船舶二冲程柴油主机排气温度过高原因分析

柴油机排气温度，反映负荷和燃烧质量，影响柴油机可靠性和经济性，是分析柴油机性能的重要参数。本文所指排气高温，是柴油机可继续运行，但排气温度接近或超过说明书允许的最高值。柴油机排气高温是常见故障，可分为整机各缸同时排气高温和个别缸排气高温，根本原因是燃油燃烧不良，包括燃烧过程安排不合理和燃烧条件不良。本文的讨论，针对运营中的既定柴油机：★二冲程，直流扫气，可倒车；★高压油泵和排气阀均由凸轮轴驱动；★定压增压，废气涡轮压气机与活塞下部空间串联，其间有空气冷却器；★不定速，飞重式调速器调速；★燃用燃料油。一、燃烧过程——喷油定时燃油在柴油机中的燃烧过程一般可人为的地划分为滞燃、速燃、缓燃、后燃等四阶段，见图1。图1某柴油机燃烧过程曲线图

（1）滞燃阶段（滞燃期）滞燃阶段，是燃烧前燃油的一系列物理和化学准备阶段，自喷油始点（A）燃油雾化进入气缸（未燃烧）开始，至燃烧始点（B，着火点）燃油被点燃止。滞燃期长，则着火点（B）后移，整个燃烧过程推迟，且后燃增加，排气温度高；而且滞燃期生成的可燃混合气数量大，到达着火点瞬间全部燃烧，缸内压力突然增高，曲线上表现为BC段特别陡峭且最高压力点（C）过高，柴油机工作粗暴。滞燃期既然自喷油始点（A）至燃烧始点止，调节滞燃期就有改变喷油始点和改变燃烧始点两种方法。喷油始点，取决于喷油提前角，可以直接调整。

喷油始点（A）后移，则整个滞燃阶段随之后移，不仅推迟着火点（B），而且整个燃烧过程后移，排气温度升高。若着火点（B）后移至上止点后，即滞燃期的后期活塞下行缸内空间增大，缸内温度与压力降低，滞燃阶段更长，后燃更严重。燃烧始点，燃油完成一系列燃烧的物理和化学准备后开始被点燃。

很明显，着火点不可直接调节，只能：★随喷油始点变化；★取决于滞燃期长短，即取决于燃油燃烧条件。滞燃期长短，取决于当时气缸内物理、化学环境，即燃烧条件，影响因素甚多，留待下面逐一讨论。（2）速燃阶段速燃阶段，从气缸内燃油发火燃烧开始（着火点B）到出现最高压力点（C），其间还有燃油雾化喷入。速燃阶段开始，滞燃阶段完成燃烧物理和化学准备的燃油瞬间全部燃烧，还烧掉陆续喷入气缸的燃油，缸内压力迅上升至最高压力，几乎是等容燃烧。速燃阶段的长短，取决于：★缓然阶段的起始点，即滞燃和速燃阶段的长短，以及燃烧准备质量和燃烧质量；★继续喷入的燃油量，以及★燃油的燃烧条件。显然，速燃阶段不可直接调节，除滞燃期长短和喷油量外，可控因素还有燃烧条件。（3）缓燃阶段缓燃阶段，从气缸内工质出现最高压力点（C）到最高温度点（D）。喷油终点可能延长至缓燃阶段的前期。缓燃阶段，燃烧室内已充满正在燃烧的火焰和燃烧产物，继续喷入的燃油也立即蒸发燃烧，燃烧速度仍然很快，工质温度迅速上升至最高温度；但活塞下行，气缸容积扩大，工质压力逐渐下降。缓燃阶段的长短，取决于：★缓燃阶段的起始点，即滞燃和速燃阶段的长短，以及燃烧准备质量和燃烧质量；★继续喷入的燃油量（喷油终点），以及★燃油的燃烧条件。显然，缓燃阶段可调节的只有喷油终点和燃烧条件。

