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介绍
随着航运业的发展，定距螺旋桨在现今的船舶动力系统中应用越来越少，但在某些特定场合仍必须使用定距螺旋桨，主流船舶推进柴油机与定距螺旋桨的匹配经验较少。
某船首次使用16PA6柴油机匹配定距螺旋桨，在突加负荷过程中出现冒黑烟现象。
通过对该故障的分析，提出了几种解决方案，并进行了实船验证。
1、故障现象
某船主推进系统采用双机双桨模式，主要由柴油机、减速箱、定距螺旋桨等设备组成。
柴油机型号为—，为四冲程、16缸、V型、废气涡轮增压中速柴油机，其主要参数见表1。
近年来，该柴油机作为船舶主机得到广泛的应用［2］。
柴油机起动怠速设定为450r/min。
在进行海上主机连接试验时发现：
大量浓浓黑烟从主机排气口冒出，持续约30秒。
由于飞机排气管布置在两侧底部，部分在水面以下，部分排气烟气经过水面后，大量碳烟颗粒漂浮在水面上，如图1所示。
图1 黑烟现象
这种现象不仅影响柴油机燃烧室部件、喷油器的使用寿命，而且污染环境，特别是水质；作为船舶主机使用时，非常容易暴露其行踪。
因此，督导方建议，必须高度重视并及时解决这一问题。
2.原因分析
由于该柴油机为新安装，且两艘船的4台发动机均出现同样问题，因此故障原因初步判定为：
排气过程中，进气不足，燃料供给量大，造成燃料燃烧不完全。
具体分析如下：
柴油机为涡轮增压柴油机柴油机冒黑烟打不燃火，涡轮增压器与柴油机之间通过气动方式连接，由于管路中气体的压缩性以及供油、喷射、点火、燃烧等过程的延迟[3]，造成涡轮增压器、柴油机供油系统的响应滞后以及二者之间的协调不畅。
由于船舶采用定距螺旋桨，当柴油机接入后，负荷突然增加，此时调速器会迅速增加燃油供给量以保持转速不变，燃油架数量迅速增加。但涡轮增压器建立转速需要一定的时间，无法立即为柴油机提供突然增加负荷所需的增加空气量，因此进入气缸的空气量不足[4]，导致燃料燃烧不完全。
不完全燃烧的燃料在燃烧室高温、缺氧的环境中发生裂解、聚合，形成烟灰；
碳烟的反应速度比气化燃料慢得多，所以来不及燃烧就以黑烟的形式排放。
这也是废气涡轮增压柴油机在突负荷运转时，不同程度地冒黑烟的原因。
一旦增压器响应匹配，冒黑烟现象就会消除［5-6］。
要解决这个问题，必须同时考虑排气速度、燃料、进气量等各方面因素。
3.解决方案及实施
1.改变怠速
连接时主机怠速发生变化，试验数据及烟气情况如表2所示。
从表2的数据分析可知：
（1）当怠速提高到500r/min时，排烟时间约为35s船舶安全管理体系软件，且烟量为大量浓黑烟。
这表明，提高柴油机排气转速将使冒黑烟现象更加严重。
（2）当怠速设定为400 r/min时，排烟情况得到部分改善，排气颜色变成灰色，时间缩短为20 s左右，且在水面上出现少量烟灰颗粒。
这表明降低主机怠速后，冒烟情况趋于改善。
（3）当怠速设定为380r/min时，排烟情况明显改善，排烟变成浅灰色，持续时间缩短近一半，水面上几乎看不到烟灰颗粒。
但由于柴油机润滑油、海水等系统均采用机带泵驱动，其系统压力与柴油机转速有关，在此怠速状态下长期运转，将出现多个系统低压报警，影响主机长期安全可靠运行，因此不建议实施。
由于该型柴油机在其他船舶上主要与调距螺旋桨匹配，所以怠速一般设定为400r/min。
从长远角度考虑，不建议采用380r/min的连接方案。
根据经验主机怠速设定为400r/min，其他解决方案不断探索。
2. 快速增加或减少速度
连接负载前先将主机转速提升至500r/min，连接负载瞬间迅速将主机转速降至400r/min。
利用增压器的高速惯性，增加进气量，改善烟尘情况。
