某柴油机合排冒黑烟及响应慢问题分析与优化

段艳强　史长平　梁毅　高磊　翟光瑞

摘要：为解决某沿海拖轮主机合排过程中冒黑烟问题，通过分析确定主要原因为喷油器过度喷油和增压器响应慢导致的燃烧不完全。采取加装限油装置、优化增压器和凸轮轴等措施，将单增压器改为双增压器，增压器转子转动惯量从0.437 kg·m2减小至0.046 kg·m2，将排气门开度增大15°、进气门关闭角减小25°、气门重叠角减小20°，将气门最大升程减小9%，通过台架突加负荷试验和实船试验对优化方案进行验证。台架试验结果表明：转速为350、400、450 r/min时，优化后的突加功率较原机分别提高11.1%～27.3%，转速恢复时间缩短25%～48%，突加负荷时冒烟现象明显改善。实船验证结果表明：柴油机排气烟色肉眼几乎不可见，转速恢复时间大幅缩短，冒烟时长由21 s缩短至9 s，冒黑烟及响应慢的问题得到解决。

关键词：沿海拖轮；合排；冒黑烟；增压器；凸轮轴；过量空气系数

中图分类号：U672文献标志码：A文章编号：1673-6397（2023）05-0074-08

引用格式：段艳强，史长平，梁毅，等. 某柴油机合排冒黑烟及响应慢问题分析与优化［J］.内燃机与动力装置，2023，40（5）：74-81.

DUAN Yanqiang， SHI Changping， LIANG Yi， et al. Analysis and optimization of black smoke and slow response from a diesel engine during clutch engaging［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：74-81.

0 引言

正常工作条件下，船舶柴油机尾气颜色一般为无色或浅灰色。冒黑烟是船舶柴油机在运行过程中的常见故障之一[1]。导致柴油机冒黑烟的原因较多，其中最主要的原因为燃油燃烧不充分，部分柴油在高温缺氧条件下裂解、聚合生成自由碳粒子，当这些碳微粒在排气中的占比超过85%，就会呈黑色烟雾排出，即冒黑烟现象。柴油机冒黑烟增加了燃料消耗和运营成本，降低了柴油机动力性能；冒黑烟与节能减排理念相背离，受到港口国的严格限制， 轻者罚款，重者可能滞留船舶[2]。本文中，分析某沿海拖轮用柴油机合排冒黑烟和低速响应慢的原因，采取加装限油装置、优化增压器和凸轮轴等措施，并进行台架突加负荷试验和实船运行验证，解决该柴油机排气冒黑烟及响应慢故障。

1 故障现象

某沿海拖轮用中速柴油机在与齿轮箱合排时冒黑烟，如图1所示。由图1可知：合排后大约经过7 s，排烟管中开始冒黑烟，一直持续到第21秒。

柴油机在与齿轮箱合排时，需要驱动处于静止状态的螺旋桨，螺旋桨的速度将在极短的时间内从零增加到相当大，柴油机负荷瞬间增大，为了维持柴油机转速稳定，调速器加大喷油量，造成“油多”现象；但此时增压器响应速度存在迟滞，吸入气缸的空气量的增加速率跟不上喷油量的变化速率，造成“气少”现象。这种“油多、气少”现象，使得气缸内的油气混合物不能达到最佳比例，燃烧质量下降[3-5]。

2 故障排除

2.1 故障复现

为了快速排除冒黑烟故障，在发动机台架上进行原机故障复现。柴油机在低转速下进行突加负荷试验，试验结果如表1所示，表中突加功率百分比为突加功率与额定功率的比，试验过程排气烟色如图2所示。由表1可知：原机突加功率偏低，转速恢复时间较长，突加负荷响应能力较差。

2.2 限油装置

为了解决“油多”问题，在油门位置安装限油装置，进行同功率突加负荷对比试验，试验结果如表2所示，试验过程排气烟色如图3所示。

由表2、图3可知：采用限油装置控制油门开度，防止过量供油，空燃比更好，燃烧相对较好，转速恢复时间缩短了5～6 s，排气烟色转淡，浓烟持续期缩短。

2.3 助喷装置

为改善“气少”问题，由柴油机起动空气管路上引出一路压缩空气，经减压后与增压器壳体进气口相连。在突加负荷试验时，空气开关闭合，时间继电器开始计时，吹气管上电磁阀打开进行吹气，10 s后继电器自动断开，电磁阀闭合，补气过程结束。加装助喷装置后台架突加负荷试验结果如表3所示，排气烟色如图4所示。

