運用微分方程來反應柴油機的工作過程，之后運用計算機來求解方程，最終求出柴油機各參數隨運行時間（或曲軸轉角）的變化規律。本文采用2種模型，一是平均值模型，其把柴油機工作過程分為柴油機、中冷器、掃氣箱、排氣管、增壓器、調速機構等幾個獨立的單元，該模型仿真速度較快、精度較高，但是卻無法反應氣缸內的工作過程。二是容積法模型，其用來反應氣缸的動態過程，將氣缸的動態過程分為壓縮過程、燃燒過程、膨脹過程、排氣過程、進氣過程5個階段。最后通過開環控制，將2種模型結合起來，以此來動態反應出整個柴油機的工作過程。

2.1 平均值模型

該模型將柴油機劃分為如圖1所示的幾個相對獨立的控制單元，其結構和工作原理如圖1所示。廢氣渦輪增壓器將空氣壓縮送入中冷器，冷卻后進入掃氣箱，掃氣箱內壓縮冷卻后的空氣和燃油進去氣缸在缸內燃燒，發出扭矩，在產生廢氣進去排氣管，最后通過增壓器排到大氣中。這里根據質量和能量守恒定律及理想氣體狀態方程建立各模塊的數學模型。

采用Matlab中的Simulink模塊編制仿真程序，編制柴油機模塊、螺旋槳模塊、轉速設定模塊和調速器模塊，由這幾個模塊組成整體模型，其中環境條件以及柴油機的各參數通過柴油機模塊的參數界面輸入。如圖2上部（除陰影部分）所示為柴油機模塊，其中需要輸入負載轉動慣量Jl，柴油機負載轉矩Tl，單缸循環供油量m，掃氣箱壓力pim，可輸出主機轉速ne，排氣管壓力pem，透平轉速ntc等參數。

圖1 柴油機工作原理圖Fig.1 Working principle of diesel engine

圖2 主機工作過程模型Fig.2 Working process model of diesel engine

2.2 容積法模型

將柴油機的每個獨立控制單元都作為一個獨立的控制容積，它們之間通過氣體和能量流動關聯起來。本文簡單介紹氣缸工作過程，其中假設缸內工質為理想氣體，缸內各處的工質成分、壓力和溫度都相同。這樣，采用能量守恒方程、質量守恒方程和氣體狀態方程關聯起來，得到氣缸內工作過程的基本數學模型。

2.3 氣缸工作過程基本方程

2.4 氣缸工作容積

這里將曲柄在上死點位置定義為φ=0，氣缸工作容積的變化規律表示為：

氣缸容積的變化率表示為：

本文的柴油機為高速四沖程柴油機，這里通過編寫程序將氣缸工作過程劃分為壓縮過程、燃燒過程、膨脹過程、排氣過程、進氣過程5個模塊，仿真時根據曲軸轉角和定時依次調用這5個模塊來完成仿真。氣缸內在不同階段，模型的方程表現形式也不同。

3 綜合模型及其仿真結果

平均值模型和容積法模型各自采用時間和曲軸轉角為自變量建立方程，所以需要將角度域轉換到時間域才能將2個模型結合起來。

如圖2所示，將平均值模型的仿真輸出量（進氣壓力pim，進氣溫度Tim，輸入單缸循環供油量m，排氣壓力pe、主機轉速ne）作為容積法模型（氣缸動態工作過程）的輸入量，合理的仿真出整個柴油機的工作過程。

該船主機類型為瓦錫蘭8L46C型四沖程柴油機，額定輸出功率為 8 400 kW，額定轉速 500 r/min，氣缸直徑460 mm，活塞行程580 mm，平均有效壓力為2.61 MPa。表1為該船主機各參數的實測值以及利用模型計算出來的參數對比。通過觀察可以發現仿真計算出來的結果與實際的測量結果相差不大，在額定工況下的最大爆發壓力和輸出功率幾乎沒有誤差，其他負荷下的誤差也都在10%以內，符合工程需要。

表1 仿真結果與實測數據對比表Tab.1 The simulation results are compared to the measured data

4 柴油機燃燒工況分析

目前該船的航行工況可以分為2種，一是額定轉速滿負荷的航行工況；二是低速低負荷的任務工況。第1種工況主機處于額定工況，各運行參數良好，氣缸的燃燒情況比較好；第2種工況，主機輸出功率大概保持在 2 100 kW，轉速在 350 r/min，負荷處于25%左右，長時間在此種工況下運行，對柴油機有較大的影響，為改進此種情況，利用仿真模型計算主機在額定轉速，負荷在25%時，主機各系統的參數，并與任務工況下主機聯控模式的各參數進行對比，為了方便下文說明，將仿真模型計算的工況稱為定速模式（見表2）。

表2 主機在兩種工況下的參數對比表Tab.2 The parameter comparison of diesel engine in two conditions

表2中定速模式最大爆發壓力為單缸壓力，低負荷工況的最大爆發壓力是各缸的平均壓力，表2可以看出，定速模式下與聯控模式的負荷與輸出功率一致，這樣就滿足了該船在任務期間的動力需求，同時平均排溫下降了40 ℃左右，可以有效避免或減少排溫過高的現象，同時單缸的最大爆發壓力也要低于聯控模式，有效地改善氣缸的燃燒狀態。因此當采用定速模式時，主機的燃燒工況明顯要好于聯控模式。

5 柴油機燃燒工況優化措施及結果

當主機處于低負荷時，若將轉速設定在額定轉速，主機的燃燒工況比較良好，有利于設備在低負荷下長時間運行。

該船主機的系統控制是通過集控室的PCU（Propeller Control Unit）控制箱實現，主機各傳感器將信號送到PCU內，PCU通過內部的PLC實現主機的啟動、報警、停車、安保等功能。定速裝置直接連接到PCU中，并將定速模式的控制程序導入PLC中，實現定速功能。定速裝置通過調節供油量自動調節主機的轉速，使其固定在設定值上，通過調節螺旋槳的槳距來改變主機的輸出功率和負荷。表3和表4是該船在低負荷下采用定速模式和聯控模式時左右主機各參數的對比表。

由表可以看出，在定速模式下主機的排溫明顯低于聯控模式，增壓器的轉速卻有所提升，同時，可以發現在定速模式下，設定的轉速提高時，排溫有所降低，增壓器轉速有所提高。這充分說明了定速模式可以改善主機氣缸內的燃燒工況，提高主機的燃燒性能。

表3 左主機參數對比表Tab.3 The parameter comparison of port side diesel engine

表4 右主機參數對比表Tab.4 The parameter comparison of starboard side diesel engine

6 結 語

本文針對某特種船舶在低負荷下主機燃燒工況惡劣的情況，進行分析并提出定速模式的優化措施，運用數學模型進行分析，最后在實際中將定速裝置應用于該船，并與原模式進行對比，驗證了該船主機燃燒工況得到了一定的改善，證明了定速裝置起到了預想的效果，提高了該船主機在低負荷下的燃燒性能。

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