淺析曼恩二沖程低速柴油機調優方式與實例分析

方冬

摘 要：曼恩公司生產的二沖程低速柴油機被廣泛用于船舶中，本文首先介紹了調優方式的概述以及曼恩二沖程低速柴油機的幾種調優方式，然后對這幾種方式的油耗曲線以及排氣溫度曲線進行了探討，最后以綠色海豚型散貨船為例，分析不同調優方式的油耗以及廢氣的蒸汽量。

關鍵詞：二沖程；低速柴油機；調優方式；曼恩

中圖分類號：TK115 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）20-0084-02

船舶運行過程中需要的柴油主要是通過原油進行提煉，而原油的價格較貴，因此很多船東都比較重視船舶的航行成本。為了降低船舶航行的成本，需要降低船舶的行駛速度，同時也重視起柴油機的燃油效率。目前低速柴油機主要產自曼恩和瓦錫蘭，他們都有自己的調優方式，本文主要分析曼恩二沖程低速柴油機的調優方式。

1 柴油機調優方式

調優，主要是對內燃機的硬件以及軟件進行相應的調整，進而改變內燃機的持久性、經濟性以及功率等條件。世界上最早出現內燃機調優主要是在軍事上，第二次世界大戰中，英國的汽車和坦克的內燃機都經過了調優。船舶柴油機的調優也是對軟件和硬件進行改變的，同時調優方式的不同能夠保證不同的負荷工況下，柴油機都有較高的燃油積極性。通過調優還會改變柴油機的一些熱工參數，比如排氣量和排氣溫度，也會影響到軸系的振動激勵。

2 曼恩二沖程柴油機的主要調優方式

曼恩二沖程柴油的主要調優方式有：使用傳統效率增壓器，對柴油機的高負荷進行優化。這種方式的增壓器效率比較低，因此柴油機的油耗和排氣溫度都比較高；使用常規的高效增壓器進行高負荷調優，當柴油機處于高負荷的時候油耗最低；主機控制調優主要是通過調整來改變柴油機的噴油特性、噴油定時以及可變排氣定時等參數，這樣能夠將不同負荷狀況下柴油機的燃油效率進行調整，不需要對硬件進行改變。主機控制調優還分為低負荷優化和部分負荷優化。其中低負荷優化主要是當低于70%負荷的時候降低燃油效率，部分負荷優化是當低于85%的時候降低燃油效率；可變噴嘴環主要是改變可變噴嘴環的面積來改變增壓器的工作，使其掃氣壓力提高。一般有低負荷優化和部分負荷優化；廢氣旁通主要是在柴油機上安裝廢氣旁通設備來對增壓器進行調整，使其能夠在合適的負荷下達到最高的工作效率，這樣能夠降低油耗，其也有低負荷優化和部分負荷優化[1]。

3 不同調優方式的單位油耗以及排氣溫度

3.1 數據選擇

目前曼恩二沖程柴油機都是為了降低功率和轉速，因此選擇型號為S50ME-B9.3在低轉速情況下的某一點需要降低功率的地方進行分析，可以得出其排氣溫度曲線和單位的油耗曲線。

3.2 單位油耗對比

曼恩二沖程柴油機不同調優方式下的單位油耗曲線呈現出一些規律：傳統效率增壓器調優的油耗曲線比高負荷調優的要高。這是由于傳統效率增壓器的效率比較低，因此油耗就比較高。這種調優方式主要是以增高油耗為代價來使排氣溫度提高。當柴油機處于70%負荷下的時候，不同調優方式的油耗呈現出階梯分布的情況，其中最大的是傳統效率增壓器，然后依次是高負荷調優、部分負荷ETC調優、低負荷ETC調優、部分負荷EGB調優，最低的則是低負荷EGB調優。從這可以看出，由于EGB調優主要是選擇了小容量的增壓器，因此當負荷較低的情況下效率更高，因此能夠有效的降低油耗。而部分負荷調優的油耗小于低負荷調優的油耗。從此可以看出，增壓器的效率對油耗的影響比較大[2]。