若高压油泵不具有终点调节功能，可控制因素只有燃烧条件。（4）后燃阶段后燃阶段，自最高温度点（D）至燃烧终点（E）。后燃阶段，燃油不再喷入，部分来不及完全燃烧的燃油继续燃烧，但活塞下行速度越来越大，缸内空间增加越来越快，缸内温度和压力降低越来越快，越来越不利于燃烧，当然越短越好。后燃阶段直接影响排气温度，其长短取决于：★滞燃阶段、速燃阶段和缓燃阶段的长短，以及燃烧准备质量和燃烧质量；以及★燃油的燃烧条件。显然，后燃阶段不可直接调节，可控因素只有燃烧条件。综合对燃烧过程的分析，可知：★燃烧过程，影响排气温度。★可直接调节燃烧过程的参数只有喷油始点（A）和喷油终点（若高压油泵具有终点调节功能），其他参数都不可直接调节。★燃烧条件是重要的可控因素。可知，导致排气高温的因素之一——喷油定时（始点和终点）滞后。二、燃油品质——燃烧条件之一燃油的性能影响燃烧。

重质燃油含碳量大，挥发性物质含量少，较难燃烧，燃烧前一系列物理和化学准备也需要更多空气、更高温度和更长时间。通常用“计算碳芳香烃指数”（CalculatedCarbonAromaticityIndex）作为重质燃油燃烧性能的重要指标，大于870，滞燃期会很长，燃烧困难，排温升高。可知，导致排气高温的因素之二，燃油品质不良。三、燃烧的燃油量（负荷）——燃烧条件之二柴油机负荷表现为每一循环喷射、燃烧的油量。负荷高，燃烧的油量多，虽然废气能量大，增压压力高，扫气质量好，过量空气系数大，有利于燃烧，降低排气温度；但是油量多，滞燃期长，推迟燃烧过程，提高排气温度。

后者影响比较大，综合作用结果还是排气温度提高。尤其是超负荷，增压器可能因离开最佳能量匹配而效率下降，空气供应量反而相对减少（过量空气系数下降），排气温度升高，还可能引起增压器喘振。可知，导致排气高温的因素之三，负荷高。另一方面，负荷过低，排气能量少，增压压力低，则扫气压力低，扫气不良，废气残留，过量空气系数下降；而且压缩终点温度低，滞燃期长，着火点和整个燃烧过程后移，排气温度也会相应提高，但不会导致本文讨论的“接近或超过说明书允许的最高值”。四、扫气空气（重）量——燃烧条件之三空气越多即过量空气系数大，燃烧越快也越完全，而且加快燃烧前燃油的一系列物理和化学准备（缩短滞燃期）。

空气量不足必然导致燃烧不良，排气高温。扫气，应尽可能多地提供空气，同时尽可能多地驱除缸内废气。影响扫气空气重量的因素，有扫气流路径（取决于扫气口、活塞顶、缸头等的几何形状，既定柴油机不会变化，本文不讨论）、扫气空气压力和温度、排气阀定时等。1、扫气压力扫气压力，指进入气缸的空气压力。

