船舶二沖程柴油主機(jī)排氣溫度過高原因分析

柴油機(jī)排氣溫度，反映負(fù)荷和燃燒質(zhì)量，影響柴油機(jī)可靠性和經(jīng)濟(jì)性，是分析柴油機(jī)性能的重要參數(shù)。本文所指排氣高溫，是柴油機(jī)可繼續(xù)運行，但排氣溫度接近或超過說明書允許的最高值。柴油機(jī)排氣高溫是常見故障，可分為整機(jī)各缸同時排氣高溫和個別缸排氣高溫，根本原因是燃油燃燒不良，包括燃燒過程安排不合理和燃燒條件不良。本文的討論，針對運營中的既定柴油機(jī)：★二沖程，直流掃氣，可倒車；★高壓油泵和排氣閥均由凸輪軸驅(qū)動；★定壓增壓，廢氣渦輪壓氣機(jī)與活塞下部空間串聯(lián)，其間有空氣冷卻器；★不定速，飛重式調(diào)速器調(diào)速；★燃用燃料油。一、燃燒過程——噴油定時燃油在柴油機(jī)中的燃燒過程一般可人為的地劃分為滯燃、速燃、緩燃、后燃等四階段，見圖1。圖1某柴油機(jī)燃燒過程曲線圖

（1）滯燃階段（滯燃期）滯燃階段，是燃燒前燃油的一系列物理和化學(xué)準(zhǔn)備階段，自噴油始點（A）燃油霧化進(jìn)入氣缸（未燃燒）開始，至燃燒始點（B，著火點）燃油被點燃止。滯燃期長，則著火點（B）后移，整個燃燒過程推遲，且后燃增加，排氣溫度高；而且滯燃期生成的可燃混合氣數(shù)量大，到達(dá)著火點瞬間全部燃燒，缸內(nèi)壓力突然增高，曲線上表現(xiàn)為BC段特別陡峭且最高壓力點（C）過高，柴油機(jī)工作粗暴。滯燃期既然自噴油始點（A）至燃燒始點止，調(diào)節(jié)滯燃期就有改變噴油始點和改變?nèi)紵键c兩種方法。噴油始點，取決于噴油提前角，可以直接調(diào)整。

噴油始點（A）后移，則整個滯燃階段隨之后移，不僅推遲著火點（B），而且整個燃燒過程后移，排氣溫度升高。若著火點（B）后移至上止點后，即滯燃期的后期活塞下行缸內(nèi)空間增大，缸內(nèi)溫度與壓力降低，滯燃階段更長，后燃更嚴(yán)重。燃燒始點，燃油完成一系列燃燒的物理和化學(xué)準(zhǔn)備后開始被點燃。

很明顯，著火點不可直接調(diào)節(jié)，只能：★隨噴油始點變化；★取決于滯燃期長短，即取決于燃油燃燒條件。滯燃期長短，取決于當(dāng)時氣缸內(nèi)物理、化學(xué)環(huán)境，即燃燒條件，影響因素甚多，留待下面逐一討論。（2）速燃階段速燃階段，從氣缸內(nèi)燃油發(fā)火燃燒開始（著火點B）到出現(xiàn)最高壓力點（C），其間還有燃油霧化噴入。速燃階段開始，滯燃階段完成燃燒物理和化學(xué)準(zhǔn)備的燃油瞬間全部燃燒，還燒掉陸續(xù)噴入氣缸的燃油，缸內(nèi)壓力迅上升至最高壓力，幾乎是等容燃燒。速燃階段的長短，取決于：★緩然階段的起始點，即滯燃和速燃階段的長短，以及燃燒準(zhǔn)備質(zhì)量和燃燒質(zhì)量；★繼續(xù)噴入的燃油量，以及★燃油的燃燒條件。顯然，速燃階段不可直接調(diào)節(jié)，除滯燃期長短和噴油量外，可控因素還有燃燒條件。（3）緩燃階段緩燃階段，從氣缸內(nèi)工質(zhì)出現(xiàn)最高壓力點（C）到最高溫度點（D）。噴油終點可能延長至緩燃階段的前期。緩燃階段，燃燒室內(nèi)已充滿正在燃燒的火焰和燃燒產(chǎn)物，繼續(xù)噴入的燃油也立即蒸發(fā)燃燒，燃燒速度仍然很快，工質(zhì)溫度迅速上升至最高溫度；但活塞下行，氣缸容積擴(kuò)大，工質(zhì)壓力逐漸下降。緩燃階段的長短，取決于：★緩燃階段的起始點，即滯燃和速燃階段的長短，以及燃燒準(zhǔn)備質(zhì)量和燃燒質(zhì)量；★繼續(xù)噴入的燃油量（噴油終點），以及★燃油的燃燒條件。顯然，緩燃階段可調(diào)節(jié)的只有噴油終點和燃燒條件。