由表3、图4可知，通过向压气机叶轮补气，迅速提高增压器转速和进气量，提高了空燃比，改善燃烧，突加功率更高，转速恢复时间更短，烟色更好，只有轻微淡烟。

辅助增加限油装置和助喷装置后，柴油机的突加负荷能力得到显著提升[6]。但进气助喷装置方案对船舱设备改动较大，不仅需要临时加工补气管路，且管路布置及电气控制系统复杂，同时气源能也得不到保障，所以未进行实船验证。为解决进气不足问题，对柴油机的增压空气系统进行优化。

2.4 增压器优化

增压器响应时间主要与增压器转子的转动惯量和压气机的流量相关。增压器转子转动惯量越小，压气机流量越大，越有利于提高增压器响应速度[7]。将原机由单增压调整为双增压，增压器转子转动惯量从0.437 kg·m2减小至0.046 kg·m2，减小了89.5%，增压器响应时间大幅度提高。台架双增压突加负荷试验结果如表4所示，排气烟色如图5所示。对比表1、4可知：双增压柴油机的转速恢复时间缩短了15%～50%，达到预期效果；柴油机能够快速捕获足够的新鲜空气，空燃比增加，燃烧效果改善，排气冒黑烟现象也随之改善，但仍较明显。

2.5 凸轮轴优化

2.5.1 配气相位优化

柴油机匹配双增压器后，突加负荷响应性已大幅度提升，但排气烟色仍不符合要求。对凸轮轴进行优化，提升其低速性能。选取转速为750 r/min的额定工况和转速为350～450 r/min的外特性工況，通过调整原凸轮的排气门开度（exhaust valve opening，EVO）、进气门关闭角（intake valve close，IVC）和气门重叠角（valve overlap，VO）对配气相位进行优化[8]，优化结果如图6～8所示。

由图6可知：随着EVO增大，外特性工况的油耗和泵气平均有效压力略微下降，充气效率和缸内过量空气系数升高，表明在低速时推迟排气门开启时刻，可充分利用气体膨胀做功；但额定工况的泵气平均有效压力呈线性大幅下降，泵气负功大幅增加[9]，油耗逐渐增加。综合分析，优化方案为EVO增大15°。

由图7可知：随着IVC减小，外特性工况的油耗略有降低，充气效率和缸内过量空气系数略有升高，表明低速时进气管内空气流速慢，进气门关闭早，可以避免已进入气缸的空气被上行的活塞推出；但随着IVC减小，额定工况的充气效率先升高后下降，不利于补充进气。综合分析，优化方案为IVC减小25°。

由图8可知：随着VO减小，外特性工况的油耗降低，充气效率和缸内过量空气系数性能均有提高，表明低速时减小气门重叠角，可以防止进气回流和排气倒灌现象，提高进气质量；但涡前总管排温先降低后升高，原因为VO过小使废气流通不畅，导致扫气效率降低。综合分析，优化方案为VO减小20°。

2.5.2 气门升程优化

柴油机的动力性能主要取决于单位时间内气缸的进气量，最佳配气相位只能增加气门开启时间，并不能有效改善气缸的进气速度。

低转速时，柴油机单位时间进气量小，不需要很高的进气速度。通过减小气门升程有助于增强进气涡流强度，增加缸内紊流，提高燃烧速度。根据气道流通能力，初步确定气门最大升程减小9%。

根据最佳配气相位角和气门升程，重新设计满足配气机构运动学和动力性校核要求的气门升程曲线，如图9所示。

2.5.3 仿真结果分析

通过仿真对凸轮轴优化方案进行验证。转速为400 r/min外特性工况的进、排气道质量流量优化前、后对比如图10所示。由图10可知：凸轮轴优化后，原凸輪的进气回流和排气倒灌现象得到明显改善。

凸轮优化前、后的柴油机主要性能仿真对比如图11所示。由图11可知：转速为350～450 r/min的外特性工况下，凸轮轴优化后的柴油机燃油消耗率降低了2.9～8.8 g/（kW·h），充气效率提高了7.1%～17.1%，缸内过量空气系数提高了8.1%～19.6%。