扫气压力高则空气密度大，缸内空气重量增加。影响扫气空气压力的因素，包括柴油机排气能量、废气通道（含废气涡轮）的技术状态、增压空气通道（含压气机）的技术状态等。（1）柴油机排气能量排气能量低，增压压力低，导致扫气压力低，过量空气系数低，排气温度升高。排气能量取决于柴油机负荷（燃油量），见“3燃烧的燃油量（负荷）———燃烧条件之二”。（2）废气通道（含废气涡轮）的技术状态废气涡轮技术状态不良，势必减少废气涡轮输出功率，因而减少压气机输出空气重量。废气流道阻力增大，则排气背压高，排气量少：★扫气压力降低，空气量减少，排气温度升高；★缸内残留废气增多，下一循环燃烧不良，排气温度升高。可知，导致排气高温的因素之四，扫气空气重量，包括废气通道（含废气涡轮）的技术状态不良。（3）增压空气通道技术状态增压空气流道技术状态不良，必然减少压气机输出空气重量：★压气机技术状态不良，必然减少空气供应量；★增压空气流道阻力增大，不仅减少扫气空气的体积流量，且降低进入气缸的扫气空气压力和密度，因而降低扫气空气重量；★增压空气通道漏泄，必然降低扫气压力和扫气空气密度，降低扫气空气重量；★口琴阀故障，增压空气不能通过或流量减少，或增压空气倒流，导致相关气缸扫气压力降低。可知，导致排气高温的因素之五，增压空气通道技术状态不良。2、扫气空气温度扫气空气温度高，虽然压缩终点温度高，有利于缩短滞燃期，但进机空气密度下降，重量减少，过量空气系数降低，不利于燃油燃烧，延长整个燃烧过程，致使排烟温度升高。有关试验数据表明，进气温度增加1℃，排气温度增加3℃。影响扫气空气温度的因素，可能有：★增压压力升高，则增压空气温度增高，见“3.1扫气空气压力”。★环境温度高，包括机舱空气温度高则压气机吸入空气温度高导致增压空气温度高；舷外水温度高则空冷器冷却水温度高，导致扫气温度高。★空冷器，因传热不良而冷却不充分，导致扫气温度高。可知：导致排气高温的因素之六，环境温度高；导致排气高温的因素之七，空冷器的冷却不良。3、排气定时排气定时改变，实际情况多是滞后而不是提前。排气阀开启持续时间不变，延迟开启必定延迟关闭（不包括新型智能柴油机采用电子技术控制）。排气阀开启晚，虽然工质膨胀充分，排气压力低因而排气温度降低；但排气能量小，增压压力低，导致下一循环扫气不充分，废气残留多，反而空气量少，不利于燃烧，排气温度高。排气阀关闭相应推迟，虽然废气残留少，但下一循环空气量也少，且压缩起点后移，压缩终点压力和温度低，不利于燃油燃烧前的一系列物理和化学准备（滞燃），着火点和整个燃烧过程后移，排气温度升高。两者综合，都减少空气量，致使排气温度升高。可知，导致排气高温的因素之八，排气定时滞后。五、压缩终点压力和温度——燃烧条件之四柴油机的压缩近似绝热压缩，压缩终点压力越高温度也越高。压缩终点的温度，是燃油燃烧前的一系列物理和化学准备（滞燃）的重要物理条件，而且必须达到发火温度，燃油才可能燃烧。压缩终点的温度低，则燃油燃烧前的一系列物理和化学准备（滞燃）所需时间长，着火点和整个燃烧过程后移，排气温度高。影响压缩压力的因素，包括：★几何压缩比——取决于设计的缸径冲程比。

本文针对既定柴油机，不作讨论。★排气定时——已如前述。★缸套冷却水温度——变化不大，影响也不大。★气缸密封程度——排气阀、活塞环与缸套间、活塞环与环槽间等的漏泄，都只与零件技术状态有关，显而易见。此外，气缸润滑不良会加重活塞环与环槽间的漏泄气缸漏气，但不会在短期内导致排气温度过高。可知，导致排气高温的因素之九，气缸密封不良。六、燃油雾化质量——燃烧条件之五燃油雾化质量，包括雾滴直径和雾花长短/粗细：★雾滴直径大，单位体积（重量）燃油的表面积小即蒸发面积小，导致油雾吸热和气化过程减缓，且不利于与空气混合，滞燃期长，排气温度高。★雾花（长短/粗细）不能均匀布满燃烧室，不利于油雾与空气充分混合，滞燃期长，排气温度高；但若雾花过长，燃油喷在缸壁和活塞头上，不仅进一步延迟燃烧，而且烧蚀缸壁和活塞头。影响燃油雾化质量的主要是燃油雾化时的黏度（温度）和喷油器技术状态。（1）燃油黏度，随温度变化，温度越高黏度越低。（2）喷油器技术状况不良，燃油雾滴直径大，雾花在燃烧室分布不广和不均匀，延长滞燃期和整个燃烧过程，后燃严重甚至不完全燃烧的燃油在排气管中二次燃烧，排气温度高。（3）高压油泵故障，喷射压力不足。可知，导致排气高温的因素之十，燃油粘度高；导致排气高温的因素之十一，喷油器技术状况不良。七、排气温度过高的故障点综合上述，导致排气高温的因素，共有十一项：第1项，喷油定时滞后，第2项，燃油品质不良，第3项，负荷高，第4项，废气通道（含废气涡轮）的技术状态不良，第5项，增压空气通道（含压气机、口琴阀）技术状态不良，第6项，环境温度高，第7项，空冷器的技术状态不良，第8项，排气定时滞后，第9项，气缸密封不良，第10项，燃油雾化时的粘度高（温度低），第11项，喷油器技术状况不良。常见的排气高温故障，有各缸排气温度普遍过高和个别缸排气温度过高两种情况。