若高壓油泵不具有終點調(diào)節(jié)功能，可控制因素只有燃燒條件。（4）后燃階段后燃階段，自最高溫度點（D）至燃燒終點（E）。后燃階段，燃油不再噴入，部分來不及完全燃燒的燃油繼續(xù)燃燒，但活塞下行速度越來越大，缸內(nèi)空間增加越來越快，缸內(nèi)溫度和壓力降低越來越快，越來越不利于燃燒，當(dāng)然越短越好。后燃階段直接影響排氣溫度，其長短取決于：★滯燃階段、速燃階段和緩燃階段的長短，以及燃燒準(zhǔn)備質(zhì)量和燃燒質(zhì)量；以及★燃油的燃燒條件。顯然，后燃階段不可直接調(diào)節(jié)，可控因素只有燃燒條件。綜合對燃燒過程的分析，可知：★燃燒過程，影響排氣溫度?！锟芍苯诱{(diào)節(jié)燃燒過程的參數(shù)只有噴油始點（A）和噴油終點（若高壓油泵具有終點調(diào)節(jié)功能），其他參數(shù)都不可直接調(diào)節(jié)。★燃燒條件是重要的可控因素?？芍?，導(dǎo)致排氣高溫的因素之一——噴油定時（始點和終點）滯后。二、燃油品質(zhì)——燃燒條件之一燃油的性能影響燃燒。

重質(zhì)燃油含碳量大，揮發(fā)性物質(zhì)含量少，較難燃燒，燃燒前一系列物理和化學(xué)準(zhǔn)備也需要更多空氣、更高溫度和更長時間。通常用“計算碳芳香烴指數(shù)”（CalculatedCarbonAromaticityIndex）作為重質(zhì)燃油燃燒性能的重要指標(biāo)，大于870，滯燃期會很長，燃燒困難，排溫升高。可知，導(dǎo)致排氣高溫的因素之二，燃油品質(zhì)不良。三、燃燒的燃油量（負(fù)荷）——燃燒條件之二柴油機(jī)負(fù)荷表現(xiàn)為每一循環(huán)噴射、燃燒的油量。負(fù)荷高，燃燒的油量多，雖然廢氣能量大，增壓壓力高，掃氣質(zhì)量好，過量空氣系數(shù)大，有利于燃燒，降低排氣溫度；但是油量多，滯燃期長，推遲燃燒過程，提高排氣溫度。

后者影響比較大，綜合作用結(jié)果還是排氣溫度提高。尤其是超負(fù)荷，增壓器可能因離開最佳能量匹配而效率下降，空氣供應(yīng)量反而相對減少（過量空氣系數(shù)下降），排氣溫度升高，還可能引起增壓器喘振?？芍瑢?dǎo)致排氣高溫的因素之三，負(fù)荷高。另一方面，負(fù)荷過低，排氣能量少，增壓壓力低，則掃氣壓力低，掃氣不良，廢氣殘留，過量空氣系數(shù)下降；而且壓縮終點溫度低，滯燃期長，著火點和整個燃燒過程后移，排氣溫度也會相應(yīng)提高，但不會導(dǎo)致本文討論的“接近或超過說明書允許的最高值”。四、掃氣空氣（重）量——燃燒條件之三空氣越多即過量空氣系數(shù)大，燃燒越快也越完全，而且加快燃燒前燃油的一系列物理和化學(xué)準(zhǔn)備（縮短滯燃期）。

