一种电喷柴油机喷油提前角连续修正方法

　　摘要：为改善电喷柴油机的燃烧质量，在分析喷油提前角对燃烧过程及参数影响的基础上，提出以单缸排气温度和扫气温度最低值为参照指标的喷油提前角单缸连续修正方法 ( 双低法 )。以瓦锡兰RT-Flex型柴油机为试验对象，在运营中的实船上进行喷油提前角单缸连续修正，记录相关数据并与其他航次进行对比分析，证明该方法可显著提高经济性，主机状况也得到明显改善。

　　关键词：电喷柴油机；燃烧质量；喷油提前角；单缸连续修正；耗油率

　　一、前言

　　船舶柴油机的可靠性和经济性受多方面因素影响，包括燃油品质、燃油雾化质量、缸内工质状态、喷油定时和换气质量等。轮机人员在柴油机的日常维护管理工作中，除严控燃油质量、对各部件定期维护保养外，还需要科学设置各种参数，使柴油机始终处于最佳运行状态。随着电喷柴油机的应用，对喷油定时的调整更加方便，可以实现喷油提前角单缸连续修正，即每天根据柴油机运行参数适时地对单缸喷油提前角修正值进行微调，使运行中的柴油机始终保持良好的工况和较高的热效率。相对于传统的凸轮轴柴油机而言，这是一种新的技术管理手段，因为凸轮轴柴油机的喷油提前角修正需要靠转动凸轮的相对位置来实现，无法对运行中的柴油机进行连续调节。尽管大多数轮机员对电喷柴油机可以实现喷油提前角单缸连续修正有所了解，但笔者调研后发现，自2002年第一台瓦锡兰RT-Flex电喷柴油主机装配国内公司新船以来，很少有人在运行中对喷油提前角进行连续修正。本文结合实际工作经历，分析喷油提前角对燃烧质量的影响，介绍一种瓦锡兰RT-Flex型柴油机喷油提前角单缸连续修正的方法和船上修正过程，通过实船数据验证该方法可显著提高经济性，主机状况也得到明显改善。

　　二、喷油提前角对燃烧过程及参数的影响

　　1.喷油提前角对排气温度的影响

　　柴油机是通过雾化燃油在汽缸中爆燃释放能量对外做功的一种机械设备。爆燃只是多种燃烧形式中的一种，遵循燃烧的基本原理。根据燃烧学理论，燃烧是高速运动的燃油粒子与氧粒子剧烈碰撞，导致化学键断裂和原子重组后释放出能量的一种形式。让燃油在汽缸内充分燃烧释放最大能量是柴油机研究的主要目标之一，柴油机充分燃烧就是要让燃油粒子与氧粒子在一个有限的空间和时间里进行充分且有效的碰撞，这是理想状态。实际上燃烧过程会受到很多条件的限制，如粒子浓度、粒子运行速度、不同粒子浓度比和碰撞持续时间等。喷油提前角的修正，其本质就是在柴油机一个冲程内改变燃油粒子与氧气粒子的有效碰撞时间，即改变每个循环的滞燃期、速燃期、缓燃期和后燃期的相对时间，使燃油在汽缸中得到充分燃烧，释放更多能量，提高对外做功能力。根据能量守恒定律，燃烧释放能量越大，废气的焓值就越小，日常管理中直观表现是排气温度就越低。所以，喷油提前角会直接影响到柴油机的排气温度，这也是把排气温度作为反映喷油提前角是否最佳的一级指标的主要原因。

