8L20/27主机加速时冒黑烟原因分析和处理方法

陈文光，伊富春

(交通运输部东海航海保障中心 厦门航标处，福建 厦门 361012)

8L20/27主机加速时冒黑烟原因分析和处理方法

陈文光，伊富春

(交通运输部东海航海保障中心 厦门航标处，福建 厦门 361012)

文章分析了某船2台MAN-CXZ-8L20/27主机加速时冒黑烟的故障原因，是增压器工作效率跟不上及加速时燃烧空气供应不足导致的，后将原柴油机定压增压系统改造为MPC增压系统，同时系统加装了3级补气装置，排除了故障，缩短了主机的加速时间，提高了船舶的机动性能。

船舶主机；黑烟；故障原因；增压系统；补气

某船上配置2台MAN-CXZ-8L20/27主机，为上海新中动力机厂生产的20/27系列产品，是上世纪80年代初引进。由于受当时技术所限，20/27系列柴油机，都不同程度存在同样的技术缺陷，即低速和加速运行时冒黑烟现象，甚至浓烟滚滚，一直难以解决，给大气环境造成了严重污染。

1 主机冒黑烟的故障分析

由于柴油机形成混合气的时间短，又燃烧非均质混合气，所以燃烧室缸内情况异常复杂。有的区域只有空气或过稀的混合气，有的区域则是过浓混合气，而且由于燃烧和喷油重叠，有的区域会有未蒸发完的油滴。

因此，缸内空气和燃油混合不均匀，喷入汽缸的柴油受到高温燃油气的包围，一部分裂解、聚合形成碳粒，碳粒能够在燃烧中遇到氧而完全燃烧，但如果缸内缺氧，则碳粒不能被烧完而随废气排出，形成了碳烟，即形成排气冒黑烟的现象。要想尽可能保证燃油完全燃烧，柴油机的过量空气系数应该保持在1.3左右。

MAN-CXZ-8L20/27柴油机采用定压增压系统，各缸共用1根较大容积的排气管，排气管内的压力基本保持恒定，大小仅与负荷有关系。定压系统的优点是扫气干扰小，泵气功损失小，不同缸数的柴油机的增压系统可以统一进行设计。但定压增压系统的缺点也比较明显，其对排气脉冲能量的利用率较低、扫气量少和低工况性能及加速性能较差，就是在快速加速的初期，增压器供气率滞后于供油率的增加，造成供气量不足，排气烟度急剧恶化，产生大量黑烟。

实船工作中在标定转速下运转时情况良好，只有在低速运行和加速时才出现严重的冒黑烟现象，因此判断主要是由于增压器工作效率跟不上，以及加速时燃烧空气供应不足所导致。

2 处理方法

如果把MAN-CXZ-8L20/27柴油机作为发电柴油机使用，它绝大部分时间都将在标定转速下运转，冒黑烟只是在从启动到稳定运行的很短时间内，则对冒黑烟故障可不考虑。但当它在某船上作为主机使用时，由于航标船工作的特殊性，经常需要处于急加速、急减速的变工况工作状态，频繁地变工况就使其冒黑烟现象成为常态，不仅浪费资源污染环境，而且使柴油机性能受到很大影响。因此对该柴油机进行技术改进，消除冒黑烟故障，对海事系统节能减排工作的开展具有重大的意义。

针对废气涡轮增压器对于柴油机突然加速的响应滞后，进入汽缸中的空气量跟不上油量的变化速率，造成冒黑烟故障这一问题。某船主机在进船厂改造时，根据计算和仿真结果，对原柴油机增压器的等压增压系统进行了改进，改为“模件式脉冲转换系统”(MPC增压系统)；新增3级补气装置1套；对柴油机排气管、增压器的进排气蜗壳、凸轮轴进行重新设计匹配，对补气装置进行合理设计安装。

