船用高速柴油機(jī)低負(fù)荷的使用管理要求

TBD620柴油機(jī)是世界著名的船用高速柴油機(jī)之一。它采用獨(dú)特的進(jìn)氣渦流控制技術(shù),改善低負(fù)荷性能、降低排放和油耗;利用燃油噴射、空氣渦流和燃燒室三者的優(yōu)化匹配,使柴油機(jī)保持低負(fù)荷運(yùn)行的優(yōu)勢。許可證技術(shù)生產(chǎn)的TBD620柴油機(jī)已廣泛應(yīng)用于船用主推進(jìn)、發(fā)電機(jī)組、鉆井、機(jī)車等動力。由于國產(chǎn)化制造與原裝機(jī)存在一定的差異,因此需要加強(qiáng)對柴油機(jī)使用的嚴(yán)格管理(特別是有低負(fù)荷運(yùn)行要求的柴油機(jī)),包括新機(jī)出廠時(shí)的調(diào)整以及使用過程中的維護(hù)、保養(yǎng)。本文在研究TBD620柴油機(jī)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合使用經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)分析,對配氣定時(shí)、噴油時(shí)間及噴射系統(tǒng)穩(wěn)定工作等方面提出了具體的建議。一、柴油機(jī)的低負(fù)荷特性直噴式柴油機(jī)的特點(diǎn):

在部分負(fù)荷時(shí),由于氣缸內(nèi)渦流強(qiáng)度較低,在供油量較多的情況下,空氣與燃油不能較好地混合、燃燒。TBD620柴油機(jī)在用于發(fā)電機(jī)組時(shí),為了改善低負(fù)荷性能,除沿用TBD604B柴油機(jī)的高低負(fù)荷最佳進(jìn)氣渦流控制機(jī)構(gòu)外,還匹配了能夠長期低負(fù)荷運(yùn)行的專用噴油器。TBD620柴油機(jī)的進(jìn)氣道為雙氣道,分為直流和渦流氣道，且在直流氣道中裝有控制閥板。直流氣道內(nèi)控制閥板的啟閉和開度是由增壓壓力控制的。在低負(fù)荷時(shí),控制閥板在彈簧作用下關(guān)閉,空氣由渦流氣道進(jìn)入,產(chǎn)生較強(qiáng)的進(jìn)氣渦流,形成良好的混合氣;隨著負(fù)荷的增加,增壓壓力逐漸增大,控制閥板也隨之打開,空氣由渦流氣道和直流氣道一同進(jìn)入,增加進(jìn)氣量,滿足高負(fù)荷時(shí)新鮮空氣的要求。TBD620柴油機(jī)的進(jìn)氣工況可分為三個(gè)階段:(1)低負(fù)荷:0～37%負(fù)荷,主要由渦流氣道進(jìn)氣;(2)部分負(fù)荷:37%～50%負(fù)荷,主要由渦流氣道進(jìn)氣,直流氣道流量逐漸加大;(3)高負(fù)荷:51%～100%負(fù)荷,雙氣道同時(shí)進(jìn)氣。下面重點(diǎn)分析0～37%低負(fù)荷性能。圖1～4給出了TBD620柴油機(jī)5%、10%、25%、37%四種工況下的仿真計(jì)算和試驗(yàn)計(jì)算放熱規(guī)律曲線。圖15%負(fù)荷放熱規(guī)律5%負(fù)荷時(shí),放熱規(guī)律只有一個(gè)峰值,且燃燒持續(xù)期極短,只有10℃A,最大放熱率達(dá)到了0132kJ/℃A,表明由于較強(qiáng)渦流的作用,使滯燃期混合良好,保證了燃燒質(zhì)量。圖210%負(fù)荷放熱規(guī)律10%工況時(shí),放熱規(guī)律已開始產(chǎn)生兩個(gè)峰值,但第二個(gè)峰值很小?？梢?前期的預(yù)混燃燒量極大,后期的擴(kuò)散燃燒量較小。說明燃油噴入氣缸內(nèi)后,在滯燃期內(nèi)由于渦流的作用,形成較好的可燃混合氣,保證了預(yù)混燃燒過程的進(jìn)行。圖325%負(fù)荷放熱規(guī)律25%工況時(shí),預(yù)混燃燒量相對于10%負(fù)荷工況并沒有增加多少,但由于噴油量增大,導(dǎo)致其擴(kuò)散燃燒量增大,燃燒持續(xù)期延長,第二峰值增加較大。圖437%負(fù)荷放熱規(guī)律37%工況與25%工況的放熱規(guī)律相比,第二峰值明顯增大,燃燒持續(xù)期延長。在試驗(yàn)中,37%負(fù)荷時(shí)，直流氣道的控制閥板開始慢慢打開,直到約50%負(fù)荷時(shí),閥板完全打開。從TBD620柴油機(jī)低負(fù)荷放熱規(guī)律可以得知:柴油機(jī)在低負(fù)荷時(shí),其預(yù)混燃燒量與高負(fù)荷相當(dāng),說明其可燃混合氣的形成以及燃油與空氣的混合較好,保證了低負(fù)荷時(shí)燃燒過程的順利進(jìn)行。