某船用柴油机低速性能优化.pdf

第 卷 第 期 年 月内燃机与动力装置 .收稿日期:基金项目:山东省重点研发计划项目()第一作者简介:刘锦荣()男福建上杭人工学硕士工程师主要研究方向为柴油机性能仿真:.:./.某船用柴油机低速性能优化刘锦荣段艳强朱涛王佳伦和晓锋白书战.重庆潍柴发动机有限公司技术中心重庆.山东大学能源与动力工程学院山东 济南 摘要:为解决某船用柴油机怠速合排以及急加速工况时冒黑烟问题分析涡轮增压器对柴油机低速性能的影响仿真分析柴油机低速工况进气不足原因优化配气相位并对优化后的柴油机进行台架测试和实船验证结果表明:柴油机低速工况进气不足的原因为废气倒流优化配气相位后柴油机低速工况时的充气效率提高进气量增加缸内燃烧得到改善低速合排以及急加速工况增压器的响应速度提升怠速合排以及急加速瞬间烟色显著改善怠速合排转速恢复时间缩短至 以内满足拖轮用户使用需求关键词:柴油机怠速合排配气相位优化充气效率中图分类号:.文献标志码:文章编号:()引用格式:刘锦荣段艳强朱涛等.某船用柴油机低速性能优化.内燃机与动力装置():.():.引言某匹配套沿海拖轮的柴油机试航阶段时在低转速工况齿轮箱合排以及急加速瞬间出现严重冒黑烟现象合排时转速恢复较慢进一步加载导致柴油机闷车熄火 殷伟、江志勇从进排气管路系统、进排气阀、喷油器、高压油泵系统(供油提前角、油泵供油量异常)等方面排查分析认为进排气管路堵塞、进排气阀漏气、喷油器和高压油泵偶间磨损、增压器匹配和配气相位不合理等均会引起柴油机低速合排时冒黑烟问题由于该拖轮运行时间较短经检查该柴油机的进、排气系统以及燃油系统均工作正常故解决柴油机急加速时冒黑烟和响应性较差的问题应重点从增压器匹配以及配气相位上寻找和分析原因 性能分析某匹配沿海拖轮的柴油机的主要技术参数如表 所示(表中曲轴转角均以压缩止点曲轴转角为基准)设定柴油机合排转速为发动机怠速转速(额定转速)表 柴油机主要技术参数缸数缸径/行程/额定功率/额定转速/()排气开启曲轴转角/()排气关闭曲轴转角/()进气开启曲轴转角/()进气关闭曲轴转角/()涡轮增压器通过气体管路与柴油机连接利用柴油机排气能量驱动涡轮由涡轮带动压气机工作增压器响应特性反映柴油机转速或负荷急剧变化时性能变化的适应能力齿轮箱频繁脱、合排及拖轮急加速时螺旋桨突然受到大负荷冲击柴油机转速瞬间迅速降低为了维持外界负荷和转速的平衡调速器迅速控制油门拉杆瞬间加大供油量排温升高废气能量增加驱动涡轮加速但由于压气机叶轮与转子的惯性增压器转速升高需要一定缓冲时间压气机无法迅速提供与瞬间增大的燃油量相匹配的新鲜空气 柴油机低转速、空载状态下(即齿轮箱脱排期间)涡轮增压器效率和响应速度相对较低柴油机突然加载(即齿轮箱合排或急加速)时无法快速捕获足够的新鲜空气导致缸内燃油较多、空气较少燃烧效果不好易出现冒黑烟现象转动惯量和进气腔的空气弹性缓冲作用是增压器响应滞后的主要影响因素增压器响应主要取决于增压器转动惯量和进气量转动惯量越小进气量越大增压器的响应速度越快由于该拖轮有高速航行工况的需求增压器匹配时若选择较小的压气机叶轮、扩压器或喷嘴柴油机高速、大负荷运行时存在增压器超速风险 优化配气相位也可以提高低速工况时的充气效率和缸内进气量从而改善缸内燃烧提升柴油机低速大转矩需求提高增压器的响应速度 因此本文中重点优化配气相位提高柴油机的低速性能 仿真分析.低速极限负荷工况进气不足分析该拖轮主机为采用脉冲排气系统的 缸双增压柴油机柴油机各缸发火顺序为 根据脉冲排气管布置形式不同脉冲管上各缸的发火顺序分别为 和 同一脉冲总管的 个气缸排气间隔曲轴转角为 小于排气持续角因此会引起各缸排气干扰这种干扰在低速工况时更为明显 气门重叠角期间排气管中气体压力高于气缸产生废气倒流进气充量减少影响进气充气效率影响发动机动力性和经济性 缸双增压柴油机脉冲排气系统结构示意如图 所示图 缸双增压柴油机脉冲排气系统结构示意图 原机排气质量流量曲线(低速极限工况)低速极限工况(指 额定转速时发动机功率最大的工况)排气质量流量曲线如图 所示 由图 可知:气门重叠角内排气管中废气和新鲜扫气空气的混合气排气质量流量为负即发生倒灌现象 倒灌导致缸内残余废气增加空燃比减小燃烧恶化烟度大同时扫气效果较差油耗、排温均升高.