【船机帮】船用推进主机冒黑烟故障现象的分析及解决方案

引起发动机冒黑烟的原因多种多样，但是本文仅对船用推进型发动机配用固定桨时，在发动机启动、合拍及加速等负荷突然变化时，发生冒黑烟的情况进行分析，并以德国曼恩L21/31发动机为实例，提出解决方案。

曼恩L21/31发动机机，在用作船用推进主机驱动固定桨时，发现在主机与齿轮箱合拍时以及加速过程中，发生冒黑烟的情况，特别是合拍时由于船舶处于港口区工作，冒黑烟受到港口国的严格限制，轻者罚款，严重时可能船舶被滞留等严重后果，因此主机工作时，是否冒黑烟受到用户的高度重视。 

发动机冒黑烟的根本原因，从理论上讲就是由于增压空气与燃油的比例不合适或油气混合不良造成，对于 L21/ 31 发动机在启动、合拍时发生冒黑烟的原因主要是增压空气的量不足或者说是喷的燃油过多而引起的。

由于该现象多发生在低速大扭矩及负荷突变的情况下，因此要避免该现象的发生，必须从发动机的设计和控制，发动机与螺 旋桨的匹配，推进系统的控制等方面入手进行分析，进而发现原因并找到避免该现象发生的有效措施。

对于用以船用推进，特别是配用固定浆使用的发动机，低速大扭矩是其重要而且常用的工况，因此满足该工况的使用要求是发动机设计者，必须要考虑的重要课题。 

怠速时发动机与齿轮箱合拍的工况，即要求发动机具有良好的低速大扭矩特性，又要具有负荷突加时避免冒黑烟的现象发生，因此从发动机设计的阶段开始，就必须把问题考虑进去。

下面就以 L21/31 发动机为例进行分析。

1. L21/31 发动机的技术特点

为了更好的说明问题，我们有必要首先对L21/31发动机的技术特点进行简单的介绍。

L21/31是德国曼恩公司针对其船用推进应用进行了优化设计，使其能满足该机输出范围内推进服务的特定要求。

L21/31调速器由一个液压调速器和一个可选的电子调速控制模块组成，以便于实现对发动机的精确控制。

L21/ 31推进发动机设计了一个简单的恒压涡轮增压器和排气系统，该系统集成了一个经过尺寸优化，相对狭窄的排气总管，使其可快速获取发动机的负载响应。 

尽管恒压增压系统的设计，有系统简单，制造方便，特别是对于系列发动机易于系列化生产等优点，但是对于发动机在低速低负荷时，由于废气能量不足致使可能增压空气量不足，为了弥补该缺点，系统设计时增加了增压器压缩空气助喷功能，增压器助喷功能就是将压缩空气在增压系统需要时喷入增压器压气叶轮上，以提高压气叶轮的转速从而达到增加压缩空气量的目的，如图 1。

图1 增压器压缩空气原理图

2.L21/31 发动机的负荷扭矩特性

为了验证该发动机的低速扭矩特性，以及能否满足固定桨螺距特性的要求，对于8L21/31发动机（1720千瓦/ 1000 转），根据常用的扭矩和功率计算公式，特作如下计算分析：

T≈9549 P/N 

式中，

T——扭矩 （牛顿米）；

P——功率（千瓦）；

N——转速 （转/分钟）。

因此，发动机在100%功率时，能提供的最大扭矩为：

T=9549×1720/1000=16424.3牛顿米。

根据发动机的负荷扭矩特性曲线图，可知，发动机在最低怠速500转时，短时间内能提供的最大扭矩约为在100%转速时的30%左右，约为16424.3×30%=4927牛顿米。 

根据船舶螺旋桨推进理论，有：

P=K×n³ =K×（N/A）³ 

式中，

P——功率（千瓦）；

n——螺旋桨转速 （转/分钟）；

N——发动机转速（转/分钟）；

A——减速齿轮箱的减速比；

K——常数。 

因此，有以下计算： 

1720=K×（1000/A）³  K=1.72x10-⁶×A³

当发动机500转时，按理论螺旋桨运行，发动机需要输出的功率为： 

P=K×n³=K×（N/A）³=1.72×10-⁶×A的³×（500/A）³=215 千瓦。

此时需要的扭矩为： 

T=9549×P/N=9549×215/500=4106牛顿米。

3.推进主机的合拍扭矩

为了评估在低负载下发动机动态运行的安全裕度，模拟进行了主机/齿轮箱合拍时扭矩的变化过程，并对一个实际的案例进行分析研究，该案例船型为多功能特种作业船。

该船由 2 个 8L21/31 主发动机提供动力，配有减速齿轮箱和固定螺旋桨。

合拍扭矩在齿轮箱输入轴上进行评估，包括以下内容：

①起动对应于艉管轴承的滑动摩擦。

扭矩评估值为 0.29 千牛米，大约在艉轴1转后认为扭矩消失。

②变速齿轮箱和螺旋桨的惯性扭矩在约6秒内从0转加速到500转的主机合拍转速—主机怠速。 

加速度被认为是恒定的，恒定的转矩约为1 千牛米。

加速达到稳定的主机怠速后，这一恒定的转矩也随之消失。

③固定螺旋桨的液力扭矩与螺旋桨设计时设计的螺距/盘面比相关，对于给定的船型来说，螺旋桨的液力扭矩与其转速成正比，在发动机怠速（500 转）下的功率消耗预计为 200千瓦，对应的扭矩为3.82 千牛。 