從燃燒過程的角度來看,低負(fù)荷時(shí)主要是以預(yù)混燃燒為主,由于油量小,擴(kuò)散燃燒幾乎沒有,因此改善了滯燃期內(nèi)空氣與燃油混合的質(zhì)量,也就改善了低負(fù)荷時(shí)的燃燒,這就是TBD620柴油機(jī)低負(fù)荷性能優(yōu)良的主要原因。因此,為了確保柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性并兼顧其良好的經(jīng)濟(jì)性,在設(shè)計(jì)和使用管理時(shí),不僅要考慮標(biāo)定工況,更要兼顧低負(fù)荷的運(yùn)行。如低負(fù)荷時(shí),各缸工作不均勻度增加;噴油提前角增大(或減小)時(shí),會使壓力升高比λ和最高燃燒壓力pz增大(或減小),增大對運(yùn)動件軸承的沖擊,或后燃加劇,使排溫Tr

增加;噴油壓力降低,會使霧化質(zhì)量降低,混合效果不好等。2、TBD620柴油機(jī)的試驗(yàn)國產(chǎn)化率約為82%的TBD620V12柴油機(jī)(1251kW/1500r/min)進(jìn)行10%、25%、50%、75%、100%、110%負(fù)荷特性試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。在整個(gè)試驗(yàn)過程中,TBD620柴油機(jī)充分顯示出其低油耗、燃燒柔和、排溫低和煙度好的特點(diǎn)。用作船用主推進(jìn)的TBD620柴油機(jī)還面臨著“怠速”工況的考驗(yàn),所謂怠速通常是包括怠速暖機(jī)和怠速接排(接合齒輪箱)工況。圖5為TBD620V16柴油機(jī)的螺旋槳特性曲線。圖5TBD620柴油機(jī)螺旋槳特性曲線TBD620V16柴油機(jī)(2336kW/1860r/min)按螺旋槳特性運(yùn)行時(shí),在1000r/min下,功率約為20%標(biāo)定工況,此時(shí)突加功率最多提高到25%。如果在實(shí)際使用中,怠速接排的轉(zhuǎn)速規(guī)定在600～800r/min范圍內(nèi),那么此時(shí)的運(yùn)行可靠性可能會有一定問題。這說明按主推進(jìn)使用的柴油機(jī),其低工況運(yùn)行的條件要相對差得多,有必要在使用中嚴(yán)格加強(qiáng)管理。二、提高低負(fù)荷的使用管理因素為保證燃油與空氣的混合質(zhì)量,TBD620柴油機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上提供了有利的條件。但還是要考慮長期低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的燃油噴射壓力下降、進(jìn)氣量不足、混合氣質(zhì)量不高等帶來的燃燒惡劣、積炭嚴(yán)重、燃油消耗率大、煙度增加、滑油稀釋等問題。為滿足柴油機(jī)低負(fù)荷使用要求,應(yīng)注意基本的管理原則:(1)正確及時(shí)地檢查、調(diào)整噴油提前角;(2)保證噴油器的霧化質(zhì)量;(3)保持噴油器所要求的噴射壓力。1、定期校驗(yàn)噴油提前角TBD620柴油機(jī)的噴油提前角對應(yīng)于不同轉(zhuǎn)速、不同用途有不同的要求。使用說明書中給出的噴油提前角均為幾何噴油提前角,要求按此檢查、調(diào)整。TBD620柴油機(jī)噴油提前角的調(diào)整方法可采用表壓法、測飛輪弧長法和滴油法。在調(diào)整、檢查時(shí),可用其中一種方法來調(diào)整到規(guī)定值的上限,用另一種方法進(jìn)行復(fù)查。用于發(fā)電機(jī)組時(shí)(如1251kW/1500r/min),考慮到需要長期在低負(fù)荷下運(yùn)行以及在這種工況下磨損會加大等因素,建議按照維修表中規(guī)定的“1500h需要重新調(diào)整檢查噴油提前角”的一半時(shí)間執(zhí)行。針對用作船用主推進(jìn)的TBD620柴油機(jī)(如2032kW/1800r/min)(特別是帶定距槳)的特點(diǎn),建議按照維修表中規(guī)定的“1000h需要重新調(diào)整檢查噴油提前角”的一半時(shí)間執(zhí)行。