导读
一、案例描述
某柴油机在运行过程中,出现排气温度异常现象。
该柴油机为水冷、缸内直喷、浅型燃烧室、顺序废气涡轮增压、V 型排列四冲程柴油机,额定功率1120kW、额定转速2000rpm,柴油机在额定工况运转下, 排气温度过高而报警。
二、故障分析
柴油机工作过程中燃料热量仅1/3用于提供动力输出,2/3能量被浪费[1],而浪费的热量其中一部分随排气流失,导致排温异常升高。
并且排气温度直观反映燃烧情况,排气温度过高直接导致柴油机热负荷增加,不仅使热应力增大,材料的机械性能下降,缩短维护周期以及工作寿命[2]。
排气温度主要受到进气质量、燃油质量、燃油雾化质量、柴油机运转工况等影响。
柴油机排气温度异常的原因较多,本文从排气温度异常影响因素进行逐个排查,并依次排查解决,如图1所示。
图1 排温解决梳理图
1、排温传感器排查
排温传感器一般安装在涡轮增压器上,用于检测排气温度。
排气温度测量传感器一般分为热敏电阻式、热电偶式和熔丝式三种,而一般用热电偶式居多。
热电偶式排温传感器通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小的限制,外有保护套管[3]。
排查情况:
通过将排气温度测量正常的传感器与排温异常的传感器互换,发现其排温不变,依旧高于报警值;并通过更换新传感器发现排气温度依旧异常,故排除排气温度传感器问题。
2、燃油供给系统排查
（1）燃油雾化
发动机燃烧情况直接影响动力性、经济性等一系列性能指标,燃烧情况的好坏主要取决于燃油雾化情况。
导致雾化质量差的原因是:
燃油颗粒粗糙,质量差,燃烧时燃油与空气的接触不完全、混合不均匀,发生了不充分燃烧,提高了排气温度。
在燃油选择的时候,除了要关注燃油的质量是否达标以外,其选择还应该具有针对性,即不同的机型所选用的燃油粘度应有所差异[4]。
若燃油与柴油机不能进行合理的匹配,也会使得排气温度增大,甚至会致柴油机的运行出现中断。
排查情况:
通过对本次试验用柴油检测其各项指标满足需求,故排除柴油质量问题导致的发动机排气 温度过高。
（2）喷油器原因分析
①喷油器的安装过程影响因素
喷油器在安装时垫片厚度会导致喷油器安装位置的差异性,进一步导致雾化效果,从而影响燃烧。
排查情况:
通过拆卸喷油器进行检验,发现喷油器安装合理,故排除。
②喷油器自身因素
喷油器开启压力低时会导致排温升高。
开启压力过低原因如下:
安装错误火卡死卡死、弹簧断裂、锁紧螺母松动等。
喷油器开启压力过低,喷油器会提早喷油,喷油结束时又会延迟,这就增加了喷油过程的时长。
喷油时长的增加会降低雾化质量、使得燃油发生不充分燃烧,降低燃烧质量;
同时还是会使后燃期燃烧情况恶化加剧,进一步降低了加燃烧质量,引发排气温度升高。
排查情况:
通过将试验机喷油器进行开启压力试验,其开启压力及雾化结果如表1所示:
该试验机使用喷油器为5孔喷油器,开启压力为27~28MPa,上述喷油器开启压力均在要求范围内,且雾化结果良好。
（3）喷油定时
柴油机的排气温度与喷油提前角有重要关系。
角度过小,将导致后燃,增加排气温度和热负荷、减小热效率。
角度过大,将导致滞燃期延长、最高爆炸压力增大、柴油机启动困难、以及震动严重等情况发生,也就是人们经常所说的爆震。
柴油机最佳喷油提前角是随着发动机转速的变化而变化[5]。
排查情况:
通过寻找 A1缸的上止点位置来测定喷油提前角,测得为19.8°,满足试验大纲中对喷油提前角20°±0.5°的要求,故排除。
（4）柱塞泵问题
柱塞泵工作是靠柱塞套中的柱塞上下运动来实现。
柱塞套两侧有两个与喷油泵低压油腔相通的回油孔,出油阀偶件安装在柱塞上方用出油阀弹簧将出油阀压在阀座上,与柱塞顶一起形成压油空间[6]。
本次试验柴油机使用的为直列柱塞式喷油泵。
直列柱塞式喷油泵是一种柱塞泵,在我们生产中也较为多见。
其主要由泵体、分泵、传动机构及油量调节机构组成。
排除情况：
本次试验柱塞泵为生产机所使用,属于同一批次,在其他柴油机中无此类现象,因此可排除柱塞泵影响因素。
3、排气阀泄露
排气阀如果漏气,将使进气压力降低,进气量相对减少,燃油量相对增多,多余的燃油随着排气流入排气管,造成后燃,使排温升高。
排气阀常见故障有以下几点:
(1)高温腐蚀:
燃油中的钒、硫等元素等在产生的混合物对排气阀造成服饰,使得排气阀表面产生凹凸不平的部位,造成漏气。
(2)排气阀烧损:
由于排气阀密封面直接与高温燃气接触,容易使其接触面烧损,造成漏气。