空氣量不足必然導(dǎo)致燃燒不良，排氣高溫。掃氣，應(yīng)盡可能多地提供空氣，同時盡可能多地驅(qū)除缸內(nèi)廢氣。影響掃氣空氣重量的因素，有掃氣流路徑（取決于掃氣口、活塞頂、缸頭等的幾何形狀，既定柴油機(jī)不會變化，本文不討論）、掃氣空氣壓力和溫度、排氣閥定時等。1、掃氣壓力掃氣壓力，指進(jìn)入氣缸的空氣壓力。

掃氣壓力高則空氣密度大，缸內(nèi)空氣重量增加。影響掃氣空氣壓力的因素，包括柴油機(jī)排氣能量、廢氣通道（含廢氣渦輪）的技術(shù)狀態(tài)、增壓空氣通道（含壓氣機(jī)）的技術(shù)狀態(tài)等。（1）柴油機(jī)排氣能量排氣能量低，增壓壓力低，導(dǎo)致掃氣壓力低，過量空氣系數(shù)低，排氣溫度升高。排氣能量取決于柴油機(jī)負(fù)荷（燃油量），見“3燃燒的燃油量（負(fù)荷）———燃燒條件之二”。（2）廢氣通道（含廢氣渦輪）的技術(shù)狀態(tài)廢氣渦輪技術(shù)狀態(tài)不良，勢必減少廢氣渦輪輸出功率，因而減少壓氣機(jī)輸出空氣重量。廢氣流道阻力增大，則排氣背壓高，排氣量少：★掃氣壓力降低，空氣量減少，排氣溫度升高；★缸內(nèi)殘留廢氣增多，下一循環(huán)燃燒不良，排氣溫度升高?？芍瑢?dǎo)致排氣高溫的因素之四，掃氣空氣重量，包括廢氣通道（含廢氣渦輪）的技術(shù)狀態(tài)不良。（3）增壓空氣通道技術(shù)狀態(tài)增壓空氣流道技術(shù)狀態(tài)不良，必然減少壓氣機(jī)輸出空氣重量：★壓氣機(jī)技術(shù)狀態(tài)不良，必然減少空氣供應(yīng)量；★增壓空氣流道阻力增大，不僅減少掃氣空氣的體積流量，且降低進(jìn)入氣缸的掃氣空氣壓力和密度，因而降低掃氣空氣重量；★增壓空氣通道漏泄，必然降低掃氣壓力和掃氣空氣密度，降低掃氣空氣重量；★口琴閥故障，增壓空氣不能通過或流量減少，或增壓空氣倒流，導(dǎo)致相關(guān)氣缸掃氣壓力降低?？芍瑢?dǎo)致排氣高溫的因素之五，增壓空氣通道技術(shù)狀態(tài)不良。2、掃氣空氣溫度掃氣空氣溫度高，雖然壓縮終點溫度高，有利于縮短滯燃期，但進(jìn)機(jī)空氣密度下降，重量減少，過量空氣系數(shù)降低，不利于燃油燃燒，延長整個燃燒過程，致使排煙溫度升高。有關(guān)試驗數(shù)據(jù)表明，進(jìn)氣溫度增加1℃，排氣溫度增加3℃。影響掃氣空氣溫度的因素，可能有：★增壓壓力升高，則增壓空氣溫度增高，見“3.1掃氣空氣壓力”。★環(huán)境溫度高，包括機(jī)艙空氣溫度高則壓氣機(jī)吸入空氣溫度高導(dǎo)致增壓空氣溫度高；舷外水溫度高則空冷器冷卻水溫度高，導(dǎo)致掃氣溫度高。★空冷器，因傳熱不良而冷卻不充分，導(dǎo)致掃氣溫度高?？芍簩?dǎo)致排氣高溫的因素之六，環(huán)境溫度高；導(dǎo)致排氣高溫的因素之七，空冷器的冷卻不良。3、排氣定時排氣定時改變，實際情況多是滯后而不是提前。排氣閥開啟持續(xù)時間不變，延遲開啟必定延遲關(guān)閉（不包括新型智能柴油機(jī)采用電子技術(shù)控制）。排氣閥開啟晚，雖然工質(zhì)膨脹充分，排氣壓力低因而排氣溫度降低；但排氣能量小，增壓壓力低，導(dǎo)致下一循環(huán)掃氣不充分，廢氣殘留多，反而空氣量少，不利于燃燒，排氣溫度高。排氣閥關(guān)閉相應(yīng)推遲，雖然廢氣殘留少，但下一循環(huán)空氣量也少，且壓縮起點后移，壓縮終點壓力和溫度低，不利于燃油燃燒前的一系列物理和化學(xué)準(zhǔn)備（滯燃），著火點和整個燃燒過程后移，排氣溫度升高。兩者綜合，都減少空氣量，致使排氣溫度升高?？芍瑢?dǎo)致排氣高溫的因素之八，排氣定時滯后。五、壓縮終點壓力和溫度——燃燒條件之四柴油機(jī)的壓縮近似絕熱壓縮，壓縮終點壓力越高溫度也越高。壓縮終點的溫度，是燃油燃燒前的一系列物理和化學(xué)準(zhǔn)備（滯燃）的重要物理條件，而且必須達(dá)到發(fā)火溫度，燃油才可能燃燒。壓縮終點的溫度低，則燃油燃燒前的一系列物理和化學(xué)準(zhǔn)備（滯燃）所需時間長，著火點和整個燃燒過程后移，排氣溫度高。影響壓縮壓力的因素，包括：★幾何壓縮比——取決于設(shè)計的缸徑?jīng)_程比。

