浅析曼恩二冲程低速柴油机调优方式与实例分析

方冬

摘 要：曼恩公司生产的二冲程低速柴油机被广泛用于船舶中，本文首先介绍了调优方式的概述以及曼恩二冲程低速柴油机的几种调优方式，然后对这几种方式的油耗曲线以及排气温度曲线进行了探讨，最后以绿色海豚型散货船为例，分析不同调优方式的油耗以及废气的蒸汽量。

关键词：二冲程；低速柴油机；调优方式；曼恩

中图分类号：TK115 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）20-0084-02

船舶运行过程中需要的柴油主要是通过原油进行提炼，而原油的价格较贵，因此很多船东都比较重视船舶的航行成本。为了降低船舶航行的成本，需要降低船舶的行驶速度，同时也重视起柴油机的燃油效率。目前低速柴油机主要产自曼恩和瓦锡兰，他们都有自己的调优方式，本文主要分析曼恩二冲程低速柴油机的调优方式。

1 柴油机调优方式

调优，主要是对内燃机的硬件以及软件进行相应的调整，进而改变内燃机的持久性、经济性以及功率等条件。世界上最早出现内燃机调优主要是在军事上，第二次世界大战中，英国的汽车和坦克的内燃机都经过了调优。船舶柴油机的调优也是对软件和硬件进行改变的，同时调优方式的不同能够保证不同的负荷工况下，柴油机都有较高的燃油积极性。通过调优还会改变柴油机的一些热工参数，比如排气量和排气温度，也会影响到轴系的振动激励。

2 曼恩二冲程柴油机的主要调优方式

曼恩二冲程柴油的主要调优方式有：使用传统效率增压器，对柴油机的高负荷进行优化。这种方式的增压器效率比较低，因此柴油机的油耗和排气温度都比较高；使用常规的高效增压器进行高负荷调优，当柴油机处于高负荷的时候油耗最低；主机控制調优主要是通过调整来改变柴油机的喷油特性、喷油定时以及可变排气定时等参数，这样能够将不同负荷状况下柴油机的燃油效率进行调整，不需要对硬件进行改变。主机控制调优还分为低负荷优化和部分负荷优化。其中低负荷优化主要是当低于70%负荷的时候降低燃油效率，部分负荷优化是当低于85%的时候降低燃油效率；可变喷嘴环主要是改变可变喷嘴环的面积来改变增压器的工作，使其扫气压力提高。一般有低负荷优化和部分负荷优化；废气旁通主要是在柴油机上安装废气旁通设备来对增压器进行调整，使其能够在合适的负荷下达到最高的工作效率，这样能够降低油耗，其也有低负荷优化和部分负荷优化[1]。

3 不同调优方式的单位油耗以及排气温度

3.1 数据选择

目前曼恩二冲程柴油机都是为了降低功率和转速，因此选择型号为S50ME-B9.3在低转速情况下的某一点需要降低功率的地方进行分析，可以得出其排气温度曲线和单位的油耗曲线。

3.2 单位油耗对比

曼恩二冲程柴油机不同调优方式下的单位油耗曲线呈现出一些规律：传统效率增压器调优的油耗曲线比高负荷调优的要高。这是由于传统效率增压器的效率比较低，因此油耗就比较高。这种调优方式主要是以增高油耗为代价来使排气温度提高。当柴油机处于70%负荷下的时候，不同调优方式的油耗呈现出阶梯分布的情况，其中最大的是传统效率增压器，然后依次是高负荷调优、部分负荷ETC调优、低负荷ETC调优、部分负荷EGB调优，最低的则是低负荷EGB调优。从这可以看出，由于EGB调优主要是选择了小容量的增压器，因此当负荷较低的情况下效率更高，因此能够有效的降低油耗。而部分负荷调优的油耗小于低负荷调优的油耗。从此可以看出，增压器的效率对油耗的影响比较大[2]。