　　2.喷油提前角对扫气温度的影响

　　根据物理学的气态方程，在相同压力下，扫气温度越低，气体密度就越大，影响柴油机燃烧的过量空气系数就越高，燃烧就越完全，排气温度也就越低。按照一般规律，扫气温度每下降1 ℃，排气温度会相应降低5～10 ℃，反之则排气温度升高。所以扫气温度的高低直接影响到柴油机的燃烧，实际反映在排气温度的高低上。对于现有增压直流二冲程大型船用柴油机而言，压缩空气经同一个空气冷却器冷却后到达扫气箱，此时扫气温度是一致的，通过扫气口进入活塞下部后，各缸扫气温度就出现了高低差异。造成不一致的原因：一是不同的汽缸内燃气通过汽缸壁传导到活塞下部的热量不同；二是与活塞环与汽缸壁密封性好坏导致漏气量的多少有关。另外，如果喷油提前角没有调节到最佳，爆发压力不是最大，后燃现象严重，会导致在活塞下行打开扫气口瞬间汽缸内废气压力高于扫气压力，少量高温燃气反串进入活塞下部，致使扫气温度有所升高，严重的情况下还会导致扫气箱着火事故。所以，单缸扫气温度除主要取决于空气冷却器的效果外，还受到汽缸内燃烧质量的影响。喷油提前角虽然跟单缸扫气温度没有直接关系，但可以通过影响缸内燃烧而间接地影响单缸扫气温度，所以，可以把扫气温度的变化作为反映喷油提前角是否最佳的二级指标。

　　3.反映喷油提前角修正角度是否最佳的指标

　　喷油提前角是否最佳，可通过排气温度的高低或示功图来判断。尽管用示功图来判断喷油提前角是最优选择，但实船上大部分都因价格较贵和故障率较高而没有选择安装电子示功器，只安装了传统的各种温度传感器，因此想通过示功图来判断喷油提前角是否最佳并不方便，为了连续调整喷油提前角而频繁测示功图不太现实。在对喷油提前角进行修正时，如果只参考排气温度这个单一指标，其精确性将受到影响，最好能同时参考两个以上指标。

　　通过对喷油提前角、排气温度和扫气温度三者间相关性的分析可知，喷油提前角不仅直接影响柴油机的排气温度，还间接影响单缸扫气温度，而且排气温度与扫气温度也相互影响。对于这种复杂的关联性，业界至今没有形成具体量化的关系，给实际管理带来了一定的难度。特别是在喷油提前角设定时，无法通过精确的数学计算进行修正，目前仍是依靠经验来操作，这也是在实际管理中很少能做到精确修正的原因之一。由于理论上无法精确计算出修正值，试验法就成了优先选择的方法。而采用试验法就需要参照指标，根据前文分析，可选择具有普遍性且容易观察和读取的温度参数，即排气温度和扫气温度，基于双参数进行调节可保证精准性。具体来说，就是柴油机在一定负荷运行时，如果能通过调整喷油提前角的修正值，使排气温度和扫气温度相对同时最低，此时的喷油提前角即是最佳值。本文将这种以单缸排气温度和扫气温度最低值为参照指标的调节方法称作“双低法”。

　　三、瓦锡兰RT-Flex型柴油机喷油提前角修正值的组成及设置方法

　　1.喷油提前角连续修正的必要性

　　瓦锡兰RT-Flex机型是首先实现船用大型柴油机无凸轮轴的一种机型，该型低速船用柴油机从2002年开始在中国市场装备我司船舶以来，经过十几年的改进和发展，监控系统从早期的WECS-9500 ( Wartsila Engine Control System ) 升级到WECS-9520，技术越来越成熟，装船量也越来越大，相较于有凸轮轴柴油机其优越性得到充分体现。RT-Flex型柴油机通过传感器和计算机技术实现柴油机的电喷控制，使柴油机在运行中能够对喷油提前角实现连续动态调节。尽管如此，在实际管理工作中，船上很少有人对喷油提前角进行适时连续修正，大部分的修正值仍是出厂设置，也就是台架试验或试航时的修正值。船舶柴油机燃烧质量受燃油品质和其他多种因素影响，随着柴油机不断运行，台架试验时的各种条件与实际运行条件存在的差异越来越大，出厂时的修正值已经与船舶营运实际环境不匹配，有时会严重影响柴油机的运行工况，需要根据实际运行情况对喷油提前角进行修正。

