船用高速柴油机低负荷的使用管理要求

TBD620柴油机是世界著名的船用高速柴油机之一。它采用独特的进气涡流控制技术,改善低负荷性能、降低排放和油耗;利用燃油喷射、空气涡流和燃烧室三者的优化匹配,使柴油机保持低负荷运行的优势。许可证技术生产的TBD620柴油机已广泛应用于船用主推进、发电机组、钻井、机车等动力。由于国产化制造与原装机存在一定的差异,因此需要加强对柴油机使用的严格管理(特别是有低负荷运行要求的柴油机),包括新机出厂时的调整以及使用过程中的维护、保养。本文在研究TBD620柴油机特点的基础上,结合使用经验和专业分析,对配气定时、喷油时间及喷射系统稳定工作等方面提出了具体的建议。一、柴油机的低负荷特性直喷式柴油机的特点:

在部分负荷时,由于气缸内涡流强度较低,在供油量较多的情况下,空气与燃油不能较好地混合、燃烧。TBD620柴油机在用于发电机组时,为了改善低负荷性能,除沿用TBD604B柴油机的高低负荷最佳进气涡流控制机构外,还匹配了能够长期低负荷运行的专用喷油器。TBD620柴油机的进气道为双气道,分为直流和涡流气道，且在直流气道中装有控制阀板。直流气道内控制阀板的启闭和开度是由增压压力控制的。在低负荷时,控制阀板在弹簧作用下关闭,空气由涡流气道进入,产生较强的进气涡流,形成良好的混合气;随着负荷的增加,增压压力逐渐增大,控制阀板也随之打开,空气由涡流气道和直流气道一同进入,增加进气量,满足高负荷时新鲜空气的要求。TBD620柴油机的进气工况可分为三个阶段:(1)低负荷:0～37%负荷,主要由涡流气道进气;(2)部分负荷:37%～50%负荷,主要由涡流气道进气,直流气道流量逐渐加大;(3)高负荷:51%～100%负荷,双气道同时进气。下面重点分析0～37%低负荷性能。图1～4给出了TBD620柴油机5%、10%、25%、37%四种工况下的仿真计算和试验计算放热规律曲线。图15%负荷放热规律5%负荷时,放热规律只有一个峰值,且燃烧持续期极短,只有10℃A,最大放热率达到了0132kJ/℃A,表明由于较强涡流的作用,使滞燃期混合良好,保证了燃烧质量。图210%负荷放热规律10%工况时,放热规律已开始产生两个峰值,但第二个峰值很小。可见,前期的预混燃烧量极大,后期的扩散燃烧量较小。说明燃油喷入气缸内后,在滞燃期内由于涡流的作用,形成较好的可燃混合气,保证了预混燃烧过程的进行。图325%负荷放热规律25%工况时,预混燃烧量相对于10%负荷工况并没有增加多少,但由于喷油量增大,导致其扩散燃烧量增大,燃烧持续期延长,第二峰值增加较大。图437%负荷放热规律37%工况与25%工况的放热规律相比,第二峰值明显增大,燃烧持续期延长。在试验中,37%负荷时，直流气道的控制阀板开始慢慢打开,直到约50%负荷时,阀板完全打开。从TBD620柴油机低负荷放热规律可以得知:柴油机在低负荷时,其预混燃烧量与高负荷相当,说明其可燃混合气的形成以及燃油与空气的混合较好,保证了低负荷时燃烧过程的顺利进行。从燃烧过程的角度来看,低负荷时主要是以预混燃烧为主,由于油量小,扩散燃烧几乎没有,因此改善了滞燃期内空气与燃油混合的质量,也就改善了低负荷时的燃烧,这就是TBD620柴油机低负荷性能优良的主要原因。因此,为了确保柴油机运转的平稳性并兼顾其良好的经济性,在设计和使用管理时,不仅要考虑标定工况,更要兼顾低负荷的运行。如低负荷时,各缸工作不均匀度增加;喷油提前角增大(或减小)时,会使压力升高比λ和最高燃烧压力pz增大(或减小),增大对运动件轴承的冲击,或后燃加剧,使排温Tr