(3)气阀密封锥面磨损过快:
气阀密封锥面与阀座严重磨损,使得密封环带过宽,影响密封性能。
排查情况:
排气阀阀杆与气阀套管间隙测量:
将气阀从套管中提起,使气阀阀面距离气缸盖平面约15mm~20mm。
图2 气阀阀杆和套管间隙测量示意图
如图2所示,将磁性表座固定在气缸盖上,装上千分表,使千分表测头与气阀阀盘边缘轻轻接触,并沿触针方向来回摆动气阀,进行气阀与气阀套管间隙的测量检查。
如间隙等于或超过极限间隙,气阀套管换新。
通过测量发现两者间隙符合要求,故排除。
4、增压器影响
增压器影响的主要为进气量。
当进气量不足时,会直接导致燃油不充分,造成后燃,而影响增压器的主要有以下几点:
(1)气缸的进排气通道不通畅。
进气道堵塞将直接导致进气减少;排气道堵塞使废气无法排除,增压器转速降低,从而导致进气量不足,产生后燃使排温升高。
(2)增压器轴承损坏使其转速降低,扫气压力同时降低;增压器上的空气滤清器使用时间长导致滤网脏堵、压气机叶轮、废气叶轮积碳或脏堵,造成进气量不足,产生后燃使排温升高[7]。
排查情况:
通过拆卸进气道上方空气滤,可以观察到废气涡轮增压器进气道内部情况,发现其叶片情况完好,但是进气道内部有少量油渍,这是由于本次改型柴油机有一套废气再循环(EGR)系统,因此属于正常情况。
并且后续对涡轮增压器进气道进气清洗,发现增压器转速提高,然而排气温度并没有降低,因此排除废气涡轮增压器的影响。
5、中冷器影响
中冷器的传热原理为通过对流和导热来降低增压空气的温度。
热量传输如图3所示:
图3 热量传输过程
然而在实际情况中,中冷器的表面会吸附大量的油性混合物,使其换热能力降低。
冷却效果的降低,最终导致柴油机的排气温度偏高。
从相关文献可得,进气温度升高1℃会使排温升高3℃[8]。
排查情况:
通过水清洗清洗中冷器,并对比清洗前后的排温,发现变化不明显,因此排除中冷器原因。
三、外界环境影响
通过上述对影响柴油机排气温度高的各个因素进行逐一排查,发现柴油机排气温度高并不是由发动机自身情况引起,因此,只能从柴油机试验的外界情况进行分析。
1、进排气距离影响
通过观察发现,发现柴油机的进排气距离很近,因此排温异常的原因可能是排气温度影响进气温度, 使其升高。
排查情况:
通过在进排气中间加装隔热石棉板,如图4所示。
图4 隔热石棉板
加装隔热石棉板后进气温度降低,排气温度无明显效果,因此排除此因素。
并且进气温度经过中冷器冷却,会将进气温度控制在一个合适的温度,因此进气温度影响排气温度理论上不成立。
2、加装混气箱
柴油机试验所在场地为密闭环境,进气通道上方设置两个空气滤,进气量不足导致燃烧不充分,产生后燃使排气温度升高,为解决这一问题,在试验中加装混气箱,混气箱上加装金属空气滤,如图5所示,在混气箱两侧连接波纹管至废气涡轮增压器进气道,从根本上增加了进气量,使燃料充分燃烧,降低排温。
图5 混气箱模型
通过观察发现,加装混气箱试验前后排温降至736℃,满足要求。
四、总 结
本文结合故障树对柴油机排气温度高的缺陷进行详细分析论证,确认造成柴油机试验中排气温度高的原因及解决措施:
进气量不足,导致燃料燃烧不充分,产生后燃,使排温升高。
通过加装混气箱,增大进气量有效解决排温高的问题。
该问题的成功排查,告诫我们在柴油机试验中要充分考虑试验环境,避免因试验环境导致故障。
参考文献:
[1]吴夏来.有机朗肯循环过程的优化与控制研究[D].浙江大学,2019.
[2]杨平平.浅析矿用特种柴油机早期损坏机理及对策[J].内燃机与配件,2017(23):100.
[3]郑倩.热电偶与热电阻温度计在工程中的应用[J].民营科技,2015(07):48.
[4]尹晓科.关于 MTU4000系列柴油机排气温度高的故障分析及其排除[J].珠江水运,2018(06):103-105.
[5]蒋顺豪,白云,曹靖,李文涛,高明春,史艳军.喷油策略对大缸径双燃料发动机燃烧和排放的影响[J].船舶工程,2021,43(08):73-79.
[6]李崇令.柴油机排气温度高的原因分析与排除[J].内燃机与配件,2021(12):121-122.
[7]王洪岐.关于某型中速柴油机排温高故障的排查和讨论[J].中国水运,2022(03):30-32.
[8]陈仁君.活塞压缩机排气温度过高的原因分析[J].内燃机与配件,2019(08):74-75.
原创作者系：
山西柴油机工业有限责任公司
康 勇、郑智锋、王英杰、郝 贤、刘文鹏