2.6 试验验证

2.6.1 台架性能验证

安装限油装置，更换优化后的增压器和凸轮轴，在台架上进行突加负荷试验，验证优化方案的效果，结果如表5所示，排气烟色如图12所示。由表5、图12可知：优化后的柴油机突加功率较原机提高了11.1%～27.3%，转速恢复时间缩短了25%～48%，突加负荷时冒烟现象明显改善。

2.6.2 实船验证

为了验证上述优化方案的可行性，进行实船合排作业验证，结果如图13所示。由图13可知：柴油机排气烟色浓度肉眼几乎不可见，转速恢复时间大幅度缩短，冒烟时长由21 s缩短至9 s，冒黑烟及响应慢的问题得到解决。

2.7 成本分析

优化后的增压器尺寸减小，可使压气机壳和蜗轮壳的模具尺寸减小，还可使叶轮采用精密铸造替代五轴数控铣削加工，因此具备批量生产条件，双增压成本比单增压降低了38.1%，优化后的凸轮轴仅更改进、排气凸轮轮廓，不涉及毛坯和加工成本，优化方案的成本更低。

3 结论

分析船用柴油机合排冒黑烟和低速响应慢的原因，采取加装限油装置、优化增压器和凸轮轴等措施，并进行转速为350、400、450 r/min的低速台架突加负荷试验验证和实船运行验证。

1）柴油机冒黑烟及响应慢的主要原因是“油多、气少”，使得气缸内的油气混合物不能达到最佳比例。

2）台架突加负荷试验结果表明：辅助加装限油装置和助喷装置，可提高缸内空燃比，临时排除冒黑烟故障。

3）将单增压器改为双增压器，增压器转子转动惯量从0.437 kg·m2减小至0.046 kg·m2。台架突加负荷试验结果表明：双增压柴油机的转速恢复时间缩短了15%～50%，柴油机空燃比增加，燃烧效果改善，排气冒黑烟现象得到改善。

4）将排气门开度增大15°、进气门关闭角减小25°、气门重叠角减小20°，将气门最大升程减小9%，仿真结果表明，进气回流和排气倒灌现象得到明显改善。

5）安装限油装置、更换优化后增压器和凸轮轴后，台架试验结果表明：优化后的突加功率较原机分别提高了11.1%～27.3%，转速恢复时间缩短了25%～48%；实船验证结果表明：柴油机转速恢复时间大幅缩短，冒烟时长由21 s缩短至9 s，排气烟色符合要求，冒黑烟及响应慢的问题得到解决。

6）优化后的增压器尺寸减小，具备批量生产条件，双增压成本比单增压降低了38.1%，优化后的凸轮轴仅更改进、排气凸轮轮廓，不涉及毛坯和加工成本，因此优化方案的成本更低。

参考文献：

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Analysis and optimization of black smoke and slow response from a diesel engine during clutch engaging

DUAN Yanqiang1， SHI Changping1， LIANG Yi1， GAO Lei1， ZHAI Guangrui2

Abstract：To solve the problem of black smoke emitted during the main engine assembly process of a coastal tugboat， through analysis， it is determined that the main cause is excessive fuel injection by the fuel injector and incomplete combustion caused by slow response of the turbocharger. By installing a fuel limit device， optimizing the turbocharger and camshaft， the single turbocharger is changed by two turbochargers， and the inertia of the turbocharger rotor is reduced from 0.437 kg·m2 to 0.046 kg·m2. The exhaust valve opening increases 15°， intake valve closing decreases 25°， and valve overlap angle decreases 20°， respectively，and the maximum valve lift is reduced by 9%. The optimization scheme is verified through bench sudden load test and actual ship test. The results of the bench test show that at speeds of 350， 400， and 450 r/min， the optimized sudden increase in power increased by 11.1% to 27.3% compared to the original machine， and the speed recovery time shortened by 25% to 48%. The smoke phenomenon during sudden increase in load is significantly improved. The actual ship verification results show that the exhaust smoke color of the diesel engine is almost invisible to the naked eye， the speed recovery time is significantly shortened， and the smoke emission time is reduced from 21 s to 9 s. The problems of black smoke and slow response have been solved.

Keywords：coastal tug; clutch engaging; black smoke; supercharger; camshaft; excess air coefficient（責任编辑：郎伟锋）

收稿日期：2023-06-20

第一作者简介：段艳强（1986—），男，四川乐山人，工学硕士，高级工程师，主要研究方向为船用柴油机性能开发，E-mail：duanyanqiang123@163.com.