某船用發電輔機性能優化

劉錦榮 范希聰 和曉鋒 王佳倫 張智勇 白書戰

摘要： 為降低某船用發電輔機常用工況油耗，采用仿真分析確定最佳配氣相位、壓縮比、柱塞速度；通過負荷特性試驗及正交試驗，確定最佳噴油器方案；通過熱怠速試驗選擇合適的機油泵、海水泵；通過臺架負荷特性試驗對比發電輔機優化前、后的油耗。結果表明：該發電輔機優化后，進氣關閉角對應的曲軸轉角為565°，排氣開啟角對應的曲軸轉角為135°，壓縮比為15.5，最高柱塞速度提高至2.54 m/s，選用噴孔直徑為0.32 mm、噴孔錐角為158°的噴油器，機油泵、海水泵體積流量分別降低10、15 m3/h，輔機常用工況區油耗比原機下降4～5 g/（kW · h），達到降低油耗的目的。

關鍵詞： 船用發電輔機；油耗；配氣相位優化；噴油器選型

中圖分類號：TK421 文獻標志碼：A 文章編號：1673-6397（2024）01-0071-04

引用格式： ?劉錦榮，范希聰，和曉鋒，等.某船用發電輔機性能優化［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（1）：71-74.

LIU Jinrong， FAN Xicong， HE Xiaofeng， et al.Performance optimization of a marine auxiliary generator［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（1）：71-74.

0 引言

船用發電輔機是保障船舶正常運行的主要設備，可用于船舶上主電源、應急電源、電力推進系統的電力供應。降低船用發電輔機油耗有利于降低運行成本，提高能源利用率，目前主要從提升缸內循環熱效率和機械效率2個方面研究柴油發電機油耗降低策略。喬海波等[1]、趙峰等[2]通過進氣可變正時氣門（variable valve timing，VVT）試驗研究，提出進氣門開啟時間持續延長可減少低速工況中小負荷泵氣損失，降低發動機油耗；雷基林等[3]、鄭宇等[4]對配氣相位進一步優化，降低油耗；劉波波等[5]、馬富康等[6]、王毅等[7]理論分析了壓縮比對換氣過程、燃燒過程和燃燒質量的影響，發現增大壓縮比能有效降低油耗；王曉艷等[8]、丁技峰等[9]、郝倩等[10]通過仿真分析和試驗驗證，表明噴油器與燃燒室的合理匹配能改善燃燒，降低油耗；孟慶江等[11]、張子慶等[12]、杜小樹等[13]分別從柴油機水泵、關鍵零部件摩擦功損失、機油泵等方面進行研究，降低發動機油耗。但以上只針對油耗的部分影響因素進行研究，未考慮綜合因素的影響。本文中針對某船用發電輔機，從配氣相位、壓縮比、噴油器選型、減小附屬結構的摩擦損失等方面進行仿真分析與性能試驗，有效降低該發電輔機油耗。

1 理論分析

1.1 輔機性能

某船用發電輔機主要技術參數如表1所示（表中排氣開啟角以壓縮上止點曲軸轉角為基準）。該發電輔機為同排量中低功率段機型，兼顧結構通用性，發電輔機開發時，其進排氣門升程曲線、供油凸輪型線、活塞、噴油器等關鍵性能配置與同排量高功率段輔機相同，導致負荷特性下油耗較高，常用工況油耗比同類產品高3～4 g/（kW · h）。

1.2.1 配氣相位優化

由于發電輔機工作模式為額定轉速，選額定工況和發電輔機常用的負荷比（輔機功率與額定功率的比）50%工況優化配氣相位角；基于油耗最低原則確定排氣開啟角；為保證燃料充分燃燒，基于過量空氣系數最高原則確定進氣關閉角。仿真分析配氣相位對相關參數的影響如圖1所示。

由圖1可知：隨著進氣關閉角增大，過量空氣系數先增大后減小，基于過量空氣系數最高原則，進氣關閉角對應的曲軸轉角為565°；隨著排氣開啟角增大，泵氣功先增大后減小，油耗先減小后增大，基于油耗最低原則，確定排氣開啟角對應的曲軸轉角為135°。

由于發電輔機對排溫要求較高，保持氣門重疊角不變，使發電輔機燃燒過程掃氣效果較好，冷空氣進入后降低排溫。優化前、后的配氣相位如表2所示。

1.2.2 壓縮比優化

增大壓縮比可提高平均循環吸熱溫度，降低平均放熱溫度，增大膨脹比，從而增大循環熱效率和平均有效壓力，提高理論循環經濟性和動力性[8]。額定工況下，不同壓縮比下爆發壓力與油耗仿真分析曲線如圖2所示。