本文針對既定柴油機(jī)，不作討論。★排氣定時——已如前述。★缸套冷卻水溫度——變化不大，影響也不大?！餁飧酌芊獬潭取艢忾y、活塞環(huán)與缸套間、活塞環(huán)與環(huán)槽間等的漏泄，都只與零件技術(shù)狀態(tài)有關(guān)，顯而易見。此外，氣缸潤滑不良會加重活塞環(huán)與環(huán)槽間的漏泄氣缸漏氣，但不會在短期內(nèi)導(dǎo)致排氣溫度過高?？芍?，導(dǎo)致排氣高溫的因素之九，氣缸密封不良。六、燃油霧化質(zhì)量——燃燒條件之五燃油霧化質(zhì)量，包括霧滴直徑和霧花長短/粗細(xì)：★霧滴直徑大，單位體積（重量）燃油的表面積小即蒸發(fā)面積小，導(dǎo)致油霧吸熱和氣化過程減緩，且不利于與空氣混合，滯燃期長，排氣溫度高?！镬F花（長短/粗細(xì)）不能均勻布滿燃燒室，不利于油霧與空氣充分混合，滯燃期長，排氣溫度高；但若霧花過長，燃油噴在缸壁和活塞頭上，不僅進(jìn)一步延遲燃燒，而且燒蝕缸壁和活塞頭。影響燃油霧化質(zhì)量的主要是燃油霧化時的黏度（溫度）和噴油器技術(shù)狀態(tài)。（1）燃油黏度，隨溫度變化，溫度越高黏度越低。（2）噴油器技術(shù)狀況不良，燃油霧滴直徑大，霧花在燃燒室分布不廣和不均勻，延長滯燃期和整個燃燒過程，后燃嚴(yán)重甚至不完全燃燒的燃油在排氣管中二次燃燒，排氣溫度高。（3）高壓油泵故障，噴射壓力不足?？芍?，導(dǎo)致排氣高溫的因素之十，燃油粘度高；導(dǎo)致排氣高溫的因素之十一，噴油器技術(shù)狀況不良。七、排氣溫度過高的故障點綜合上述，導(dǎo)致排氣高溫的因素，共有十一項：第1項，噴油定時滯后，第2項，燃油品質(zhì)不良，第3項，負(fù)荷高，第4項，廢氣通道（含廢氣渦輪）的技術(shù)狀態(tài)不良，第5項，增壓空氣通道（含壓氣機(jī)、口琴閥）技術(shù)狀態(tài)不良，第6項，環(huán)境溫度高，第7項，空冷器的技術(shù)狀態(tài)不良，第8項，排氣定時滯后，第9項，氣缸密封不良，第10項，燃油霧化時的粘度高（溫度低），第11項，噴油器技術(shù)狀況不良。常見的排氣高溫故障，有各缸排氣溫度普遍過高和個別缸排氣溫度過高兩種情況。

