可變氣門定時（VIC）與增壓器改造對低負荷下柴油機的性能的改善

朱躍

（中海油田服務股份有限公司裝備管理部，北京，101149）

0 引言

深水半潛式鉆井平臺的動力系統采用的是四沖程中速柴油機，在正常鉆井作業中平臺采取的是動力定位。動力定位系統必須把平臺固定在保證安全的區域內作業才可 以 正 常 進 行。根據 WSOG（Well Specific Operational Guidelines）對主配電板的負荷要求是小于40%。因此正常鉆井作業中深水動力定位鉆井平臺要求柴油機的負荷小于40%額定負荷，長期低負荷運轉造成柴油機排氣溫度高、熱負荷高，廢氣中NOx含量高。而對柴油機系統進行VIC及增壓器改造后，通過增加氣缸燃燒室內進氣量，氣缸內燃料的燃燒更加充分，提升柴油機負荷性能、減少柴油機在低負荷（小于50%）時的排放的廢氣量、降低柴油機熱負荷，從而可以降低機器故障率，減少柴油機廢氣中含有的NOx對大氣污染。使排放標準符合IMO MARPOL73/78公約附錄Ⅵ《防止船舶造成的空氣污染規則》及其附件《船用柴油機氮氧化物排放控制技術規則》。

1 柴油機在長期低負荷下運轉的危害

由于柴油機在生產制造階段并未考慮柴油機的使用場所，都是按照標定工況條件進行生產的，這就造成了如果柴油機長期運行在低負荷（低于50%）時，燃燒室溫度太低以致于燃油不能完全燃燒，從而引起在噴油器噴孔以及活塞環周圍形成積炭并引起氣門粘連。也會造成柴油機廢氣排氣溫度較高，接近甚至超過標定工況時的排氣溫度值。燃油消耗率亦略有上升。同時柴油機長期在低負荷運行還存在以下五大危害：

（1）上竄至氣缸的一部分機油參與燃燒，一部分機油不能完全燃燒，在氣門、進氣道、活塞頂、活塞環等處形成積炭，還有一部分則隨排氣排出。這樣，汽缸套排氣道內就會逐步積聚機油，也會形成積炭；

（2）增壓器的增壓室內機油積聚到一定程度，就會從增壓器的結合面處滲漏出；

（3）活塞-缸套密封不好，機油上竄，進入燃燒室燃燒，排氣冒藍煙；

（4）對于增壓式柴油機，由于低載、空載，增壓壓力低，容易導致增壓器油封（非接觸式）的密封效果下降，機油竄入增壓室，隨同進氣進入氣缸；

（5）長期小負荷運行，將會更嚴重的導致運動部件磨損加劇，發動機燃燒環境惡化等導致大修期提前的后果。因此，國外柴油機制造廠商無論對自然吸氣型還是增壓機型的使用都強調應盡量減少低載/空載運行時間，并規定最小負荷不能低于機組額定功率的25%-30%［1］。

2 可變進氣閥門關閉VIC正時原理

柴油機在低負荷時的VIC工作原理：閥門頂桿和推桿之間存在一個液壓腔室，通過控制流入和流出預先設定的液壓腔室的油量來控制進氣閥門打開和關閉正時時間。當柴油機運行在低負荷時<50%，VIC被激活，系統滑油通過電磁控制閥門到達預先設定的腔室內，相當于增加了閥門頂桿的長度，造成進氣閥門在上止點前提前打開角增大，下止點后關閉角也增大，延遲了關閉進氣閥門關閉時間，增加了氣缸燃燒室內進氣量，使燃燒過量空氣系數達到額定的要求，從而達到：降低進氣壓縮溫度和燃燒后的排氣溫度，同時減少廢氣排量，廢氣中有害器氣的NOx的排量減少約30%。

