關(guān)于MTU4000系列柴油機(jī)排氣溫度高的故障分析及其排除

尹曉科

摘 要：MTU4000系列船用柴油機(jī)在工作時(shí)易出現(xiàn)過(guò)高的排氣溫度的不利工況，本文針對(duì)這一情況進(jìn)行了故障分析，得到了引發(fā)這一故障的主要因素有：燃油質(zhì)量、霧化質(zhì)量、進(jìn)氣質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)部件狀況，并對(duì)上述因素進(jìn)行逐個(gè)的排查。本文還探討了燃油系統(tǒng)的工作原理，以及噴油器的工作原理、檢查方法及故障處理，并提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。此外，本文從管理的角度出發(fā)，給出了有效避免柴油機(jī)排溫過(guò)高的建議，并闡述了對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行日常管理時(shí)需要注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：MTU4000柴油機(jī) 柴油機(jī)排溫過(guò)高 故障分析 解決方法

1.MTU4000系列柴油機(jī)以及排氣系統(tǒng)

在20世紀(jì)90年代，德國(guó)MTU公司開發(fā)研制了MTU4000系列柴油機(jī)，該系列的柴油機(jī)能夠達(dá)到IMOⅡ 排放標(biāo)準(zhǔn)（船舶行業(yè)），原有的噴油泵也變?yōu)槭褂霉曹壥絿娚湎到y(tǒng)（COMMON RAIL）。MTU4000系列柴油機(jī)開發(fā)中運(yùn)用到的新技術(shù)是柴油機(jī)燃燒技術(shù)，這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：共軌式噴射系統(tǒng)的利用改變了傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)的約束，削弱了有害物質(zhì)的排量，同時(shí)也使柴油機(jī)的燃燒效率得到了很大的提高，作為新一代柴油機(jī)，具有大功率、高速的特點(diǎn)。MTU4000系列柴油機(jī)利用了直噴燃燒技術(shù)和液體冷卻技術(shù)，總排量為65L，氣缸徑內(nèi)為165mm，行程為190mm，柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2000rpm，按ISO3046標(biāo)準(zhǔn)最大功率為2320KW即為該款柴油機(jī)的系列號(hào)。MTU4000M70是我國(guó)粵港澳地區(qū)高速雙體客船主機(jī)的主要型號(hào)，下面以該型號(hào)為例對(duì)柴油機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)作簡(jiǎn)要介紹：

1.1低負(fù)荷工作時(shí)

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)（即轉(zhuǎn)速低于1680），空氣由A排廢氣渦輪增壓器吸入并增壓送入A排中冷器，由于低負(fù)荷時(shí)只有一半的氣缸為有效做功，由ECU控制斷缸噴油，B排增壓器進(jìn)氣風(fēng)門處于關(guān)閉狀態(tài)，所以B排空氣通過(guò)A排中冷器與B 排中冷器之間的平衡管輸入，空氣經(jīng)中冷器冷卻后經(jīng)由進(jìn)氣管進(jìn)入氣缸。

1.2高負(fù)荷工作時(shí)

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷時(shí)（即轉(zhuǎn)速高于1680），A、B排廢氣渦輪增壓器同時(shí)工作，A排空氣由A排廢氣渦輪增壓器吸入并增壓送入A排中冷器經(jīng)冷卻后由進(jìn)氣管進(jìn)入到氣缸頭，B排空氣由B排廢氣渦輪增壓器吸入并增壓送入B排中冷器經(jīng)冷卻后由進(jìn)氣管進(jìn)入到氣缸頭，A、B排多余的增壓空氣由平衡管進(jìn)去到中間的預(yù)推閥排到排氣歧管。