　　2.瓦锡兰RT-Flex型柴油机喷油提前角修正值的组成及要求

　　该机型在设计时考虑到了柴油机转速、共轨 ( Common Rail ) 压力和扫气压力等相关因素对喷油提前角的影响，将喷油提前角的修正分成三部分，即可变喷油定时 ( VIT ) 修正值 ( δVIT )、燃油品质设定 ( FQS ) 修正值 ( δFQS )和单缸喷油提前角修正值 ( δCly )。其中，VIT修正值是系统根据柴油机转速、扫气压力和共轨燃油压力自动修正的，是一个自动连续变量，不需要手动调节，只设置了自动修正开关；FQS修正值是根据燃油品质进行修正的，其允许修正范围为±3°；单缸修正值是考虑到单缸运动部件磨损情况不一样，根据单缸实际情况进行修正的，允许修正范围是±1.5°，但必须满足所有缸的修正加权平均值在±0.2°范围内。前两个修正值是针对整台柴油机的实际情况进行修正，对整台柴油机起作用；单缸修正值只是针对单缸的情况进行修正，对单缸起作用。最终单缸的实际修正值 ( δC ) 则是上述三个修正值之和，即δC=δVIT+δFQS+δCly。

　　3.喷油提前角修正值设置方法

　　瓦锡兰RT-Flex型柴油机喷油提前角修正是在监控系统WECS-9520中完成的，具体操作是在柴油机的监控电脑中用鼠标双击flexView监控软件，然后在对话框中输入用户密码，就可以打开监控软件。整个软件由多个目录组成，每个参数对应的条框有白色和暗色两种底色，白色意味其中的参数可以改变，暗色则不能改变。其中对FQS修正值的修正界面在用户 ( USER ) 目录下 ( 见图1 )，界面里FQS后面对应白色条框里的数值就是修正值。在调节 ( ADJUST ) 目录下有单缸喷油提前角修正值设定界面 ( 见图2 )，其中每个缸号后面白条框里的值就是单缸修正值，在汽缸编号列顶有各缸修正值的平均值，底色是暗色，是系统自动计算出的，人工不能改动。如果要改变修正值，只要用鼠标点中白条框，即可以直接输入数值；也可以用键盘上的方向键对数值进行逐步更改，修正幅度默认最小值是0.1°，操作非常方便。

　　图1 FQS喷油提前角修正值设定界面

　　图2 单缸喷油提前角修正值设定界面

　　四、瓦锡兰RT-Flex型柴油机喷油提前角实船修正

　　1.船舶简介

　　某船是2010年从大连中远船坞出厂的30 000载重吨多用途重吊船，主要营运航线是远东—美湾—远东、远东—欧洲—远东、远东—中东—远东和远东—美湾—欧洲—远东。主机是Wartsila 7RT-Flex60C型，持续运转功率为16 520千瓦，运转转速为110.1转/分钟。营运中没有特殊要求时使用380 cst/15 ℃的燃油，但会根据IMO或港口国法规的要求，在高硫燃油和低硫油之间进行转换。由于近年航运市场不景气，为了降低船舶营运成本，公司要求船舶使用经济航速，规定主机转速为80转/分钟。该轮第43航次执行从美国休斯顿到南京航线，笔者当时在船上任轮机长，这也是选择该轮进行喷油提前角实船修正的原因。

　　2.修正前的准备

　　该轮自出厂后主机的喷油提前角就没有进行过修正，根据IMO的规定燃油已经从含硫不高于3.5%变为不高于1.5%，燃油品质发生了变化，需要重新进行FQS初始值修正。为了确保整个调节过程中船舶的安全，同时确保调节的准确性、缩短调节时间，我们采取了以下几个方面的措施：

　　( 1 ) 为了减少外界因素的干扰，避免航行条件变化过大造成调节值不准确，我们选择船舶经过巴拿马运河进入太平洋后水域比较开阔、气象条件较好且稳定的时候进行。

　　( 2 )考虑到在调节过程中可能会发生部分汽缸燃烧恶化，需要密切监视各缸的燃烧状况，一旦发生温度和压力等参数异常或有敲缸现象时，须立即调回原值。

　　( 3 ) 为了避免调节过程的混乱，确保调节结果不如预期时能恢复原态，先将FQS修正值为原始值 ( 即δFQS=0.0 ) 时的单缸修正值记录下来。

　　( 4 ) 考虑到每改变一个设定值柴油机排气温度和扫气温度稳定下来都需要一个过程，为了节省时间，记录在10分钟内不发生变化的温度值。

　　( 5 ) 假设喷油提前角的变化与温度的变化关系是线性的，如果发现提前角修正值变化方向导致排气温度和扫气温度都升高，则认为调节方向不正确，不再沿原方向调节，改为反向修正。