控制進氣閥桿運動的液壓油為系統的滑油。這樣的設計可以減少引入其它動力源，減少投資成本，同時使用同一種型號的滑油，可以避免對柴油機系統滑油的污染。

3 可變進氣閥門關閉VIC正時應用效果

柴油機在安裝VIC后進行了測試，將測試結果與改造之前進行了比較，特別是主機各缸的排氣溫度，在低負荷運轉下（<50%）VIC和增壓器同時起到改善部分負荷下燃燒性能的作用，很明顯的對比是柴油機負荷在28%時排氣溫度較VIC改造前低了將近60℃，在42%下負荷排氣溫度低于VIC改造之前57℃。對柴油機在部分負荷下的熱負荷有非常大的改善。氣缸內的燃油經過更充分的燃燒從而減少廢氣排量，特別是廢氣中有害氣體NOx的排量，減少約30%,從而減少對大氣的污染，使柴油機的廢氣排放標準值滿足國際防止空氣污染公約-IMO MARPOL73/78公約附錄Ⅵ。

圖1 標準米勒正時圖 圖2 VIC正時圖

表1 瓦錫蘭12V32型柴油機氣門正時時間

表2 不同負荷下柴油機氣缸排氣溫度對比

4 增壓器改造對柴油機熱負荷的影響

柴油機一般增壓方式為定壓增壓器，定壓渦輪增壓在部分負荷運行時性能較差，在進行增壓器改造之前鉆井平臺柴油機使用的是Napier 297型增壓器，此增壓器廢氣渦輪采用的軸向進氣推動廢氣渦輪旋轉，增壓器的轉速相對徑向進氣的廢氣渦輪轉速要低，在高負荷運轉時主機的燃燒性能不受影響，但是在低負荷（<50%）時，進氣的增壓壓力偏低，使過量空氣系數低于全負荷時的過量空氣系數，同樣造成氣缸出口的排氣溫度升高，使柴油機機件的熱負荷增加，縮短柴油機機件使用壽命。

本次為了改善柴油機長時間運轉在低負荷下的性能，特別是降低部分負荷下柴油機的熱負荷，選擇了在低負荷有較高轉速和進氣增壓壓力的ABB生產的TPS61-F33，從而提高柴油機在低負荷時的過量空氣系數。改善低負荷下燃燒質量和性能。ABB TPS61-F33增壓器具有以下特點：全負荷壓力比可以達到5.2，高渦輪性能，非常高的部分負載效率，壓氣端為：三級徑向高壓壓縮鋁制壓縮葉輪，質量更輕，速度更高；廢氣端：采用增加流量高效混合式渦輪；增壓器同時擁有高度緊湊的設計。

在增壓器進行改造之后，通過對各缸排溫對比發現：在75%負荷時（此時VIC已經不起作用）改造之后的柴油機各缸排氣溫度較改造之前平均減少20℃。降低燃燒溫度是降低廢氣中有害氣體NOx的必要條件，此次增壓器改造降低了各缸的燃燒溫度，從而降低了廢氣中NOx的排放與顆粒的生成。從表3可以看出柴油在不同負荷下廢氣中的NOx排放值均降低。明顯減少了廢氣中污染物的排放。

表3 增壓器改造后不同負荷下各參數對比

5 結論

本次鉆井平臺柴油機進行了VIC及增壓器的改造，通過改造后的不同負荷下各參數的對比，特別是VIC改造，明顯改善了部分負荷時的負荷性能，使柴油機各缸排氣溫度在低負荷下顯著下降，降低了柴油機的熱負荷，使柴油機機件工作在最佳狀態，延長了柴油機的使用壽命，通過增壓器的改造改善了柴油機在不同負荷下的燃燒性能，不僅降低了不同負載情況下的各缸排氣溫度，而且減少了主機廢氣中有害氣體對空氣的污染。使排放標準更加符合IMO MARPOL73/78公約附錄Ⅵ《防止船舶造成的空氣污染規則》及其附件《船用柴油機氮氧化物排放控制技術規則》。并重新取得了EIAPP（Engine International Air Pollution Prevention Certificate）證書。