關于MTU4000系列柴油機排氣溫度高的故障分析及其排除

尹曉科

摘 要：MTU4000系列船用柴油機在工作時易出現過高的排氣溫度的不利工況，本文針對這一情況進行了故障分析，得到了引發這一故障的主要因素有：燃油質量、霧化質量、進氣質量、運動部件狀況，并對上述因素進行逐個的排查。本文還探討了燃油系統的工作原理，以及噴油器的工作原理、檢查方法及故障處理，并提出了相應的應對措施。此外，本文從管理的角度出發，給出了有效避免柴油機排溫過高的建議，并闡述了對機械設備進行日常管理時需要注意的問題。

關鍵詞：MTU4000柴油機 柴油機排溫過高 故障分析 解決方法

1.MTU4000系列柴油機以及排氣系統

在20世紀90年代，德國MTU公司開發研制了MTU4000系列柴油機，該系列的柴油機能夠達到IMOⅡ 排放標準（船舶行業），原有的噴油泵也變為使用共軌式噴射系統（COMMON RAIL）。MTU4000系列柴油機開發中運用到的新技術是柴油機燃燒技術，這一技術的優點是：共軌式噴射系統的利用改變了傳統噴射系統的約束，削弱了有害物質的排量，同時也使柴油機的燃燒效率得到了很大的提高，作為新一代柴油機，具有大功率、高速的特點。MTU4000系列柴油機利用了直噴燃燒技術和液體冷卻技術，總排量為65L，氣缸徑內為165mm，行程為190mm，柴油機的額定轉速為2000rpm，按ISO3046標準最大功率為2320KW即為該款柴油機的系列號。MTU4000M70是我國粵港澳地區高速雙體客船主機的主要型號，下面以該型號為例對柴油機的進排氣系統作簡要介紹：

1.1低負荷工作時

當發動機低負荷時（即轉速低于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，由于低負荷時只有一半的氣缸為有效做功，由ECU控制斷缸噴油，B排增壓器進氣風門處于關閉狀態，所以B排空氣通過A排中冷器與B 排中冷器之間的平衡管輸入，空氣經中冷器冷卻后經由進氣管進入氣缸。

1.2高負荷工作時

當發動機高負荷時（即轉速高于1680），A、B排廢氣渦輪增壓器同時工作，A排空氣由A排廢氣渦輪增壓器吸入并增壓送入A排中冷器經冷卻后由進氣管進入到氣缸頭，B排空氣由B排廢氣渦輪增壓器吸入并增壓送入B排中冷器經冷卻后由進氣管進入到氣缸頭，A、B排多余的增壓空氣由平衡管進去到中間的預推閥排到排氣歧管。

2.常見故障檢查，分析與修理

燃油燃燒情況能夠通過排氣溫度的高低來判斷，柴油機的排氣溫度過高時，會導致其熱負荷增加，增強了熱應力，這就會對材料性能、潤滑條件、使用壽命等造成不利的影響。若不能對過高的排氣溫度進行有效的控制，可能會導致零件燒毀，最常見的就是排氣閥燒毀，零件燒毀可能使正在高速運行的柴油機的安全受到威脅。因此，監測并控制好排氣溫度，有利于保證柴油機在正常工況下運行。在對柴油機進行故障檢修時，應提前向船方相關負責人咨詢該主機在運性時的情況；如：排溫偏高的狀態是固定的還是波動的；排溫偏高的氣缸與正常溫度氣缸的偏差大小等。這些信息對之后的故障判斷都會很有用，排溫偏高的氣缸若是有波動則大多數是電氣部分引起的故障，如排溫傳感器故障，信號線束故障，ECU故障等。如果排溫偏高數值沒有波動的則大多數是機械部分引起的故障。主機機械部分引起的排溫偏高應要引起充分的重視，特別是在初步排除了燃油、進氣方面的故障后應盡快泊廠檢修。