2.常見(jiàn)故障檢查，分析與修理

燃油燃燒情況能夠通過(guò)排氣溫度的高低來(lái)判斷，柴油機(jī)的排氣溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其熱負(fù)荷增加，增強(qiáng)了熱應(yīng)力，這就會(huì)對(duì)材料性能、潤(rùn)滑條件、使用壽命等造成不利的影響。若不能對(duì)過(guò)高的排氣溫度進(jìn)行有效的控制，可能會(huì)導(dǎo)致零件燒毀，最常見(jiàn)的就是排氣閥燒毀，零件燒毀可能使正在高速運(yùn)行的柴油機(jī)的安全受到威脅。因此，監(jiān)測(cè)并控制好排氣溫度，有利于保證柴油機(jī)在正常工況下運(yùn)行。在對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行故障檢修時(shí)，應(yīng)提前向船方相關(guān)負(fù)責(zé)人咨詢?cè)撝鳈C(jī)在運(yùn)性時(shí)的情況；如：排溫偏高的狀態(tài)是固定的還是波動(dòng)的；排溫偏高的氣缸與正常溫度氣缸的偏差大小等。這些信息對(duì)之后的故障判斷都會(huì)很有用，排溫偏高的氣缸若是有波動(dòng)則大多數(shù)是電氣部分引起的故障，如排溫傳感器故障，信號(hào)線束故障，ECU故障等。如果排溫偏高數(shù)值沒(méi)有波動(dòng)的則大多數(shù)是機(jī)械部分引起的故障。主機(jī)機(jī)械部分引起的排溫偏高應(yīng)要引起充分的重視，特別是在初步排除了燃油、進(jìn)氣方面的故障后應(yīng)盡快泊廠檢修。

2.1燃油供給系引致的排溫高

2.1.1霧化質(zhì)量

導(dǎo)致霧化質(zhì)量差的原因是：燃油顆粒粗糙，質(zhì)量差，燃燒時(shí)燃油與空氣的接觸不完全、混合不均勻，發(fā)生了不充分燃燒，提高了排氣溫度。通過(guò)化學(xué)成分和技術(shù)指標(biāo)可以分析燃油的質(zhì)量，在對(duì)燃油進(jìn)行選擇審核這些指標(biāo)，對(duì)于不能滿足指標(biāo)要求的燃油應(yīng)該嚴(yán)格禁止使用。因?yàn)橐坏┻x用了質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的燃油，燃油就會(huì)發(fā)生不充分燃燒，這會(huì)使得柴油機(jī)的排氣溫度持續(xù)增加。在燃油選擇的時(shí)候，除了要關(guān)注燃油的質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)以外，其選擇還應(yīng)該具有針對(duì)性，即不同的機(jī)型所選用的燃油粘度應(yīng)有所差異。若燃油與柴油機(jī)不能進(jìn)行合理的匹配，也會(huì)使得排氣溫度增大，甚至?xí)?dǎo)致柴油機(jī)的運(yùn)行出現(xiàn)中斷。在進(jìn)行燃油的選擇時(shí)，還有應(yīng)該考慮到燃油運(yùn)行的溫度，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐中四沖程柴油機(jī)的使用情況，可對(duì)燃油溫度進(jìn)行手動(dòng)控制，通過(guò)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)來(lái)改變?nèi)加偷恼扯龋瑥亩_(dá)到對(duì)燃油質(zhì)量進(jìn)行控制的目的。