當處于90%負荷的時候，高負荷調優的油耗最低，但是差距也不會太大。一般來說，90%負荷是柴油機持續服務功率點的極限，并且其還包括了海況儲備。因此這個區間的油耗不會被船東或者是設計師關注。而90%負荷以下，70%負荷以上的區間是所有調優方式的油耗進行高低轉換的區間，很多調優方式的臨界點都是在85%左右。這個區間對于二沖程柴油機來說是比較重要的區間，因為很多柴油機的持續負荷功率點都位于這個區間，也是船舶設計的一個關鍵指標。

3.3 排氣溫度對比

根據幾種調優方式的排氣溫度曲線可以看出：傳統效率增壓器調優的排氣溫度要高于高負荷調優以及高效增壓器。雖然排氣量比較少，但是如果排氣溫度比較高的話那么就會使廢氣側的蒸發量增加。很多柴油機的標配都是高效增壓器，但是隨著降低油耗和功率使得排氣溫度也得到了降低，這種情況下廢氣側的蒸發量就不能滿足出船舶在一些工況下航行的蒸汽需求量，因此選擇傳統的增壓器可以提高排氣溫度。這種方式會使得柴油機的油耗增加，選擇的時候需要考慮蒸發量的增加能否滿足一些工況下蒸汽量的要求。

高負荷調優和ETC調優的排氣溫度基本相同，并且都是呈現出拋物線，而最低點則在70%到80%負荷之間。一般情況下，排氣量不會有太大的變化，因此ETC調優和高負荷調優的蒸發量基本相同，這種情況下高負荷調優和低負荷調優都能夠滿足設計蒸發量的要求。兩種EGB調優的排氣溫度基本相似，并且處于80%負荷之下的時候，幾種調優方式基本類似。但是當超過80%負荷的時候，排氣溫度都呈現出快速升高的趨勢，并且在85%的時候都與傳統效率增壓器的排氣溫度基本一致。

這兩種EGB調優方式的排氣溫度的一致是曼恩工程師在設計柴油機的時候設計的，當處于較低負荷的時候，部分負荷調優的油耗要高于低負荷調優的油耗。但是由于排氣溫度一樣，根據能量守恒定律，部分負荷調優的排氣量也會大于低負荷調優的排氣量，但是當超過75%之后，這種情況又會發生變化。當處于80%負荷之下的時候，由于排氣溫度比高負荷調優要低，但是排氣量比較小，因此廢氣側的設計蒸發量就會減少。當船舶處于熱帶工況下的時候，低負荷和部分負荷需要進行油耗的優化，那么就可以選擇兩種EGB調優，但是前提條件是廢氣側的蒸發量能夠滿足船舶蒸汽的需求量。當處于80%負荷之上的時候，柴油機的排氣溫度會急劇增加，這樣80%負荷和90%負荷的蒸汽蒸發量存在著一定的差距。還有一些柴油機的CSR點在85%以上，使用這兩種EGB調優能夠得到較高的蒸發量，但是為了保證能夠得到較高的蒸發量需要保持高負荷運行，這樣就違背了這種調優方式的設計初衷。因此如果使用這種方式的時候，為了彌補蒸發量而使用燃油鍋爐的話，損失也比較大[3]。

4 實例分析

從上述排氣溫度和油耗的對比來看，并沒有最好的調優方式，選擇調優方式的時候需要考慮到船舶的蒸汽量需求以及運行工況。下文以綠色海豚型散貨船來分析如何選擇調優方式。

4.1 船舶基本參數

綠色海豚型散貨船是由上海船舶研究設計院進行設計的，其符合很多小型靈活型散貨船的特點。比如降低推進功率主要是通過優化線性，增加螺旋槳效率主要是降低轉速、增大直徑，并且使用了大缸徑的、長沖程柴油機，這樣能夠降低油耗。但是柴油機的油耗和轉速都得到了降低，這樣就使得排氣溫度也降低，帶來了一些負面的效果。

綠色海豚型散貨船的主機選擇的是5S50ME-B9.3，其合同最大連續服務功率點與L4點基本一直，而CSR點則處于SMCR的75%。船舶在ISO工況下的蒸汽消耗量為480KG/h，在冬季工況下的蒸汽消耗量為980KG/h。而鍋爐輔機側的蒸發量是180KG/h。