2.1 改装MPC增压系统

MPC增压系统利用1根较细的排气总管，使从排气支管来的脉冲能在斜向喉口中变为动能，并在排气总管中部分保存下来，在涡轮中加以利用，从而提高排气能量的利用率。这是由于提高了废气能量的传递效率，减小了排气总管中的压力波动，使涡轮效率提高，并可防止反射波对排气的干涉。

一般采用MPC增压系统后，柴油机的低负荷性能有改善，但在高负荷时燃油消耗率比定压系统时高，为此还需从调整配气正时方面进行研究。经过优化，MPC增压系统的瞬态和稳态都比原定压系统要好。试验结果显示在整个运行范围内，增压压力均明显高于定压系统，燃烧最大爆发压力提高，排温及烟度降低，这说明汽缸充气量增多，改善了缸内燃烧。

瞬态特性试验中从445 r/min、98 kW突加速加载至811 r/min、311 kW，MPC增压系统在没有油位限止时为7.5 s，而在定压系统时需11 s，有了很大改善，与原定压系统加装加速补气装置后的加速性能已较接近，对瞬态特性的改进提高是满意的。而且在稳态特性试验中也得到了满意的结果，高负荷时燃油消耗率比定压系统还有所降低。

2.2 加装补气装置

为解决冒黑烟的问题，给发动机补气是一个可行的办法。根据船舶具体情况，一般有以下3种补气方案：① 对进气系统补气；②对排气系统补气；③向压气机叶片切向喷射高压空气。

在进气系统补气可选择增压器压气机前串联鼓风机或者是空气中冷器后并联鼓风机，这2个方案均可以直接增大进入汽缸的空气量，但是在切换、并车等方面存在较大的难度，不确定因素是容易引起压气机喘振。对排气系统补气也可达到提高压气机转速，从而提高扫气压力的目的，这是一种间接的补气方法，从补气开始到扫气压力改变需要较长时间。因此，选择向压气机叶片切向喷射高压空气的方法。这一方法是在压气机盖上均匀安装多个喷嘴，使压缩空气以切线方向冲向压气机叶轮或者从增压器喷嘴喷入压缩空气，可加快压气机转速，增大进气量。另一方面喷入的压缩空气也弥补了部分空气不足，达到快速提高扫气压力的目的。

为满足船舶对加速性能和加速时排气烟色所提出的更高要求，根据实船运行时主机的工况设定了最佳补气点(开始补气的转速)和补气次数(本船主机从接排到全速可补3次)。

设计安装的补气装置经过验证具有如下特点。

1)缩短主机加速时间，原来从低速加到全速不补气时需20多秒，补气后需10 s左右，缩短约一半时间，有效地提高船舶的机动性能。

2)明显改善主机突然加速时冒黑烟的情况。

3)整套装置结构简单，设计合理，能在加速时自动补气，操作方便，效果明显。

4)耗气量省，每补一次约耗气400～500 L。

5)补气装置与MPC增压系统相结合，使MAN-CXZ-8L20/27柴油机做主机时的性能更加令用户满意。

3 结束语

技术改造结果表明，通过将某船上2台MAN-CXZ-8L20/27主机的定压增压系统改装为MPC增压系统并加装补气装置以后，柴油机快速增加负荷的性能显著提高，耗能大、冒黑烟的现象得到彻底的解决，从而也明显提高了船舶的机动性。

In this paper,the failure reason of exhausted black smoke is analyzed when the two marine engines MAN-CXZ-8L 20/27 are accelerated.Poor working efficiency from the turbocharger can' t meet the need of combustion air when ME accelerated.Then the original constant pressure charging system of the diesel engine is converted into the MPC pressure charging system,equipping with the triple air supply device at the same time,which can not only remove the fault but shorten the acceleration time of ME,improving the performance of ship maneuvering.

marine diesel engine;black smoke;failure reason;pressure charging system;air supply

陈文光(1970-)，男，福建莆田人，轮机长，船舶中级，大学本科，主要从事海洋船舶轮机工程和航海保障装备管理工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.03.012

2016-08-23