由圖2可知：根據額定工況爆發壓力小于等于19.0 MPa的限值要求，結合降低油耗的原則，將原來的壓縮比由14.5優化為15.5。

1.2.3 柱塞升程優化

圖3 ?原機、優化方案的柱塞升程和柱塞速度對比

原機供油型線最高柱塞速度為2.3 m/s，原機額定工況對應的最大噴油泵端壓力為109 MPa，離泵端壓力不得超過150 MPa的限值仍有較大裕度。優化柱塞升程，改變供油型線，提高柱塞速度，即提高供油速率，在不增加噴油器流量的前提下提高全工況噴油泵端壓力，改善全工況尤其是中低負荷工況燃油霧化質量，同時適當縮短噴油持續期，降低油耗。

原機、優化方案的柱塞升程和柱塞速度對比如圖3所示。由圖3可知，供油型線優化后最高柱塞速度提高至2.54 m/s。

1.3 噴油器選型

為滿足優化方案供油型線對應的目標噴油持續期的要求，選擇噴孔直徑分別為0.34、0.32 mm的2種噴油器，記為方案A、B；基礎噴油器錐角為156°，通過加減噴油器墊片，調整噴孔錐角為154°、156°和158°，記為方案1、2、3；將不同的噴孔直徑、噴孔錐角進行組合，記為方案A1、A2、A3、B1、B2、B3。根據正交試驗法[14-15]，選取噴油器方案B1、A2、B2、B3進行負荷特性試驗，綜合最優油耗選取最佳噴油器方案。

1.4 機械效率提升

提高機械效率，應盡可能減少機械損失，包含驅動柴油機附屬機構的功率損失，如船用發電輔機附帶的海水泵、淡水泵和機油泵等[16-17]。通過對標同類產品，適當優化海水泵及機油泵以減少驅動柴油機附屬結構的功率損失。采用優化機油泵齒輪寬度及葉片尺寸等結構參數，降低原機機油泵流量和海水泵流量，減小驅動附屬機構的功率損失；同時提高機油溫度，減小機油黏度，降低各軸承摩擦損失，從而降低油耗。

由于機油壓力隨機油泵流量減小和機油溫度升高而降低，可能造成熱怠速工況（轉速為375 r/min）下機油壓力不足；由于進機空氣需要用海水泵冷卻，減小海水泵流量后進機空氣溫度是否滿足發電輔機要求，需進行試驗驗證。

2 性能試驗

2.1 負荷特性試驗

選取噴油器方案B1、A2、B2、B3進行負荷特性試驗，試驗時，輔機轉速為額定轉速750 r/min，選取額定工況、負荷比75%、負荷比50%3個工況，不同方案、負荷工況下，噴油器油耗試驗結果如表3所示。

由表3可知：選用方案B3，即噴油器噴孔直徑為0.32 mm，噴孔錐角為158°時，發電輔機油耗最低；小噴孔噴油器比大噴孔噴油器的油耗更低，原因為小噴孔可改善燃油霧化質量；大錐角噴油器比小錐角噴油器的油耗更低，原因為壓縮比增大后，大錐角噴油器可提高燃燒室上部空間的空氣利用率。為降低油耗，可選擇小噴孔大錐角的噴油器。

2.2 熱怠速試驗

優化機油泵和海水泵后，經過計算分析，原機機油泵體積流量從55 m3/h減小至45 m3/h，原機海水泵體積流量從60 m3/h減小至45 m3/h。對改進后的發電輔機進行熱怠速試驗，將轉速為750 r/min時的額定工況快速降低至轉速為375 r/min的怠速工況，此時機油壓力為210 kPa，滿足小流量機油泵機油壓力大于200 kPa的試驗要求；額定工況進機空氣溫度滿足進機空氣溫度不得超過60 ℃的限值要求，改進后的發電輔機滿足試驗要求。

2.3 負荷特性對比試驗

綜合采用1.2.1節的配氣相位、1.2.2節的壓縮比、1.2.3節的柱塞升程、2.1節的噴油器、2.2節的機油泵和海水泵進行發電輔機性能優化后，額定轉速下，負荷比分別為100%、75%、50%和25%時，對原機和性能優化機型進行負荷特性試驗對比，結果如圖4所示。

