某船用发电辅机性能优化

刘锦荣 范希聪 和晓锋 王佳伦 张智勇 白书战

摘要： 为降低某船用发电辅机常用工况油耗，采用仿真分析确定最佳配气相位、压缩比、柱塞速度；通过负荷特性试验及正交试验，确定最佳喷油器方案；通过热怠速试验选择合适的机油泵、海水泵；通过台架负荷特性试验对比发电辅机优化前、后的油耗。结果表明：该发电辅机优化后，进气关闭角对应的曲轴转角为565°，排气开启角对应的曲轴转角为135°，压缩比为15.5，最高柱塞速度提高至2.54 m/s，选用喷孔直径为0.32 mm、喷孔锥角为158°的喷油器，机油泵、海水泵体积流量分别降低10、15 m3/h，辅机常用工况区油耗比原机下降4～5 g/（kW · h），达到降低油耗的目的。

关键词： 船用发电辅机；油耗；配气相位优化；喷油器选型

中图分类号：TK421 文献标志码：A 文章编号：1673-6397（2024）01-0071-04

引用格式：  刘锦荣，范希聪，和晓锋，等.某船用发电辅机性能优化［J］.内燃机与动力装置，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

船用发电辅机是保障船舶正常运行的主要设备，可用于船舶上主电源、应急电源、电力推进系统的电力供应。降低船用发电辅机油耗有利于降低运行成本，提高能源利用率，目前主要从提升缸内循环热效率和机械效率2个方面研究柴油发电机油耗降低策略。乔海波等[1]、赵峰等[2]通过进气可变正时气门（variable valve timing，VVT）试验研究，提出进气门开启时间持续延长可减少低速工况中小负荷泵气损失，降低发动机油耗；雷基林等[3]、郑宇等[4]对配气相位进一步优化，降低油耗；刘波波等[5]、马富康等[6]、王毅等[7]理论分析了压缩比对换气过程、燃烧过程和燃烧质量的影响，发现增大压缩比能有效降低油耗；王晓艳等[8]、丁技峰等[9]、郝倩等[10]通过仿真分析和试验验证，表明喷油器与燃烧室的合理匹配能改善燃烧，降低油耗；孟庆江等[11]、张子庆等[12]、杜小树等[13]分别从柴油机水泵、关键零部件摩擦功损失、机油泵等方面进行研究，降低发动机油耗。但以上只针对油耗的部分影响因素进行研究，未考虑综合因素的影响。本文中针对某船用发电辅机，从配气相位、压缩比、喷油器选型、减小附属结构的摩擦损失等方面进行仿真分析与性能试验，有效降低该发电辅机油耗。

1 理论分析

1.1 辅机性能

某船用发电辅机主要技术参数如表1所示（表中排气开启角以压缩上止点曲轴转角为基准）。该发电辅机为同排量中低功率段机型，兼顾结构通用性，发电辅机开发时，其进排气门升程曲线、供油凸轮型线、活塞、喷油器等关键性能配置与同排量高功率段辅机相同，导致负荷特性下油耗较高，常用工况油耗比同类产品高3～4 g/（kW · h）。

1.2.1 配气相位优化

由于发电辅机工作模式为额定转速，选额定工况和发电辅机常用的负荷比（辅机功率与额定功率的比）50%工况优化配气相位角；基于油耗最低原则确定排气开启角；为保证燃料充分燃烧，基于过量空气系数最高原则确定进气关闭角。仿真分析配气相位对相关参数的影响如图1所示。

由图1可知：随着进气关闭角增大，过量空气系数先增大后减小，基于过量空气系数最高原则，进气关闭角对应的曲轴转角为565°；随着排气开启角增大，泵气功先增大后减小，油耗先减小后增大，基于油耗最低原则，确定排气开启角对应的曲轴转角为135°。

由于发电辅机对排温要求较高，保持气门重叠角不变，使发电辅机燃烧过程扫气效果较好，冷空气进入后降低排温。优化前、后的配气相位如表2所示。

1.2.2 压缩比优化

增大压缩比可提高平均循环吸热温度，降低平均放热温度，增大膨胀比，从而增大循环热效率和平均有效压力，提高理论循环经济性和动力性[8]。额定工况下，不同压缩比下爆发压力与油耗仿真分析曲线如图2所示。