2.1燃油供給系引致的排溫高

2.1.1霧化質量

導致霧化質量差的原因是：燃油顆粒粗糙，質量差，燃燒時燃油與空氣的接觸不完全、混合不均勻，發生了不充分燃燒，提高了排氣溫度。通過化學成分和技術指標可以分析燃油的質量，在對燃油進行選擇審核這些指標，對于不能滿足指標要求的燃油應該嚴格禁止使用。因為一旦選用了質量不達標的燃油，燃油就會發生不充分燃燒，這會使得柴油機的排氣溫度持續增加。在燃油選擇的時候，除了要關注燃油的質量是否達標以外，其選擇還應該具有針對性，即不同的機型所選用的燃油粘度應有所差異。若燃油與柴油機不能進行合理的匹配，也會使得排氣溫度增大，甚至會導致柴油機的運行出現中斷。在進行燃油的選擇時，還有應該考慮到燃油運行的溫度，根據生產實踐中四沖程柴油機的使用情況，可對燃油溫度進行手動控制，通過對溫度的調節來改變燃油的粘度，從而達到對燃油質量進行控制的目的。

2.1.2噴油器出現故障

導致排氣溫度過高的原因有三點：（1）啟閥壓力過低，啟閥壓力過低主要是由下述情況引發的：因錯誤安裝或卡死使噴油器處于常開狀態；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生松懈。啟閥壓力過低，噴油器噴油開始工作時會提早噴油，噴油結束時又發生延遲，這就增加了噴油過程的時長。噴油時長的增加會降低霧化質量、使得燃油發生不充分燃燒，降低燃燒質量；同時還是會使后燃期燃燒情況惡化加劇，進一步降低了加燃燒質量，此時機件會出現過熱現象，引發排氣溫度升高。（2）噴油孔直徑偏大，會降低霧化質量，造成燃燒不充分，從而增加排氣溫度。（3）噴油嘴出現小孔、裂紋、以及密封不嚴的情況。都會使噴油嘴出現滴漏的現象，導致后燃期時長增加、燃燒情況惡化，從而增加排氣溫度。當出現這種情況時，需要拆下噴油嘴并觀察其結碳程度，此外，還需要進行一系列的試驗，包括：密封性試驗、啟閥壓力試驗、霧化質量試驗，以便驗證該情況產生的具體原因。

2.1.3噴油提前角過小或過大

柴油機的排氣溫度、最高爆炸壓力、平均壓力增長率都與噴油提前角有關。角度過小，將導致后燃惡化，增加排氣溫度和熱負荷、減小熱效率。角度過大，將導致滯燃期延長、最高爆炸壓力增大、柴油機啟動困難、以及震動嚴重等情況發生。因MTU4000系列的燃油噴射是通過電子技術實現，實際生產中，應依據說明書對ECU的數據進行核實和控制，以便確定合理的噴油提前角。

2.2曲柄連桿機構導致的排溫高

柴油機處于工作狀態時，由于氣缸套、活塞、活塞環、氣門及氣缸等件產生損耗，必然導致氣缸氣密性變差，從而造成氣缸內部壓縮空氣的能力降低，更嚴重的可能是，柴油機發生排出氣體溫度高以及燃燒惡化等現象。之所以氣缸的氣密性會下降，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，導致活塞容易發生偏磨，活塞頂部的炭日積月累，偏磨現象也隨之越來越嚴重，最終導致缸套失圓。

2.3配氣機構導致的排溫高

2.3.1進氣質量

倘若進入氣缸的空氣質量較低，亦或是攝入的空氣雖新鮮但量不足，燃油處于燃燒時，沒有充足的氧氣便不足以支撐其化學反應正常進行。產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。實際工作時，為了避免上述現象，務必認識到進氣質量低的緣故。總結實際經驗得出以下兩個方面的原因：一方面是進入氣缸內的氣體總量小，另一方面是進入氣缸內的氣體溫度高。針對進入氣缸內的氣體總量小的問題，又存在內因與外因兩方面。內因：

（1）氣缸的進排氣道不通暢。倘若進氣道堵塞，進氣量將明顯減少；假如排氣道堵塞，廢氣則不能及時排出，導致增壓器轉速變慢，進而導致供氣量降低。

（2）增壓器的空氣流道堵塞：一方面與進氣濾網不通暢存在關聯，亦或是壓氣機端、廢氣渦輪端積垢過多。

外因：柴油機受到周遭的環境影響。倘若大氣壓為負壓，將致使氣缸內的空氣量低，便增加了排氣溫度。針對進氣溫度高的問題，以增壓柴油機為例，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、出氣口處的空氣存在較大溫差，最高時大于70℃。如發現是空氣濾清器或者濾網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氣端殼體進行壓氣端葉輪清洗。