当处于90%负荷的时候，高负荷调优的油耗最低，但是差距也不会太大。一般来说，90%负荷是柴油机持续服务功率点的极限，并且其还包括了海况储备。因此这个区间的油耗不会被船东或者是设计师关注。而90%负荷以下，70%负荷以上的区间是所有调优方式的油耗进行高低转换的区间，很多调优方式的临界点都是在85%左右。这个区间对于二冲程柴油机来说是比较重要的区间，因为很多柴油机的持续负荷功率点都位于这个区间，也是船舶设计的一个关键指标。

3.3 排气温度对比

根据几种调优方式的排气温度曲线可以看出：传统效率增压器调优的排气温度要高于高负荷调优以及高效增压器。虽然排气量比较少，但是如果排气温度比较高的话那么就会使废气侧的蒸发量增加。很多柴油机的标配都是高效增压器，但是随着降低油耗和功率使得排气温度也得到了降低，这种情况下废气侧的蒸发量就不能满足出船舶在一些工况下航行的蒸汽需求量，因此选择传统的增压器可以提高排气温度。这种方式会使得柴油机的油耗增加，选择的时候需要考虑蒸发量的增加能否满足一些工况下蒸汽量的要求。

高负荷调优和ETC调优的排气温度基本相同，并且都是呈现出抛物线，而最低点则在70%到80%负荷之间。一般情况下，排气量不会有太大的变化，因此ETC调优和高负荷调优的蒸发量基本相同，这种情况下高负荷调优和低负荷调优都能够满足设计蒸发量的要求。两种EGB调优的排气温度基本相似，并且处于80%负荷之下的时候，几种调优方式基本类似。但是当超过80%负荷的时候，排气温度都呈现出快速升高的趋势，并且在85%的时候都与传统效率增压器的排气温度基本一致。

这两种EGB调优方式的排气温度的一致是曼恩工程师在设计柴油机的时候设计的，当处于较低负荷的时候，部分负荷调优的油耗要高于低负荷调优的油耗。但是由于排气温度一样，根据能量守恒定律，部分负荷调优的排气量也会大于低负荷调优的排气量，但是当超过75%之后，这种情况又会发生变化。当处于80%负荷之下的时候，由于排气温度比高负荷调优要低，但是排气量比较小，因此废气侧的设计蒸发量就会减少。当船舶处于热带工况下的时候，低负荷和部分负荷需要进行油耗的优化，那么就可以选择两种EGB调优，但是前提条件是废气侧的蒸发量能够满足船舶蒸汽的需求量。当处于80%负荷之上的时候，柴油机的排气温度会急剧增加，这样80%负荷和90%负荷的蒸汽蒸发量存在着一定的差距。还有一些柴油机的CSR点在85%以上，使用这两种EGB调优能够得到较高的蒸发量，但是为了保证能够得到较高的蒸发量需要保持高负荷运行，这样就违背了这种调优方式的设计初衷。因此如果使用这种方式的时候，为了弥补蒸发量而使用燃油锅炉的话，损失也比较大[3]。

4 实例分析

从上述排气温度和油耗的对比来看，并没有最好的调优方式，选择调优方式的时候需要考虑到船舶的蒸汽量需求以及运行工况。下文以绿色海豚型散货船来分析如何选择调优方式。

4.1 船舶基本参数

绿色海豚型散货船是由上海船舶研究设计院进行设计的，其符合很多小型灵活型散货船的特点。比如降低推进功率主要是通过优化线性，增加螺旋桨效率主要是降低转速、增大直径，并且使用了大缸径的、长冲程柴油机，这样能够降低油耗。但是柴油机的油耗和转速都得到了降低，这样就使得排气温度也降低，带来了一些负面的效果。

绿色海豚型散货船的主机选择的是5S50ME-B9.3，其合同最大连续服务功率点与L4点基本一直，而CSR点则处于SMCR的75%。船舶在ISO工况下的蒸汽消耗量为480KG/h，在冬季工况下的蒸汽消耗量为980KG/h。而锅炉辅机侧的蒸发量是180KG/h。