由图2可知：根据额定工况爆发压力小于等于19.0 MPa的限值要求，结合降低油耗的原则，将原来的压缩比由14.5优化为15.5。

1.2.3 柱塞升程优化

图3  原机、优化方案的柱塞升程和柱塞速度对比

原机供油型线最高柱塞速度为2.3 m/s，原机额定工况对应的最大喷油泵端压力为109 MPa，离泵端压力不得超过150 MPa的限值仍有较大裕度。优化柱塞升程，改变供油型线，提高柱塞速度，即提高供油速率，在不增加喷油器流量的前提下提高全工况喷油泵端压力，改善全工况尤其是中低负荷工况燃油雾化质量，同时适当缩短喷油持续期，降低油耗。

原机、优化方案的柱塞升程和柱塞速度对比如图3所示。由图3可知，供油型线优化后最高柱塞速度提高至2.54 m/s。

1.3 噴油器选型

为满足优化方案供油型线对应的目标喷油持续期的要求，选择喷孔直径分别为0.34、0.32 mm的2种喷油器，记为方案A、B；基础喷油器锥角为156°，通过加减喷油器垫片，调整喷孔锥角为154°、156°和158°，记为方案1、2、3；将不同的喷孔直径、喷孔锥角进行组合，记为方案A1、A2、A3、B1、B2、B3。根据正交试验法[14-15]，选取喷油器方案B1、A2、B2、B3进行负荷特性试验，综合最优油耗选取最佳喷油器方案。

1.4 机械效率提升

提高机械效率，应尽可能减少机械损失，包含驱动柴油机附属机构的功率损失，如船用发电辅机附带的海水泵、淡水泵和机油泵等[16-17]。通过对标同类产品，适当优化海水泵及机油泵以减少驱动柴油机附属结构的功率损失。采用优化机油泵齿轮宽度及叶片尺寸等结构参数，降低原机机油泵流量和海水泵流量，减小驱动附属机构的功率损失；同时提高机油温度，减小机油黏度，降低各轴承摩擦损失，从而降低油耗。

由于机油压力随机油泵流量减小和机油温度升高而降低，可能造成热怠速工况（转速为375 r/min）下机油压力不足；由于进机空气需要用海水泵冷却，减小海水泵流量后进机空气温度是否满足发电辅机要求，需进行试验验证。

2 性能试验

2.1 负荷特性试验

选取喷油器方案B1、A2、B2、B3进行负荷特性试验，试验时，辅机转速为额定转速750 r/min，选取额定工况、负荷比75%、负荷比50%3个工况，不同方案、负荷工况下，喷油器油耗试验结果如表3所示。

由表3可知：选用方案B3，即喷油器喷孔直径为0.32 mm，喷孔锥角为158°时，发电辅机油耗最低；小喷孔喷油器比大喷孔喷油器的油耗更低，原因为小喷孔可改善燃油雾化质量；大锥角喷油器比小锥角喷油器的油耗更低，原因为压缩比增大后，大锥角喷油器可提高燃烧室上部空间的空气利用率。为降低油耗，可选择小喷孔大锥角的喷油器。

2.2 热怠速试验

优化机油泵和海水泵后，经过计算分析，原机机油泵体积流量从55 m3/h减小至45 m3/h，原机海水泵体积流量从60 m3/h减小至45 m3/h。对改进后的发电辅机进行热怠速试验，将转速为750 r/min时的额定工况快速降低至转速为375 r/min的怠速工况，此时机油压力为210 kPa，满足小流量机油泵机油压力大于200 kPa的试验要求；额定工况进机空气温度满足进机空气温度不得超过60 ℃的限值要求，改进后的发电辅机满足试验要求。

2.3 负荷特性对比试验

综合采用1.2.1节的配气相位、1.2.2节的压缩比、1.2.3节的柱塞升程、2.1节的喷油器、2.2节的机油泵和海水泵进行发电辅机性能优化后，额定转速下，负荷比分别为100%、75%、50%和25%时，对原机和性能优化机型进行负荷特性试验对比，结果如图4所示。

由图4可知：采用以上措施优化后，常用工况（负荷比为50%～75%）下，辅机油耗下降4～5 g/（kW · h），油耗明显降低。

3 结论

针对某船用发电辅机油耗过高现象，采用仿真分析优化配气相位、压缩比、柱塞升程曲线，并通过负荷特性试验确定最优喷油器，热怠速试验确定最佳海水泵方案。

1）小喷孔喷油器可以改善燃油雾化质量，大锥角喷油器可提高燃烧室上部空间的空气利用率，两者结合，可降低柴油机油耗。

2）优化配气相位、加大压缩比、提高供油速率、优化喷油器、减小机油泵和海水泵流量等措施均有利于降低油耗。但压缩比增大使爆发压力增大，减小机油泵和海水泵流量影响怠速机油压力及额定工况进机空气温度，应结合负荷特性试验和热怠速试验确定优化方案。

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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

（責任编辑：胡晓燕）