PA6 柴油機突加負荷冒黑煙故障的原因分析和處理方法

隨著船舶行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)今船舶動力系統(tǒng)中定距槳的使用越來越少，但在某些特定情況下仍須采用定距槳形式，而主流船舶推進柴油機與定距槳匹配的相關(guān)經(jīng)驗較少。某船采用16PA6柴油機首次與定距槳匹配，突加負荷過程冒黑煙。本文在對此故障分析的基礎(chǔ)上，提出了幾種解決措施并進行實船驗證。一、故障現(xiàn)象某船主動力推進系統(tǒng)采用雙機雙槳模式，主要由柴油機、減速齒輪箱、定距槳等設(shè)備組成。柴油機型號為16PA6V-280STC，該機為四沖程、16缸、V型、廢氣渦輪增壓中速柴油機，其主要參數(shù)見表1。近年來，該柴油機廣泛用作船舶主機［2］。該柴油機起動怠速設(shè)為450r/min。當(dāng)在海上進行主機接排試驗時，發(fā)現(xiàn):

主機排煙口冒出大量濃黑煙，持續(xù)時間約30s。由于該機排煙管道布置在兩舷底部，部分在水面以下，因此部分排煙穿過水面后，水面漂浮大量碳煙顆粒，如圖1所示。圖1冒黑煙現(xiàn)象該現(xiàn)象不僅對柴油機燃燒室組件和噴油器使用壽命造成影響，而且對環(huán)境，尤其是水質(zhì)造成污染;當(dāng)用作艦船主機時極易暴露行蹤。因此監(jiān)造方提出必須重視并及時解決此問題。二、原因分析因該柴油機是新裝機，且兩艘船共四臺主機都出現(xiàn)相同問題，故初步判斷故障原因為:接排過程中空氣進氣量不足，燃油供給量大，導(dǎo)致燃油燃燒不充分。詳細分析如下:該柴油機為渦輪增壓柴油機，渦輪增壓器與柴油機通過氣動過程聯(lián)系在一起，管道中氣體的可壓縮性以及供油、噴射、著火和燃燒等過程的延遲［3］，使渦輪增壓器、柴油機供油系統(tǒng)以及二者間配合存在響應(yīng)滯后。由于該船采用定距槳，柴油機接排時，負荷突然增加，此時調(diào)速器為保持轉(zhuǎn)速不變，會迅速增加燃油供油量，燃油齒條數(shù)迅速增大，而渦輪增壓器轉(zhuǎn)速建立需要一定的過程，不能立即提供柴油機因負荷突加所需增加的空氣量，因此進入氣缸的空氣量不足［4］，導(dǎo)致燃油不完全燃燒;沒有完全燃燒的燃油在燃燒室高溫缺氧的環(huán)境下裂解、聚合，形成碳煙;