2.1.2噴油器出現(xiàn)故障

導(dǎo)致排氣溫度過(guò)高的原因有三點(diǎn)：（1）啟閥壓力過(guò)低，啟閥壓力過(guò)低主要是由下述情況引發(fā)的：因錯(cuò)誤安裝或卡死使噴油器處于常開狀態(tài)；壓力彈簧斷裂；壓力彈簧或安裝在壓力彈簧上的鎖緊螺母發(fā)生松懈。啟閥壓力過(guò)低，噴油器噴油開始工作時(shí)會(huì)提早噴油，噴油結(jié)束時(shí)又發(fā)生延遲，這就增加了噴油過(guò)程的時(shí)長(zhǎng)。噴油時(shí)長(zhǎng)的增加會(huì)降低霧化質(zhì)量、使得燃油發(fā)生不充分燃燒，降低燃燒質(zhì)量；同時(shí)還是會(huì)使后燃期燃燒情況惡化加劇，進(jìn)一步降低了加燃燒質(zhì)量，此時(shí)機(jī)件會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，引發(fā)排氣溫度升高。（2）噴油孔直徑偏大，會(huì)降低霧化質(zhì)量，造成燃燒不充分，從而增加排氣溫度。（3）噴油嘴出現(xiàn)小孔、裂紋、以及密封不嚴(yán)的情況。都會(huì)使噴油嘴出現(xiàn)滴漏的現(xiàn)象，導(dǎo)致后燃期時(shí)長(zhǎng)增加、燃燒情況惡化，從而增加排氣溫度。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，需要拆下噴油嘴并觀察其結(jié)碳程度，此外，還需要進(jìn)行一系列的試驗(yàn)，包括：密封性試驗(yàn)、啟閥壓力試驗(yàn)、霧化質(zhì)量試驗(yàn)，以便驗(yàn)證該情況產(chǎn)生的具體原因。

2.1.3噴油提前角過(guò)小或過(guò)大

柴油機(jī)的排氣溫度、最高爆炸壓力、平均壓力增長(zhǎng)率都與噴油提前角有關(guān)。角度過(guò)小，將導(dǎo)致后燃惡化，增加排氣溫度和熱負(fù)荷、減小熱效率。角度過(guò)大，將導(dǎo)致滯燃期延長(zhǎng)、最高爆炸壓力增大、柴油機(jī)啟動(dòng)困難、以及震動(dòng)嚴(yán)重等情況發(fā)生。因MTU4000系列的燃油噴射是通過(guò)電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)依據(jù)說(shuō)明書對(duì)ECU的數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)和控制，以便確定合理的噴油提前角。

2.2曲柄連桿機(jī)構(gòu)導(dǎo)致的排溫高

柴油機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，由于氣缸套、活塞、活塞環(huán)、氣門及氣缸等件產(chǎn)生損耗，必然導(dǎo)致氣缸氣密性變差，從而造成氣缸內(nèi)部壓縮空氣的能力降低，更嚴(yán)重的可能是，柴油機(jī)發(fā)生排出氣體溫度高以及燃燒惡化等現(xiàn)象。之所以氣缸的氣密性會(huì)下降，存在以下原因：MTU4000系列的排列形式是v形，活塞受到其本身的重力作用，導(dǎo)致活塞容易發(fā)生偏磨，活塞頂部的炭日積月累，偏磨現(xiàn)象也隨之越來(lái)越嚴(yán)重，最終導(dǎo)致缸套失圓。

2.3配氣機(jī)構(gòu)導(dǎo)致的排溫高

2.3.1進(jìn)氣質(zhì)量

倘若進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量較低，亦或是攝入的空氣雖新鮮但量不足，燃油處于燃燒時(shí)，沒(méi)有充足的氧氣便不足以支撐其化學(xué)反應(yīng)正常進(jìn)行。產(chǎn)生的不良影響就是燃油未能充分燃燒，從而增加了排氣溫度。實(shí)際工作時(shí)，為了避免上述現(xiàn)象，務(wù)必認(rèn)識(shí)到進(jìn)氣質(zhì)量低的緣故。總結(jié)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)得出以下兩個(gè)方面的原因：一方面是進(jìn)入氣缸內(nèi)的氣體總量小，另一方面是進(jìn)入氣缸內(nèi)的氣體溫度高。針對(duì)進(jìn)入氣缸內(nèi)的氣體總量小的問(wèn)題，又存在內(nèi)因與外因兩方面。內(nèi)因：

（1）氣缸的進(jìn)排氣道不通暢。倘若進(jìn)氣道堵塞，進(jìn)氣量將明顯減少；假如排氣道堵塞，廢氣則不能及時(shí)排出，導(dǎo)致增壓器轉(zhuǎn)速變慢，進(jìn)而導(dǎo)致供氣量降低。