由圖4可知：采用以上措施優化后，常用工況（負荷比為50%～75%）下，輔機油耗下降4～5 g/（kW · h），油耗明顯降低。

3 結論

針對某船用發電輔機油耗過高現象，采用仿真分析優化配氣相位、壓縮比、柱塞升程曲線，并通過負荷特性試驗確定最優噴油器，熱怠速試驗確定最佳海水泵方案。

1）小噴孔噴油器可以改善燃油霧化質量，大錐角噴油器可提高燃燒室上部空間的空氣利用率，兩者結合，可降低柴油機油耗。

2）優化配氣相位、加大壓縮比、提高供油速率、優化噴油器、減小機油泵和海水泵流量等措施均有利于降低油耗。但壓縮比增大使爆發壓力增大，減小機油泵和海水泵流量影響怠速機油壓力及額定工況進機空氣溫度，應結合負荷特性試驗和熱怠速試驗確定優化方案。

參考文獻：

[1] ?喬海波，張鵬，樸鐘南，等.基于降油耗目的的凸輪軸方案研究[J].小型內燃機與車輛技術，2016，45（3）：63-68.

[2] ?趙峰，肖有強，杜偉康.凸輪軸配氣相位對發動機性能的影響[J].內燃機與動力裝置，2022，39（6）：24-28.

[3] ?雷基林，張學文，畢玉華，等.增壓柴油機配氣相位與凸輪型線的優化[J].科學技術與工程，2010，10（32）：7920-7925.

[4] ?鄭宇，孟凡旺，張強.配氣正時對增壓發動機性能影響綜述[J].內燃機與配件，2019（15）：52-55.

[5] ?劉波波，董健，李煜輝.壓縮比對增壓柴油機低負荷經濟性的影響[J].內燃機，2016（3）：45-47.

[6] ?馬富康，董小瑞，張翼.柴油機壓縮比對整機性能的影響研究[J].拖拉機與農用運輸車，2006（4）：37-38.

[7] ?王毅，薛冬新，殷玉龍，等.增壓柴油機壓縮比與配氣相位優化研究[J].農業裝備與車輛工程，2016，54（6）：37-40.

[8] ?王曉艷，賈德民，李志杰，等.船用大缸徑柴油機燃燒系統的仿真研究與工程化應用[J].艦船科學技術，2020，42（7）：148-153.

[9] ?丁技峰，付海燕，強永平.噴油器的匹配計算[J].機械工程與自動化，2007（6）：11-13.

[10] ?郝靖，何邦全，金超.柴油機燃燒室匹配參數對撞壁噴霧特性的影響[J].中國機械工程，2017，28（13）：1554-1560.

[11] ?孟慶江，徐京莉，劉海朋，等.發動機電磁離合水泵對整車經濟性的影響[J].內燃機與動力裝置，2022，39（4）：76-80.

[12] ?張子慶，吳超勝，李霖.評估關鍵零件摩擦損失對發動機油耗影響的方法研究[J].上海汽車，2014（4）：8-12.

[13] ?杜小樹，高洪臣.斯太爾WD615型柴油機機油泵的試驗研究[J].柴油機，1999（1）：9-15.

[14] ?孫世磊.電控噴油器的結構仿真分析與參數優化[D].太原：太原理工大學，2014.

[15] ?浦衛華，王鋒，平濤，等.電控噴油器關鍵結構參數正交試驗優化設計[J].艦船科學技術，2010，32（8）：53-56.

[16] ?任大為.4G6系列發動機提升壓縮比的措施與試驗研究[D].沈陽：東北大學，2019.

[17] ?阮見明，董健，潘志翔.壓縮比對內燃機性能的影響研究[J].內燃機，2011（3）：13-15.

Performance optimization of a marine auxiliary generator

LIU Jinrong1， FAN Xicong1， HE Xiaofeng1， WANG Jialun1，

ZHANG Zhiyong1， BAI Shuzhan2

1.Technology Center， Chongqing Weichai Engine Co. ， Ltd. ，Chongqing 402262，China;

2.School of Energy and Power Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China

Abstract： In order to reduce the fuel consumption of an marine auxiliary engine， the optimal valve timing， compression ratio and plunger speed are determined by simulation analysis. Through the load characteristic test and the orthogonal test， the best injector scheme is determined， and the suitable oil pump and sea water pump are selected through the hot idle test. The fuel consumption before and after optimization is compared by bench load test. The results show that after optimization， the crankshaft angle corresponding to the intake closing is 565°， the crankshaft angle corresponding to the exhaust opening is 135°， the compression ratio is 15.5， and the maximum plunger speed is increased to 2.54 m/s， the injector with a hole diameter of 0.32 mm and a hole cone angle of 158° is selected， the volume flow rate of oil pump and sea water pump is reduced by 10 and 15 m3/h respectively. The fuel consumption rate is decreased by 4-5 g/（kW · h） compared with the original one in the common working condition， which achieve the goal of reducing fuel consumption.

Keywords： marine auxiliary generator；fuel consumption rate；valve timing optimization; fuel injector selection

（責任編輯：胡曉燕）