增加;喷油压力降低,会使雾化质量降低,混合效果不好等。2、TBD620柴油机的试验国产化率约为82%的TBD620V12柴油机(1251kW/1500r/min)进行10%、25%、50%、75%、100%、110%负荷特性试验,试验数据见表1。在整个试验过程中,TBD620柴油机充分显示出其低油耗、燃烧柔和、排温低和烟度好的特点。用作船用主推进的TBD620柴油机还面临着“怠速”工况的考验,所谓怠速通常是包括怠速暖机和怠速接排(接合齿轮箱)工况。图5为TBD620V16柴油机的螺旋桨特性曲线。图5TBD620柴油机螺旋桨特性曲线TBD620V16柴油机(2336kW/1860r/min)按螺旋桨特性运行时,在1000r/min下,功率约为20%标定工况,此时突加功率最多提高到25%。如果在实际使用中,怠速接排的转速规定在600～800r/min范围内,那么此时的运行可靠性可能会有一定问题。这说明按主推进使用的柴油机,其低工况运行的条件要相对差得多,有必要在使用中严格加强管理。二、提高低负荷的使用管理因素为保证燃油与空气的混合质量,TBD620柴油机在结构设计上提供了有利的条件。但还是要考虑长期低负荷运行时出现的燃油喷射压力下降、进气量不足、混合气质量不高等带来的燃烧恶劣、积炭严重、燃油消耗率大、烟度增加、滑油稀释等问题。为满足柴油机低负荷使用要求,应注意基本的管理原则:(1)正确及时地检查、调整喷油提前角;(2)保证喷油器的雾化质量;(3)保持喷油器所要求的喷射压力。1、定期校验喷油提前角TBD620柴油机的喷油提前角对应于不同转速、不同用途有不同的要求。使用说明书中给出的喷油提前角均为几何喷油提前角,要求按此检查、调整。TBD620柴油机喷油提前角的调整方法可采用表压法、测飞轮弧长法和滴油法。在调整、检查时,可用其中一种方法来调整到规定值的上限,用另一种方法进行复查。用于发电机组时(如1251kW/1500r/min),考虑到需要长期在低负荷下运行以及在这种工况下磨损会加大等因素,建议按照维修表中规定的“1500h需要重新调整检查喷油提前角”的一半时间执行。针对用作船用主推进的TBD620柴油机(如2032kW/1800r/min)(特别是带定距桨)的特点,建议按照维修表中规定的“1000h需要重新调整检查喷油提前角”的一半时间执行。2、加强严格管理配气定时船用高速柴油机在使用过程中使配气定时变化的因素很多,主要的有以下几点:(1)气阀传动机构部件的磨损(摇臂、挺杆和挺柱);(2)凸轮磨损(粘结)而使型线发生变化;(3)凸轮轴传动齿轮装配不当或磨损;(4)气阀积炭或磨损。其中最常见的是由于凸轮和气阀磨损,使得气门间隙增大。TBD620柴油机在使用期间,必须按照维修表及时检查配气定时,尤其是更换配气机构个别零件后,必须按照使用说明书的要求对配气定时进行调整。为了避免TBD620柴油机长期在低负荷运行使用过程中出现早期过度磨损,提高运动件耐磨性、密封性和可靠性,需要经常地检查摇臂、阀桥、推杆的表面质量,并复查气门和阀桥的间隙(冷态);必要时,还要检查挺柱和凸轮轴接触面的工作情况,防止挺柱和凸轮轴的接触面因高应力而拉毛。3、测量各缸工作不均匀性如果各缸工作不均匀,则在较大工况运行时,可能会发生单缸超负荷现象。气缸过载时,燃烧质量较差,热应力增加,积炭增加,过载气缸将容易损坏。另一方面,一些气缸在负荷不足的情况下工作,燃油消耗量增加,冒烟增加,柴油机波速,工作不稳定。原则上,柴油机在标定工况时可以做到工作均匀。但是,当部分负荷运行时,特别是在20%以下负荷和怠速时,则不再能保证均匀供油。各气缸的负荷也是不均匀的。如果还考虑到两列可控涡流机构工作不同步带来的影响,各缸工作不均匀性,可能会以A、B两列排气温度的不均匀性来体现。测量各缸工作不均匀性的常规办法是检查各缸排气温度,通过各缸排温的差异来判断各缸工作的均匀性。4、燃油系统磨损的对策船用柴油机的燃油系统首先受到磨损的是高压油泵、喷油器的精密偶件。它们的磨损,会引起雾化质量、供油量一致性、供油规律、各缸供油均匀性、喷油提前角等发生变化。TBD620机采用整体式喷射泵,悬挂式吊装法兰。该泵具有体积小,供油承载能力强的特点。TBD620柴油机喷油器采用多孔闭式低惯量喷油器。当用于发电机组,且有低负荷长期运行要求时,采用专用喷油嘴,在减小喷孔直径的同时,压力室容积约为标准喷油嘴的50%,使柴油机在低负荷运行时,减少对气缸内滑油的稀释作用,同时减少HC的排放。减小喷孔直径,可以提高燃油雾化质量,但也存在油束贯穿度不足、喷油持续期长的缺点,加上进气涡流强度相对较大,使前后油束间产生了重叠,致使燃烧相对恶化。而这种现象往往发生在燃油系统有了磨损的时候。所以,在柱塞副、输油阀副和针阀副有较大磨损时,必须及时地进行调整。对于用户来说,检查、调整燃油系统是比较困难的,建议由制造厂有经验的专业人员来进行。四、结论(1)TBD620柴油机采用的可控涡流进气道是一种比较实用、可靠的进气系统,台架试验和实际运行情况表明,可以减少低负荷时的排放、噪声、烟度和燃油消耗。为确保柴油机运转的平稳性并兼顾其良好的经济性,在使用管理时,不仅要考虑标定工况,更要考虑到低负荷情况下的运行