碳煙的反應(yīng)速度比氣化的燃油慢得多，因此來不及燃燒，而呈黑色的煙霧排出。這也是廢氣渦輪增壓柴油機突加負荷運行時均存在不同程度的冒黑煙現(xiàn)象的原因。一旦增壓器響應(yīng)匹配后，冒黑煙現(xiàn)象隨之消除［5-6］。解決該問題須從接排轉(zhuǎn)速、燃油、進氣等方面同時考慮。三、解決方法及實施1、改變接排怠速改變接排時主機怠機轉(zhuǎn)速，試驗數(shù)據(jù)及冒煙情況如表2。從表2數(shù)據(jù)分析:(1)怠速提高到500r/min時，冒煙時間約35s，且為大量濃黑煙。表明提高柴油機接排轉(zhuǎn)速會使冒黑煙現(xiàn)象更加嚴重。(2)怠速設(shè)定為400r/min時，冒煙情況有部分改善，排煙顏色變?yōu)榛疑瑫r間縮短至約20s，水面有少量碳煙顆粒出現(xiàn)。表明降低主機接排怠速后冒煙情況有改善的趨勢。(3)當(dāng)?shù)∷僭O(shè)定為380r/min時，冒煙情況明顯改善，排煙變成淡灰色，持續(xù)時間縮短近一半，水面幾乎看不到碳煙顆粒。但因柴油機滑油、海水等系統(tǒng)采用機帶泵驅(qū)動，其系統(tǒng)壓力與柴油機轉(zhuǎn)速相關(guān)聯(lián)，在該怠速工況下長時間運行時出現(xiàn)多個系統(tǒng)壓力低報警，影響主機的長期安全可靠運行，故不建議實施。因該型柴油機在其他船舶上主要與調(diào)距槳匹配，接排怠速一般設(shè)為400r/min。從長遠角度考慮不建議采用380r/min接排方案。遵循經(jīng)驗，將主機接排怠速設(shè)定在400r/min基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索其他解決方案。2、快速升降轉(zhuǎn)速接排在接排之前先將主機轉(zhuǎn)速提高至500r/min，在接排瞬間再將主機轉(zhuǎn)速迅速降至400r/min，合排。利用增壓器的高速慣性提高進氣量，以改善冒煙情況。實船試驗數(shù)據(jù)如表3。從試驗數(shù)據(jù)來看，改善效果與第一種方法中接排轉(zhuǎn)速為400r/min時的相似，改善不明顯?？赡茉蚴墙优胚^程需要一定時間，增壓器轉(zhuǎn)速慣性小，轉(zhuǎn)速增加量不大，接排瞬間所增加的進氣量依舊達不到燃燒所需空氣量。3、優(yōu)化接排控制程序從主動力監(jiān)控方面進一步優(yōu)化接排控制程序，以保證接排階段供油量的限制。具體實施方法:

在機旁轉(zhuǎn)速控制模塊中調(diào)整400r/min轉(zhuǎn)速附近的最大油門限制線，減小主機接排過程中油門最大限制值，由原來設(shè)定的60%減小至40%;

同時將柴油機調(diào)速執(zhí)行器的后備轉(zhuǎn)速調(diào)低至350r/min(保證接排過程中調(diào)速控制器主控電流參與控制，使最大油門限制設(shè)定得到有效執(zhí)行)。試驗數(shù)據(jù)如表4所示?？梢?

減小轉(zhuǎn)速控制模塊中的油門限制值后，接排過程中冒黑煙現(xiàn)象有所改善。4、增壓器增加助噴裝置在增壓器上增加助噴裝置，主機接排前提前開啟電磁閥，向進氣總管注入一定量的空氣，以滿足柴油機接排時的進氣量需求，使燃油能夠充分燃燒，繼而改善冒黑煙現(xiàn)象。具體實施方法如下:

從柴油機起動空氣系統(tǒng)中空氣濾器(圖2中2)后(保證進入柴油機的空氣的清潔度)分一路壓縮空氣至柴油機進氣管。圖2增壓補氣方案在柴油機接排時，電磁閥控制延遲關(guān)閉3s(時間根據(jù)實船調(diào)整)。電氣控制原理如圖3所示。圖3電磁閥控制系統(tǒng)原理圖主機接排時，通過船上駕駛臺操作手柄進行正或倒車接排，接排信號通過遙控系統(tǒng)處理后下發(fā)給補氣電磁閥;

同時通過時間繼電器實現(xiàn)接排電磁閥延時(3s)動作及增壓補氣電磁閥延時(15s)關(guān)閉。通過補氣方法迅速提高空氣進氣量，以滿足接排時燃油燃燒所需空氣量。但該方法對機艙輪機設(shè)備改動較大，又因空氣瓶容量有限，管路布置及電氣修改繁瑣，試驗耗時長等因素，沒有進行試驗驗證。綜合分析上述四種方法及實船試驗，并結(jié)合實船情況，最終確定的解決方案為:

將柴油機起動怠轉(zhuǎn)速設(shè)為400r/min，同時，在該轉(zhuǎn)速下優(yōu)化接排過程供油量最大油門限制，由原來設(shè)定的60%降低至40%;并將柴油機調(diào)速執(zhí)行器的后備轉(zhuǎn)速調(diào)低至350r/min。實施該方案后冒煙時間縮短至約10s，煙霧變?yōu)榈?/p>