為便于采取針對性措施，分別分析這兩種排氣高溫的故障點。1、各缸排氣溫度普遍過高的故障點第9項氣缸密封和第11項噴油器，各缸獨立，不會各缸同時技術(shù)狀態(tài)不佳而導(dǎo)致各缸排氣溫度普遍升高；其它9項同時影響各缸，都可能導(dǎo)致各缸排氣溫度普遍升高。第1項，噴油定時滯后——導(dǎo)致整體機(jī)噴油定時滯后，可能有以下原因：★曲軸與凸輪軸的鏈傳動錯位；★凸輪軸上齒/鏈輪與凸輪軸連接滑移；★某些機(jī)型換向不到位；★凸輪軸間連接滑移（相鄰數(shù)缸排氣高溫），等。第2項，燃油品質(zhì)不良——導(dǎo)致燃油品質(zhì)不良，可能是：★燃油質(zhì)量本來就不好，★不相容燃油相混（不相容可能導(dǎo)致析出、沉淀和改變?nèi)紵阅埽锶加鸵蛟诖鎯r間過長而變質(zhì)，★燃油預(yù)處理不當(dāng)，等。第3項，負(fù)荷高——整機(jī)負(fù)荷增加的原因可能有：★航行阻力增大，例如吃水過大、縱傾不適當(dāng)、頂風(fēng)、嚴(yán)重污底、航道過淺、拖錨航行等；★機(jī)器故障，例如拉缸、抱軸、減缸航行等；★操作不當(dāng)，例如從停車或低速突然大油門加速、快車航行突然立即快倒車等；★調(diào)速器故障；★調(diào)油傳動機(jī)構(gòu)故障，等。第4項，廢氣通道（含廢氣渦輪）的技術(shù)狀態(tài)不良：★廢氣渦輪技術(shù)狀態(tài)不良，通常是污染物減少進(jìn)口隔柵、噴嘴環(huán)、透平葉片等通道的面積，噴嘴環(huán)葉片缺失，透平葉片變形，氣封漏氣等?！飶U氣通道的技術(shù)狀態(tài)不良，通常表現(xiàn)在污染物減少排氣支管和/或總管、廢氣鍋爐煙道等通道面積。第5項，增壓空氣通道（含壓氣機(jī)和口琴閥）技術(shù)狀態(tài)不良：★壓氣機(jī)技術(shù)狀態(tài)不良，可能是污染物減少吸入濾器、葉輪等通道的面積，葉輪葉片變形，氣封漏氣等?！镌鰤嚎諝饬鞯雷枇υ龃螅ǔ１憩F(xiàn)為油泥附著于壓氣機(jī)吸入濾器、空冷器的空氣通道等，不完全燃燒產(chǎn)物甚至可能沉積在氣缸的掃氣口?！镌鰤嚎諝馔ǖ缆┬?，可能在活塞桿填料函、泄放閥、輔助鼓風(fēng)機(jī)的單向閥、掃氣箱安全閥等處。★各缸口琴閥同時粘著不能開啟或開啟不全或關(guān)閉不全（倒流）的可能性極小。第6項，環(huán)境溫度高——環(huán)境溫度高，是自然現(xiàn)象。