2、加強(qiáng)嚴(yán)格管理配氣定時(shí)船用高速柴油機(jī)在使用過程中使配氣定時(shí)變化的因素很多,主要的有以下幾點(diǎn):(1)氣閥傳動機(jī)構(gòu)部件的磨損(搖臂、挺桿和挺柱);(2)凸輪磨損(粘結(jié))而使型線發(fā)生變化;(3)凸輪軸傳動齒輪裝配不當(dāng)或磨損;(4)氣閥積炭或磨損。其中最常見的是由于凸輪和氣閥磨損,使得氣門間隙增大。TBD620柴油機(jī)在使用期間,必須按照維修表及時(shí)檢查配氣定時(shí),尤其是更換配氣機(jī)構(gòu)個(gè)別零件后,必須按照使用說明書的要求對配氣定時(shí)進(jìn)行調(diào)整。為了避免TBD620柴油機(jī)長期在低負(fù)荷運(yùn)行使用過程中出現(xiàn)早期過度磨損,提高運(yùn)動件耐磨性、密封性和可靠性,需要經(jīng)常地檢查搖臂、閥橋、推桿的表面質(zhì)量,并復(fù)查氣門和閥橋的間隙(冷態(tài));必要時(shí),還要檢查挺柱和凸輪軸接觸面的工作情況,防止挺柱和凸輪軸的接觸面因高應(yīng)力而拉毛。3、測量各缸工作不均勻性如果各缸工作不均勻,則在較大工況運(yùn)行時(shí),可能會發(fā)生單缸超負(fù)荷現(xiàn)象。氣缸過載時(shí),燃燒質(zhì)量較差,熱應(yīng)力增加,積炭增加,過載氣缸將容易損壞。另一方面,一些氣缸在負(fù)荷不足的情況下工作,燃油消耗量增加,冒煙增加,柴油機(jī)波速,工作不穩(wěn)定。原則上,柴油機(jī)在標(biāo)定工況時(shí)可以做到工作均勻。但是,當(dāng)部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí),特別是在20%以下負(fù)荷和怠速時(shí),則不再能保證均勻供油。各氣缸的負(fù)荷也是不均勻的。如果還考慮到兩列可控渦流機(jī)構(gòu)工作不同步帶來的影響,各缸工作不均勻性,可能會以A、B兩列排氣溫度的不均勻性來體現(xiàn)。測量各缸工作不均勻性的常規(guī)辦法是檢查各缸排氣溫度,通過各缸排溫的差異來判斷各缸工作的均勻性。4、燃油系統(tǒng)磨損的對策船用柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)首先受到磨損的是高壓油泵、噴油器的精密偶件。它們的磨損,會引起霧化質(zhì)量、供油量一致性、供油規(guī)律、各缸供油均勻性、噴油提前角等發(fā)生變化。TBD620機(jī)采用整體式噴射泵,懸掛式吊裝法蘭。該泵具有體積小,供油承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。TBD620柴油機(jī)噴油器采用多孔閉式低慣量噴油器。當(dāng)用于發(fā)電機(jī)組,且有低負(fù)荷長期運(yùn)行要求時(shí),采用專用噴油嘴,在減小噴孔直徑的同時(shí),壓力室容積約為標(biāo)準(zhǔn)噴油嘴的50%,使柴油機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),減少對氣缸內(nèi)滑油的稀釋作用,同時(shí)減少HC的排放。減小噴孔直徑,可以提高燃油霧化質(zhì)量,但也存在油束貫穿度不足、噴油持續(xù)期長的缺點(diǎn),加上進(jìn)氣渦流強(qiáng)度相對較大,使前后油束間產(chǎn)生了重疊,致使燃燒相對惡化。而這種現(xiàn)象往往發(fā)生在燃油系統(tǒng)有了磨損的時(shí)候。所以,在柱塞副、輸油閥副和針閥副有較大磨損時(shí),必須及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整。對于用戶來說,檢查、調(diào)整燃油系統(tǒng)是比較困難的,建議由制造廠有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員來進(jìn)行。四、結(jié)論(1)TBD620柴油機(jī)采用的可控渦流進(jìn)氣道是一種比較實(shí)用、可靠的進(jìn)氣系統(tǒng),臺架試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行情況表明,可以減少低負(fù)荷時(shí)的排放、噪聲、煙度和燃油消耗。為確保柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性并兼顧其良好的經(jīng)濟(jì)性,在使用管理時(shí),不僅要考慮標(biāo)定工況,更要考慮到低負(fù)荷情況下的運(yùn)行