4.2 高负荷调优分析

高负荷调优方式下，主机废气侧的蒸发量在300KG/H左右，而辅机则是180KG/H，这样加起来就能够满足ISO工况的蒸汽量需求。同时由于在重油下运行的时候排气温度会升高，这样就会需要对锅炉的设计参数进行修整，才能够提高蒸汽的产量。当环境的温度对于IOS工况下的时候，锅炉廢气侧的蒸发量就能够满足船舶的运行需要。

4.3 EGB部分负荷与低负荷调优

EGB部分负荷调优的CSR油耗指标比较好。对部分负荷进行优化油耗，使得设计蒸汽量大概在190KG/H，并且在常用的负荷期间也能够保持在190KG/H，因此在ISO的时候仍热存在蒸汽量缺口。根据锅炉设计参数的修正方案，其在修正之后能够满足ISO的蒸汽量需求，但是这种方法比较冒险。如果能够清楚的知道船舶的运行航线，比如经常在热带地区航行，那么就可以选择这种调优方式，但是修正参数的时候需要船东进行授权。

4.4 ECT部分负荷和低负荷调优

ECT部分负荷和低负荷调优方式的设计蒸发量和高负荷调优的蒸发量基本相同。并且经过计算可以发现，当处于40%负荷到CSR的时候，其与高负荷调优的蒸汽产量基本相同，但是油耗会降低一些。这种情况下，由于CSR仅仅是SMCR的75%，因此高负荷调优的油耗优化体现不出来，所以相对而言ETC调优比较好[4]。

4.5 传统效率增压器调优

使用传统效率增压器调优产生的蒸汽量已经可以满足ISO工况的要求，但是辅机的排气不能进入到锅炉中。如果将辅机的排气接入锅炉中的时候，那么产生的蒸汽量比较多，而主机则会需要消耗较多的油量，这种情况下船舶就不能够在热带环境下运行。而如果船舶是处于寒带的时候，废气侧产生的蒸汽量也不够，这时候就需要使用燃油锅炉，那么接入锅炉多产生的油耗要比使用燃油锅炉的成本降低。因此当船舶处于寒带的时候就可以选择传统效率增压器的方式。一些船东认为寒带运行的船只就必须得使用燃油锅炉，并且燃油锅炉的燃烧器也可以进行调节，同时船舶的航线也可能会发生变化，因此不需要使用传统效率增压器调优。

根据对绿色海豚型散货船的调优方式分析，可以得出，即使主机的CSR点确定，选择调优方式的时候，不仅需要考虑废气的蒸汽产生量以及油耗，同时还需要考虑船舶的实际运行情况。

4.6 船东的选择

目前，绿色海豚型散货船有很多船厂都在同时进行建造，船东数量也有十几个，数量比较多的是欧洲船东，也有部分中国船东、泰国船东、印度船东以及日本船东等。很多船东在选择调优方式的时候都选择了部分负荷EGB调节，但是也有一些船东选择了高负荷优化，这样就可以看出很多船东更关注CSR点和低负荷的油耗情况。

5 结语

调优方式的不同能够使不同负荷下油耗、排气温度等热工参数发生变化，但是排气温度与油耗是相互矛盾的两个参数。很多船舶都反映实际运行过程中的排气温度要高于理论的排气温度，产生这种情况的主要原因有柴油机自身因素、环境温度以及油品等。所以确定锅炉设计参数的时候要适当的修正排气参数。船舶行业的各环节之间影响都比较大，因此设计师需要确定好合理的调优方案，然后让船东进行选择。

参考文献

[1]福克·姆伯，郭修炎.曼恩二冲程和四冲程柴油机的发展[J].柴油机，1980，（4）：3-13+34.

[2]维.克劳涅希，彼.格列奥克，宋契敏.曼恩二冲程长行程新样机研制成功[J].国外舰船技术：内然机类，1980，（10）：12-17.

[3]马义平，王忠诚，时继东，等.曼恩和瓦锡兰船用二冲程双燃料发动机之比较[J].船舶， 2015，26（5）：94-99.

[4]陈芬放，王雪松，韩飞.柴油机的性能优化方案探究[J].中国机械，2014，（18）：117-118.