配气相位优化转速不同最佳配气相位有所不同因此改善低速工况充气效率和进气量可从优化配气相位入手配气相位 内燃机与动力装置 年 月 第 卷优化采用比例积分微分模块确定功率模式兼顾低速极限工况和额定工况的充气效率、额定工况油耗确定配气相位 配气相位对充气效率的影响如图 所示排气开启角对额定工况油耗的影响如图 所示 )排气门开启角对充气效率的影响 )气门重叠角对充气效率的影响图 配气相位对充气效率的影响图 排气开启角对额定工况油耗的影响由图 可知:排气门开启角推迟低速极限工况时的充气效率增加气门重叠角越小低速极限工况充气效率越大排气门开启角和气门重叠角的变化对额定工况下的充气效率影响较小由图 可知:排气门开启角增大额定工况下的燃油消耗率增大综合考虑低速极限工况的充气效率以及额定工况下的燃油消耗率优化配气相位优化后较优化前配气相位的变化如表 所示表 优化后配气相位较优化前变化 单位:进气门开启角进气门关闭角进气持续角排气门开启角排气门关闭角排气持续角气门重叠角 注:表示延迟表示提前.仿真结果分析图 优化前、后低速极限工况排气流量对比曲线选取低速极限工况对比优化前、后的排气质量流量和过量空气系数 优化前、后排气质量流量曲线如图 所示油耗、过量空气系数及排温对比如表 所示由图 可知:优化配气相位后低速极限工况时排气支管混合气“倒灌”明显减少由表 可知:优化后低速极限工况时缸内过量空气系数增加 、燃油消耗率降低 、排温降低 额定工况时优化前、后的缸内过量空气系数、燃油消耗率、排温基本相当表 优化前、后燃油消耗率、过量空气系数和排温对比工况燃油消耗率/()缸内过量空气系数排温/优化前优化后优化前优化后优化前优化后低速极限工况.额定工况.第 期 刘锦荣等:某船用柴油机低速性能优化 性能试验.台架试验对配气相位优化前、后的发动机开展台架试验、额定转速时发动机转矩和突加性能对比结果如表 所示表 、额定转速时转矩和突加性能对比工况极限转矩百分比/突加功率百分比/突加响应时间/优化前优化后优化前优化后优化前优化后额定转速.额定转速.由表 可知:配气相位优化后柴油机低速性能显著提升、额定转速工况点的极限转矩输出能力显著提升分别提高了 、怠速合排工况(即 额定转速工况)突加功率提升了 额定转速工况提升了 额定转速工况的转速恢复响应时间缩短了 额定转速工况的转速恢复响应时间缩短了 .实船试验.配气相位优化前测试配气相位优化前低速极限工况时合排瞬间峰值转矩为 转速恢复时间约为 合排烟度较严重烟度约为 级(林格曼黑度法)根据客户实际使用情况反馈 内 额定转速急加速至额定转速转矩由 增加至 急加速过程中持续冒黑烟前 内烟度超标.配气相位优化后测试优化后低速极限工况合排瞬间峰值转矩约为 合排烟度显著改善转速恢复时间约为 参照客户实际使用工况进行急加速试验烟色浓度显著下降冒烟时长大幅缩短至 以内 柴油机合排、急加速响应性明显改善 配气相位优化后急加速试验不同时刻烟色如图 所示 )急加速时刻为:)急加速时刻为:图 优化后急加速试验不同时刻的烟色 结论)气门重叠期间排气管中废气和扫气空气的混合气倒灌导致缸内过量空气系数不足是柴油机怠速合排和急加速过程冒黑烟、排温高的原因)适当推迟排气门开启角以及减小气门重叠角可有效减轻各排气管中废气和扫气空气的混合气倒灌提升低速工况充气效率和过量空气系数增加缸内进气量改善缸内燃烧烟色显著好转同时进气量 内燃机与动力装置 年 月 第 卷增大增压器响应更快显著提升柴油机低速合排以及急加速能力参考文献:殷伟.基于船舶柴油机冒黑烟的故障诊断的研究.广州:华南理工大学.江志勇.船舶柴油机各种非正常烟色的分析与对策.船舶物资与市场():.郑小华刘仕飞向本银.船用柴油机冒黑烟及熄火故障分析与解决方案.柴油机():.黄昕煜邱苗崔毅等.增压柴油机瞬态特性的评估方法.车用发动机():.花传杰刘民成.废气涡轮增压发动机瞬态响应特性分析.车用发动机():.朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器.北京:机械工业出版社.李文涛.基于热力学仿真的大缸径柴油机性能研究.天津:天津大学.张浩.柴油机配气系统仿真分析.济南:山东大学.胡伯宗.柴油机涡轮增压系统排气管系设计研究.上海:上海交通大学.顾宏中.柴油机工作过程.北京:国防工业出版社.刘会珍.排气歧管结构对发动机性能的影响.内燃机与动力装置():.周龙保.内燃机学.北京:机械工业出版社.李炳男崔亚男杨中华等.基于排气凸轮轴选型试验的数据分析与研究.汽车技术():.刘杨李国岫.增压柴油机配气相位的优化研究.北京汽车():.李思宇谭永进.配气相位对发动机性能的影响分析.内燃机与配件():.:.:(责任编辑:刘丽君)第 期 刘锦荣等:某船用柴油机低速性能优化