4.2 高負荷調優分析

高負荷調優方式下，主機廢氣側的蒸發量在300KG/H左右，而輔機則是180KG/H，這樣加起來就能夠滿足ISO工況的蒸汽量需求。同時由于在重油下運行的時候排氣溫度會升高，這樣就會需要對鍋爐的設計參數進行修整，才能夠提高蒸汽的產量。當環境的溫度對于IOS工況下的時候，鍋爐廢氣側的蒸發量就能夠滿足船舶的運行需要。

4.3 EGB部分負荷與低負荷調優

EGB部分負荷調優的CSR油耗指標比較好。對部分負荷進行優化油耗，使得設計蒸汽量大概在190KG/H，并且在常用的負荷期間也能夠保持在190KG/H，因此在ISO的時候仍熱存在蒸汽量缺口。根據鍋爐設計參數的修正方案，其在修正之后能夠滿足ISO的蒸汽量需求，但是這種方法比較冒險。如果能夠清楚的知道船舶的運行航線，比如經常在熱帶地區航行，那么就可以選擇這種調優方式，但是修正參數的時候需要船東進行授權。

4.4 ECT部分負荷和低負荷調優

ECT部分負荷和低負荷調優方式的設計蒸發量和高負荷調優的蒸發量基本相同。并且經過計算可以發現，當處于40%負荷到CSR的時候，其與高負荷調優的蒸汽產量基本相同，但是油耗會降低一些。這種情況下，由于CSR僅僅是SMCR的75%，因此高負荷調優的油耗優化體現不出來，所以相對而言ETC調優比較好[4]。

4.5 傳統效率增壓器調優

使用傳統效率增壓器調優產生的蒸汽量已經可以滿足ISO工況的要求，但是輔機的排氣不能進入到鍋爐中。如果將輔機的排氣接入鍋爐中的時候，那么產生的蒸汽量比較多，而主機則會需要消耗較多的油量，這種情況下船舶就不能夠在熱帶環境下運行。而如果船舶是處于寒帶的時候，廢氣側產生的蒸汽量也不夠，這時候就需要使用燃油鍋爐，那么接入鍋爐多產生的油耗要比使用燃油鍋爐的成本降低。因此當船舶處于寒帶的時候就可以選擇傳統效率增壓器的方式。一些船東認為寒帶運行的船只就必須得使用燃油鍋爐，并且燃油鍋爐的燃燒器也可以進行調節，同時船舶的航線也可能會發生變化，因此不需要使用傳統效率增壓器調優。

根據對綠色海豚型散貨船的調優方式分析，可以得出，即使主機的CSR點確定，選擇調優方式的時候，不僅需要考慮廢氣的蒸汽產生量以及油耗，同時還需要考慮船舶的實際運行情況。

4.6 船東的選擇

目前，綠色海豚型散貨船有很多船廠都在同時進行建造，船東數量也有十幾個，數量比較多的是歐洲船東，也有部分中國船東、泰國船東、印度船東以及日本船東等。很多船東在選擇調優方式的時候都選擇了部分負荷EGB調節，但是也有一些船東選擇了高負荷優化，這樣就可以看出很多船東更關注CSR點和低負荷的油耗情況。

5 結語

調優方式的不同能夠使不同負荷下油耗、排氣溫度等熱工參數發生變化，但是排氣溫度與油耗是相互矛盾的兩個參數。很多船舶都反映實際運行過程中的排氣溫度要高于理論的排氣溫度，產生這種情況的主要原因有柴油機自身因素、環境溫度以及油品等。所以確定鍋爐設計參數的時候要適當的修正排氣參數。船舶行業的各環節之間影響都比較大，因此設計師需要確定好合理的調優方案，然后讓船東進行選擇。

參考文獻

[1]?？恕つ凡?，郭修炎.曼恩二沖程和四沖程柴油機的發展[J].柴油機，1980，（4）：3-13+34.

[2]維.克勞涅希，彼.格列奧克，宋契敏.曼恩二沖程長行程新樣機研制成功[J].國外艦船技術：內然機類，1980，（10）：12-17.

[3]馬義平，王忠誠，時繼東，等.曼恩和瓦錫蘭船用二沖程雙燃料發動機之比較[J].船舶， 2015，26（5）：94-99.

[4]陳芬放，王雪松，韓飛.柴油機的性能優化方案探究[J].中國機械，2014，（18）：117-118.