合拍后发动机恢复到稳定的怠速运转时，这也是此时唯一作用在发动机上的扭矩。 

④合拍过程的时间大约为 6 秒。 

因此，从以上测量在发动机500转和齿轮箱合拍时的扭矩（3.82 千牛）和根据发动机的负荷特性曲线短期允许的最大扭矩（4.927 千牛）的结果来看，发动机在 500转时扭矩有足够的裕度，可以满足合拍时对主机低速大扭矩的要求。 

4.发动机与螺旋桨的匹配

为了保证发动机以及整个推进系统，在发动机全工况下（低速大扭矩，高速大负荷以及突然变负荷，持续加负荷等）和不同的海况（无风无浪和迎风迎浪），以及污底船壳和污损螺旋桨等各种情况下良好的运行，发动机与螺旋桨的良好匹配极为重要，图2为L21/31推进用发动机的特性及发动机生产厂家推荐的机桨匹配曲线图。 

图2 L21/31 发动机负荷尧扭矩尧转速特性曲线

从以上发动机厂家推荐的机桨匹配设计，可以看出厂家建议螺旋桨设计时留有 3.5%~6%的轻桨裕度，或者说发动机留有10%~15%的功率储备。

以避免船舶在航行时遇到风浪，或船舶运行若干年后由于船底污壳和/或污桨，造成发动机重载或过载运行。

因此，在螺旋桨设计时要留有适当的轻桨裕度，确保船舶在以后若干年的运行中无论何种工况发动机都不会超负荷运行，引起发动机热负荷过高、冒黑烟等不良情况的发生。

虽然在发动机和螺旋桨设计阶段已充分考虑发动机用于固定桨推进的特性，但是只有将发动机的有关运行参数作适当的调整，才能使其特性得以发挥。 

在系泊/试航过程中，必须正确设置以下项目，以避免启动，齿轮箱合拍和负载突然增加时产生大量黑烟。 

①主机与齿轮箱合拍时的转速，大家知道对于固定桨来说，转速越高，需要驱动其的动力也就越大。

为了尽可能减少合拍时发动机的动力输出及发动机负荷的突变，发生冒黑烟的可能性，同时提高船舶进出码头需要频繁前进后退的操作，因此尽量降低发动机合拍时的转速是发动机可操作性的一个重要指标。 

②发动机怠速的降低又受制于发动机本身运行的稳定性、滑油压力低报警以及高温水压力低报警等因素的限制，同时也与具体的船舶推进系统的机械设计相关，因此对于具体的项目实际的怠速数值必须在码头试验时进行测试而最后确定。

总体而言对于L21/31发动机，发动机的怠速设定在500~550转是合适的。 

③燃油限制，在试航期间必须对调速器的燃油限制功能根据不同的负荷进行限制，避免过多的燃油喷入气缸，造成冒黑烟的情况发生。 

我们知道调速器的主要功能是通过提供适当的供油量，以维持指令下的发动机转速恒定，但是实际的操作中调速器 PID（比例、微分和积分）模块计算的需求油量与发动机负荷突变时实际的燃油量的需求有偏差。

如果PID计算的需求油量大于实际需求，就会发生冒黑烟的情况。

图3 发动机与齿轮箱合拍时主要参数变化曲线图

图3为在电子调速器控制器上实际测得的发动机转速、指示负荷以及设定的燃油限制线和调速器PID计算的燃油量的指示图。 

图中灰色的部分为调速器限制避免过多的喷油量。

这样就能有效地避免突加负荷时冒黑烟现象的发生。 

燃油限制的设置必须在海试时反复调试，已取得合适的值，既能起到有效地限制过多的燃油喷入气缸造成冒黑烟现象的发生，又不能由于燃油限制的太紧给发动机启动、加速和变负荷时造成困难。 

④在发动机的控制系统中对增压器的助喷功能进行检查试验，有关的参数进行适当的设定，确保助喷功能的良好运行。

增压器压缩空气助喷功能效果的验证，通过比较增压器助喷功能开启前后增压器的转速，可以检验助喷效果。

对于L21/31发动机而言，一般发动机在怠速运行时，助喷后增压器的转速增加500到800转，我们就可以说助喷达到了良好的效果。

⑤齿轮箱合拍过程的调整，齿轮箱离合器的啮合多为液力耦合，通过调整液压耦合过程的时间，达到“软”合拍的效果，从而降低负荷突变的强度，有助于实现避免发动机冒黑烟的情况的发生。 

⑥推进控制系统的设置，大家知道增压器压缩空气助喷从开始助喷到达到良好的效果，需要一定的时间，因此在推进控制系统设置时必须确保增压器压缩空气助喷功能的启动先于齿轮箱的实际合拍。

实际运用中可以通过将操作者合拍的指令分为平行的两路，一路送入主机控制箱作为启动增压器压缩空气助喷功能的指令；

另一路可以先通过一个延时继电器，然后送入齿轮箱控制箱作为齿轮箱合拍的指令。

合拍延时的时间即为助喷功能启动的提前时间。 

合拍延时与船舶的操纵直接相关，具体的延时时间要做到既能使助喷起到良好的效果，又要做到不影响船舶的正常操作。

一般2到3秒是合适的。

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