　　( 6 ) 初始修正的目的是先找到单缸最终的总修正角度，为了快速和不造成混乱，先保持单缸原有修正值不变，只调整对整台柴油机起作用的FQS修正值。FQS修正值从零开始，按每次0.1°的幅度开始修正，记录下每个FQS修正幅度对应的各缸排气温度和扫气温度 ( 见表1 )，然后通过横向对比，找到相对排气温度和扫气温度都最低时 ( 表1中红色 ) 的FQS修正值，并将其记录到表2中。那么单缸的原修正值δCly加上FQS修正值δFQS就是此缸的总修正值，这样可避免每缸单独调整时间太长和因调节过程中单缸负荷细微变化造成调节不准确。

　　表1 调整FQS修正值对应的各缸排气温度和扫气温度 ℃

　　( 7 ) 考虑到在FQS修正值调节过程中可能会影响到各缸负荷分配的变化，为了消除可能产生的误差，等到FQS修正值调节结束后再对单缸进行微调修正。

　　根据上述措施进行完初始修正，后续就根据实际情况对单缸每天进行连续修正。

　　3.实际修正过程

　　船舶于2019年2月13日通过了巴拿马运河后，按要求更换了含硫1.5%以下的380 cst燃油，以公司规定经济航速80转/分钟定速航行，海面开阔，风平浪静。一切准备好后，从当地时间上午09：00开始对FQS按每次0.1°的幅度进行调整，并连续记录下每个FQS修正值对应的稳定排气温度和扫气温度。当修正值向正值方向调节时，发现两个温度均升高，认为调节方向可能错了，在调至0.3°后就改为向负值方向调节，发现两个温度均逐步有所降低，于是就一直调节了下去。调节结果的记录见表1。

　　对表1中每缸的两个温度值进行横向对比，找到每缸对应行中相对的双低温度 ( 红色标示 )，并将对应的FQS修正值填入表2中，这个对应的FQS修正值就是δFQS，各缸的原设定值为δCly，最终的设定值为δs。VIT自动设定值是δVIT，因δVIT是一个自动变量，也无法读取，所以未作记录。将相关修正值整理记录入表2中，其中所有缸的FQS 修正值的平均值δFQS平为-0.5°。最终单缸总修正角度就是 δVIT+δFQS+δCly。

　　表2 FQS修正值和单缸修正值记录 ( ° )

　　如果将δFQS的平均值作为FQS的最终设定修正值，不去考虑自动修正的δVIT，那么单缸的最后设定值就是δs=δFQS+δCly-δFQS平，将δs计算结果填入表格2中。然后将FQS修正值δFQS平和单缸对应的修正值δs通过flexView软件中的界面输入监控系统中。再根据温度变化情况分别对单缸进行了±0.1°范围的测试性验证，其中只有第五缸进行了0.1°微调，最终设置结果分别如图1和图2所示。修正好之后，对比修正前后的排气温度、扫气温度、爆压和主机负荷 ( 见表3 )，在外界航行状况和主机转速不变的情况下，主机油门刻度明显下降，但爆压反而有所升高，各缸爆压值更均衡，排气和扫气温度也明显下降，即使第六缸的总运行时间已超过全面检修时间近4 000小时，依然有非常明显的改善，改善最明显的是换新缸套和活塞环后运行才2 000多小时的第二缸。

　　表3 喷油提前角修正前后主要参数记录表

　　在完成上面的初始修正后，接下来进行连续修正。考虑到外界航行条件变化对柴油机燃烧的影响，我们每天早晨观察双温和负荷的变化情况，如果负荷没有变化，排气温度有5 ℃或扫气温度0.5 ℃以上的变化，就对单缸修正值在原修正值±0.2°范围内进行再修正。如果发现温度有下降趋势，就继续修正；如果没有下降，就返回原修正值。通过每天不断的连续修正，确保喷油提前角的修正值始终是最佳的。