（2）增壓器的空氣流道堵塞：一方面與進(jìn)氣濾網(wǎng)不通暢存在關(guān)聯(lián)，亦或是壓氣機(jī)端、廢氣渦輪端積垢過(guò)多。

外因：柴油機(jī)受到周遭的環(huán)境影響。倘若大氣壓為負(fù)壓，將致使氣缸內(nèi)的空氣量低，便增加了排氣溫度。針對(duì)進(jìn)氣溫度高的問(wèn)題，以增壓柴油機(jī)為例，增壓器即為了壓縮空氣，由物理理論可知，空氣壓縮，體積減小，則溫度升高。增壓器的進(jìn)、出氣口處的空氣存在較大溫差，最高時(shí)大于70℃。如發(fā)現(xiàn)是空氣濾清器或者濾網(wǎng)臟堵了則需要更換或者清洗，若是增壓器壓氣端葉輪粘附太多油氣混合物則需要拆下渦輪增壓器進(jìn)氣端殼體進(jìn)行壓氣端葉輪清洗。

2.3.2中冷故障

假若存在臟物堵塞了中冷器的冷卻水側(cè)與氣道，將直接影響其冷卻性能，相應(yīng)的便會(huì)升高進(jìn)氣溫度，最終導(dǎo)致柴油機(jī)排出廢氣溫度偏高。由此，可以了解中冷器的傳熱原理，即通過(guò)對(duì)流以及導(dǎo)熱的作用形式，有效降低了渦輪增壓器中增壓空氣的溫度。熱量的傳輸過(guò)程為：冷卻管壁的外部（對(duì)流）→冷卻管壁的內(nèi)部（導(dǎo)熱）→管內(nèi)冷卻水（對(duì)流）。然而實(shí)際情況是，大量導(dǎo)熱系數(shù)低的油性混合物會(huì)吸附在中冷器的壁面上，形成一定厚度，從而使導(dǎo)熱性能嚴(yán)重下降。因此，實(shí)際傳熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理想狀態(tài)。冷卻效果降低，會(huì)提高處于燃燒室中的空氣溫度，則最終導(dǎo)致柴油機(jī)的排氣、工作循環(huán)以及壓縮始點(diǎn)等環(huán)節(jié)的溫度偏高。相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，進(jìn)氣溫度每升高1攝氏度，將導(dǎo)致循環(huán)溫度升高3攝氏度。此外，因燃燒室容積固定，進(jìn)入柴油機(jī)的空氣密度與溫度成反比，即溫度增加，密度必然下降，對(duì)應(yīng)的就是空氣量下降，則會(huì)導(dǎo)致燃燒惡化（未達(dá)到充分燃燒的油氣比，供油量為定值，供氣量降低），發(fā)生后燃，嚴(yán)重時(shí)在排煙管中仍發(fā)生后燃，以致于排煙溫度劇增，降低主機(jī)功率?；蛘撸嬖谂K物堵塞流道，通過(guò)中冷器的空氣量不足，使供氣量下降，上述惡化現(xiàn)象更嚴(yán)重。由于中冷器的工作性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)，油氣、粉塵易吸附于中冷器的空氣側(cè)通道內(nèi)，構(gòu)成具有一定厚度的污穢層，隨著厚度增加，冷卻效果逐漸變差，增加了掃氣溫度，降低了進(jìn)入柴油機(jī)的空氣密度，最終使主機(jī)排氣溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)增加。因此，若發(fā)現(xiàn)中冷器存在進(jìn)出口冷卻水的溫度差異小，或是增壓空氣溫度顯著提高的現(xiàn)象，則需立即清潔中冷器。