機(jī)艙空氣溫度高，還可能是機(jī)艙通風(fēng)不良，可開足各機(jī)艙風(fēng)機(jī)，壓氣機(jī)附近的風(fēng)口對準(zhǔn)壓氣機(jī)吸風(fēng)口。第7項，空冷器的技術(shù)狀態(tài)不良——空冷器傳熱不良：可能氣側(cè)被增壓空氣中的油霧污染，水側(cè)被冷卻水積垢污染和/或雜物阻塞。第8項，排氣定時滯后——各缸同時排氣閥定時后移，可能有以下原因：★曲軸與凸輪軸的鏈傳動錯位；★凸輪軸上，齒/鏈輪與凸輪軸連接滑移；★（某些機(jī)型）換向不到位；★凸輪軸間連接滑移（相鄰數(shù)缸排氣高溫），等。第10項，燃油霧化時的黏度低，可能因為：★加熱蒸氣不足；★黏度計故障；★燃油伴行加熱管不暢通，等。2、個別缸排氣溫度過高的故障點第2項燃油品質(zhì)不良、第4項廢氣通道（含廢氣渦輪）的技術(shù)狀態(tài)不良、第6項環(huán)境溫度高、第7項空冷器的技術(shù)狀態(tài)不良和第10項燃油霧化時的粘度高等五項，皆同時影響各缸，不會導(dǎo)致個別缸排氣溫度升高；可能導(dǎo)致個別缸排氣溫度升高的是其它6項。第1項，噴油定時滯后個別缸噴油提前角減小，故障點可能在：★燃油凸輪相對凸輪軸滑移；★高壓油泵頂升機(jī)構(gòu)總高度減少；★高壓油泵故障；★高壓油管與噴油器和/或高壓油泵接頭滲漏；★噴油器（針閥、針閥與套筒、噴油嘴與噴油器結(jié)合面）滲漏，等。第3項，負(fù)荷高——個別缸供油量增大，超負(fù)荷，排氣高溫，可能是：★燃油凸輪相對凸輪軸滑移；★調(diào)油傳動機(jī)構(gòu)故障；★高壓油泵故障（油量齒條調(diào)整不當(dāng)或卡住）等。第5項，增壓空氣通道（含壓氣機(jī)、口琴閥）技術(shù)狀態(tài)不良——只有個別缸口琴閥技術(shù)狀態(tài)不良會導(dǎo)致個別缸排氣溫度過高。個別缸口琴閥技術(shù)狀態(tài)不良，可能有：★粘著，不能開啟或開啟不全；★關(guān)閉不全，增壓空氣倒流，等。第8項，排氣定時滯后個別缸排氣閥定時后移，可能因：★排氣凸輪相對凸輪軸滑移；★排氣閥頂升機(jī)構(gòu)故障導(dǎo)致總高度減少；★排氣閥與其搖臂和頂桿配合失當(dāng)；★排氣閥復(fù)位彈簧失效，或空氣彈簧失靈；★液壓驅(qū)動排氣閥的液壓驅(qū)動系統(tǒng)（驅(qū)動泵/液壓油管/液壓缸）漏泄，等。第9項，氣缸密封不良主要是排氣閥、活塞環(huán)與氣缸之間、活塞環(huán)與環(huán)槽之間漏泄，以及活塞頭部燒蝕、氣缸過度磨損等。單缸排氣溫度突然升高，最常見原因是：★活塞環(huán)斷