　　五、结果验证

　　对该轮主机的喷油提前角进行连续修正后，结果是否与我们预想的达到节省燃油和改善主机设备状况的目标相吻合，需要用最终效果来验证。首先从节油方面来比较，对该轮自2016年11月24日到2019年4月9日所有航次的燃油消耗数据进行统计，包括航线、实际耗油和理论耗油：实际耗油量由二管轮每天根据实际消耗统计得出；理论耗油分为定速航行理论耗油和机动航行理论耗油，是根据试航时标准耗油率2.662吨/小时，再分别对实际载重、主机功率进行修正后得到的，具体公式来自公司的热工报告。定速航行理论耗油量Qf和机动航行理论耗油量Qm计算公式如下：

　　式中：Dt为船舶定速航行时实际载重 ( 吨 )；VS为船舶定速时主机转速 ( 转/分 )；Tf为主机定速运行时间 ( 小时 )；Dm为机动航行时平均载重 ( 吨 )；Tm为机动航行总时间 ( 小时 )。

　　统计该轮从第31航次到第43航次的所有热工报告，具体数据见表4。

　　表4 实船主机油耗统计表

　　该轮第43航次开始段 ( HOUSTON-PANAMACANAL ) 没有对喷油提前角进行修正，过巴拿马运河后才开始进行连续修正，但从表4中统计数据可知，整个航次的实际耗油量仍小于理论耗油量，而除43航次外的其他航次实际耗油均超过了理论耗油量。从31航次到42航次燃油共超耗649.81吨，平均超耗率为4.65%，按此平均超耗率计算该轮第43航次耗油量应为1 160.76吨，而实际耗油量为1 052.13吨，共节省燃油108.63吨，节省率达到了9.36%。同样，根据船舶每日实际油耗可以看出，之前航次每日油耗均为25吨左右，油耗率均在180克/千瓦时以上；第43航次每日油耗明显下降，油耗率降低到170.75克/千瓦时，下降幅度明显。本文统计的第31～43航次，航线涉及远东—欧洲、远东—美湾和远东—中东，时间跨度达两年多，经历的气象条件多种多样，先后由不同轮机长管理机舱，而第43航次节油效果最佳，可充分说明本文方法的有效性。

　　该轮在第43航次靠泊南京港后，在码头卸货期间打开了主机所有道门进行例行检查，变化最明显的是扫气箱状况，内部很清洁，油泥比以往航次明显减少；扫气口、活塞头和活塞环槽也很清洁，没有积炭，缸套内壁状况非常好。汽缸实际照片见图3。另外一个明显的现象，就是航行中后甲板从烟囱掉落的烟灰减少了。这些都说明主机的状况很好或得到明显改善，说明本次喷油提前角连续修正的效果非常好。

　　图3 活塞下部空间、活塞顶和缸套内壁照片

　　六、结语

　　本文以瓦锡兰RT-Flex型柴油机为例进行喷油提前角修正方法研究，此方法 ( 即“双低法”) 也适用于喷油提前角可以进行连续修正的其他电喷柴油机，只是具体的操作界面或软件设置不一样。瓦锡兰RT-Flex机型使用的是flexView系统，而MANB&W ME-C机型使用的是MOP系统。每次喷油提前角修正完成后，并不意味不再需要修正。随着燃油品质、柴油机部件磨损程度以及外界环境等发生变化，仍需要进行连续修正。修正周期可以是每天，也可以是多天，这要根据船舶的实际情况而定。一旦燃油品质发生变化，就需要进行初始修正，否则柴油机燃烧工况会受到较大影响。自2020年1月1日起所有远洋船舶必须使用含硫量低于0.5%的燃油，据了解，自使用低硫油以来，各航运公司已经报告了多起主机缸套过度磨损等事故，至今没有找到很好的解决办法，影响了船舶的正常营运。本文提出的“双低法”喷油提前角连续修正方法，可以给各公司提供一个解决问题的思路。

　　参考文献：

　　[1]汪建生,李君,刘雪玲.燃烧学[M].北京:北京理工大学出版社,2017.

　　[2]李斌.船舶柴油机[M].大连:大连海事大学出版社,2011.

　　作者简介：

　　夏明华，中波轮船股份公司，高级轮机长。

　　杨俊，中波国际船舶管理有限公司，轮机长。

　　本文刊发于《世界海运》2020年第8期，转发须注明作者和原文出处。