2.3.3進(jìn)排氣閥出現(xiàn)故障

排氣溫度增加的原因還包括：未關(guān)緊進(jìn)排氣閥、未正確調(diào)整進(jìn)排氣閥的間隙。進(jìn)排氣門的氣門盤、氣門桿以及密封門發(fā)生損壞；氣缸頭和排氣門殼體間密封不嚴(yán)；未能合理調(diào)試氣門間隙；在排氣門桿導(dǎo)套的下半部分，存在積炭過(guò)多現(xiàn)象，使其被卡，導(dǎo)致氣門泄漏。

一方面，進(jìn)氣閥閥桿頂部在長(zhǎng)期使用后發(fā)生磨損，使其氣閥縫隙增加，此時(shí)，會(huì)較遲打開進(jìn)氣閥并提早關(guān)閉，結(jié)果導(dǎo)致燃燒室的進(jìn)氣量下降，壓縮終點(diǎn)壓力減小，發(fā)生燃燒惡化現(xiàn)象，使排氣溫度偏大。另一方面，進(jìn)氣閥卡死，閥盤燒蝕，進(jìn)氣閥密封錐面在長(zhǎng)期使用后發(fā)生損壞。此類狀況都會(huì)降低進(jìn)氣閥的密閉性，燃燒室內(nèi)的空氣從該處泄漏，導(dǎo)致與上述相同狀況。碰到此類問(wèn)題，需檢查進(jìn)氣閥閥盤是否泄漏，觀察進(jìn)氣閥氣閥的縫隙是否處于合理范圍。

存在以下幾類原因：一是閥盤密封線處不平整使密封性變差，其次排氣閥卡住，還有閥盤由于燒蝕成孔。該類狀況都會(huì)使空氣泄漏，減少缸內(nèi)氣量，降低壓縮壓力，發(fā)生燃燒惡化，最終使排氣溫度偏大。碰到此類問(wèn)題，需檢測(cè)排氣閥活絡(luò)與閥盤密封性。

氣閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障。一方面，存在以下幾種可能：凸輪和滾輪長(zhǎng)期摩擦損壞；頂桿發(fā)生形變；搖臂（作用于進(jìn)氣閥閥桿）磨損；調(diào)節(jié)螺絲（搖臂調(diào)節(jié)氣閥縫隙）未緊實(shí)。此時(shí)，會(huì)較遲打開進(jìn)氣閥并提早關(guān)閉，結(jié)果導(dǎo)致燃燒室的進(jìn)氣量下降，發(fā)生燃燒惡化現(xiàn)象，使排氣溫度偏大。另一方面，調(diào)節(jié)螺絲的緊實(shí)程度太大，進(jìn)排氣閥縫隙小于正常范圍，若氣閥處于工作溫度的上限時(shí)，會(huì)由于氣閥未閉合產(chǎn)生泄漏，此外還會(huì)燒蝕閥盤，結(jié)果缸內(nèi)氣量降低，發(fā)生燃燒惡化現(xiàn)象，使排氣溫度偏大。碰到此類問(wèn)題，需檢測(cè)其兩者間隙。

3.結(jié)語(yǔ)

為了盡量使柴油機(jī)排出氣體溫度處于正常范圍，以及使其盡量正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到工作壽命變長(zhǎng)的目的，故建議如下：①經(jīng)常關(guān)注并檢查柴油機(jī)的工作狀況和參數(shù)。②保證燃油、滑油、冷卻水的特性符合發(fā)電柴油機(jī)的要求，保證燃油得到合適的預(yù)處理③對(duì)增壓器的空氣濾清器要定期查看，需要時(shí)則進(jìn)行更換，以及清潔壓氣端和中間冷卻器等部位。④此外，依據(jù)說(shuō)明書上的規(guī)定，每隔一段時(shí)間都要檢查發(fā)電柴油機(jī)。⑤養(yǎng)成良好的用機(jī)習(xí)慣。

參考文獻(xiàn)：

[1]Diesel Engine MTU16V4000M70 Description and Operation Manual M0157 10/00E1999.