实船试验数据如表3所示。
从试验数据看，当连接转速为400r/min时，改善效果与方法一类似，改善并不明显。
可能的原因是排气过程需要一定的时间，增压器转速惯性较小，转速提升不大，排气瞬间增加的进气量仍达不到燃烧所需的空气量。
3.优化控制流程
从有功功率监控角度进一步优化泄放控制方案，保证泄放阶段供油限制。
具体实现方法：
调整发动机侧转速控制模块中400r/min附近最大油门限制线，使主机连接过程中最大油门限制值由原来的60%降低到40%；
同时将柴油机调速执行机构备用转速降至350r/min（以保证接入过程中调速控制器主控制电流参与控制，使油门最大限度设定能有效实施）。
试验数据如表4所示。
可见的：
降低转速控制模块中的油门限制值后，排气过程中冒黑烟的现象得到改善。
4.增压器增加辅助喷雾装置
在增压器上增加辅助喷射装置，在主机接排气前提前打开电磁阀，向进气歧管内喷入一定量的空气，以满足柴油机接排气时进气量需求，使燃料充分燃烧，进而改善冒黑烟现象。
具体实现方法如下：
一路压缩空气从柴油机启动空气系统中的空气滤清器（图2中的2）（以保证进入柴油机的空气的洁净度）送至柴油机进气管。
图2：加压空气供应方案
柴油机接排气时电磁阀控制延时关闭3s（时间根据实际船舶调整）。
电气控制原理如图3所示。
图3 电磁阀控制系统示意图
主机连接时，通过舰船控制台上的操作手柄进行正向或者反向连接，连接信号经遥控系统处理后送至供气电磁阀；
同时利用时间继电器延时排气电磁阀的动作（3s）和延时升压、供气电磁阀的关闭（15s）。
通过补风方式迅速增加进气量，以满足排气时燃料燃烧所需的空气量。
但该方法需要对机舱机械设备进行较大改动，且由于空气瓶容量有限、管路布置和电气改造繁琐、测试耗时等因素，尚未进行试验。
经过对以上四种方法的综合分析及实船试验，并结合实际船况，最终确定的解决方案为：
柴油机起动怠速设定为400r/min，同时在此转速下优化接排油过程中供油量的最大油门限制，由原设定的60%降低为40%；
并将柴油机调速执行机构备用转速降低至350r/min。
实施该方案后，排烟时间缩短为10s左右，烟雾变成浅灰色，水面上无烟尘颗粒漂浮。
实际效果如图4所示。
图4 改进后冒烟现象
四、结论
实际船舶运行状况表明：
采取的解决办法是有效的，改善了柴油机在排气过程中冒黑烟的现象。
该型船已在海上运行两年多，没有再出现大量黑烟的现象，同时主动力系统保持良好的运行状态。
参考：
［1］ 胡国红． 柴油机车冒黑烟故障原因及处理［J］． 机械管理发展，2017(8):190-191。
［2］何磊, 唐少华, 何万国. 基于的电液调速器PID整定对柴油机调速特性影响研究［J］. 柴油机, 2017, 39(1): 38-41。
［3］姚春德, 徐光兰, 韩伟强, 等. 消除柴油机黑烟的电动增压器电控系统设计［C］. APC联合学术年会论文集, 2009: 216-224。
［4］ 李琳, 徐洋, 王钦昭. 电控柴油机冒白烟原因分析及解决方法［C］. APC 联合学术年会论文集, 2012。
［5］徐建明, 陈长根, 黄志远. 柴油机冒黑烟原因分析及处理方法［J］. 中国船舶修理，2009(5):25-27。
［6］王林英, 朱旭聪, 刘丕清. 柴油机冒黑烟特殊故障分析及排除方法［J］. 柴油机, 2014, 36(3): 57-59。
原作者：
1. 唐少华、张伯伦船舶配件，上海船用柴油机研究所
2. 孙玉波 陕西柴油机重工有限责任公司
·结尾·
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