2.3.2中冷故障

假若存在臟物堵塞了中冷器的冷卻水側與氣道，將直接影響其冷卻性能，相應的便會升高進氣溫度，最終導致柴油機排出廢氣溫度偏高。由此，可以了解中冷器的傳熱原理，即通過對流以及導熱的作用形式，有效降低了渦輪增壓器中增壓空氣的溫度。熱量的傳輸過程為：冷卻管壁的外部（對流）→冷卻管壁的內部（導熱）→管內冷卻水（對流）。然而實際情況是，大量導熱系數低的油性混合物會吸附在中冷器的壁面上，形成一定厚度，從而使導熱性能嚴重下降。因此，實際傳熱量遠遠小于理想狀態。冷卻效果降低，會提高處于燃燒室中的空氣溫度，則最終導致柴油機的排氣、工作循環以及壓縮始點等環節的溫度偏高。相關實驗證實，進氣溫度每升高1攝氏度，將導致循環溫度升高3攝氏度。此外，因燃燒室容積固定，進入柴油機的空氣密度與溫度成反比，即溫度增加，密度必然下降，對應的就是空氣量下降，則會導致燃燒惡化（未達到充分燃燒的油氣比，供油量為定值，供氣量降低），發生后燃，嚴重時在排煙管中仍發生后燃，以致于排煙溫度劇增，降低主機功率。或者，存在臟物堵塞流道，通過中冷器的空氣量不足，使供氣量下降，上述惡化現象更嚴重。由于中冷器的工作性質以及結構，油氣、粉塵易吸附于中冷器的空氣側通道內，構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，降低了進入柴油機的空氣密度，最終使主機排氣溫度遠遠增加。因此，若發現中冷器存在進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象，則需立即清潔中冷器。

2.3.3進排氣閥出現故障

排氣溫度增加的原因還包括：未關緊進排氣閥、未正確調整進排氣閥的間隙。進排氣門的氣門盤、氣門桿以及密封門發生損壞；氣缸頭和排氣門殼體間密封不嚴；未能合理調試氣門間隙；在排氣門桿導套的下半部分，存在積炭過多現象，使其被卡，導致氣門泄漏。

一方面，進氣閥閥桿頂部在長期使用后發生磨損，使其氣閥縫隙增加，此時，會較遲打開進氣閥并提早關閉，結果導致燃燒室的進氣量下降，壓縮終點壓力減小，發生燃燒惡化現象，使排氣溫度偏大。另一方面，進氣閥卡死，閥盤燒蝕，進氣閥密封錐面在長期使用后發生損壞。此類狀況都會降低進氣閥的密閉性，燃燒室內的空氣從該處泄漏，導致與上述相同狀況。碰到此類問題，需檢查進氣閥閥盤是否泄漏，觀察進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。該類狀況都會使空氣泄漏，減少缸內氣量，降低壓縮壓力，發生燃燒惡化，最終使排氣溫度偏大。碰到此類問題，需檢測排氣閥活絡與閥盤密封性。

氣閥驅動機構出現故障。一方面，存在以下幾種可能：凸輪和滾輪長期摩擦損壞；頂桿發生形變；搖臂（作用于進氣閥閥桿）磨損；調節螺絲（搖臂調節氣閥縫隙）未緊實。此時，會較遲打開進氣閥并提早關閉，結果導致燃燒室的進氣量下降，發生燃燒惡化現象，使排氣溫度偏大。另一方面，調節螺絲的緊實程度太大，進排氣閥縫隙小于正常范圍，若氣閥處于工作溫度的上限時，會由于氣閥未閉合產生泄漏，此外還會燒蝕閥盤，結果缸內氣量降低，發生燃燒惡化現象，使排氣溫度偏大。碰到此類問題，需檢測其兩者間隙。

3.結語

為了盡量使柴油機排出氣體溫度處于正常范圍，以及使其盡量正常運轉，從而達到工作壽命變長的目的，故建議如下：①經常關注并檢查柴油機的工作狀況和參數。②保證燃油、滑油、冷卻水的特性符合發電柴油機的要求，保證燃油得到合適的預處理③對增壓器的空氣濾清器要定期查看，需要時則進行更換，以及清潔壓氣端和中間冷卻器等部位。④此外，依據說明書上的規定，每隔一段時間都要檢查發電柴油機。⑤養成良好的用機習慣。

參考文獻：

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