为便于采取针对性措施，分别分析这两种排气高温的故障点。1、各缸排气温度普遍过高的故障点第9项气缸密封和第11项喷油器，各缸独立，不会各缸同时技术状态不佳而导致各缸排气温度普遍升高；其它9项同时影响各缸，都可能导致各缸排气温度普遍升高。第1项，喷油定时滞后——导致整体机喷油定时滞后，可能有以下原因：★曲轴与凸轮轴的链传动错位；★凸轮轴上齿/链轮与凸轮轴连接滑移；★某些机型换向不到位；★凸轮轴间连接滑移（相邻数缸排气高温），等。第2项，燃油品质不良——导致燃油品质不良，可能是：★燃油质量本来就不好，★不相容燃油相混（不相容可能导致析出、沉淀和改变燃烧性能），★燃油因在船存储时间过长而变质，★燃油预处理不当，等。第3项，负荷高——整机负荷增加的原因可能有：★航行阻力增大，例如吃水过大、纵倾不适当、顶风、严重污底、航道过浅、拖锚航行等；★机器故障，例如拉缸、抱轴、减缸航行等；★操作不当，例如从停车或低速突然大油门加速、快车航行突然立即快倒车等；★调速器故障；★调油传动机构故障，等。第4项，废气通道（含废气涡轮）的技术状态不良：★废气涡轮技术状态不良，通常是污染物减少进口隔栅、喷嘴环、透平叶片等通道的面积，喷嘴环叶片缺失，透平叶片变形，气封漏气等。★废气通道的技术状态不良，通常表现在污染物减少排气支管和/或总管、废气锅炉烟道等通道面积。第5项，增压空气通道（含压气机和口琴阀）技术状态不良：★压气机技术状态不良，可能是污染物减少吸入滤器、叶轮等通道的面积，叶轮叶片变形，气封漏气等。★增压空气流道阻力增大，通常表现为油泥附着于压气机吸入滤器、空冷器的空气通道等，不完全燃烧产物甚至可能沉积在气缸的扫气口。★增压空气通道漏泄，可能在活塞杆填料函、泄放阀、辅助鼓风机的单向阀、扫气箱安全阀等处。★各缸口琴阀同时粘着不能开启或开启不全或关闭不全（倒流）的可能性极小。第6项，环境温度高——环境温度高，是自然现象。机舱空气温度高，还可能是机舱通风不良，可开足各机舱风机，压气机附近的风口对准压气机吸风口。第7项，空冷器的技术状态不良——空冷器传热不良：可能气侧被增压空气中的油雾污染，水侧被冷却水积垢污染和/或杂物阻塞。第8项，排气定时滞后——各缸同时排气阀定时后移，可能有以下原因：★曲轴与凸轮轴的链传动错位；★凸轮轴上，齿/链轮与凸轮轴连接滑移；★（某些机型）换向不到位；★凸轮轴间连接滑移（相邻数缸排气高温），等。第10项，燃油雾化时的黏度低，可能因为：★加热蒸气不足；★黏度计故障；★燃油伴行加热管不畅通，等。2、个别缸排气温度过高的故障点第2项燃油品质不良、第4项废气通道（含废气涡轮）的技术状态不良、第6项环境温度高、第7项空冷器的技术状态不良和第10项燃油雾化时的粘度高等五项，皆同时影响各缸，不会导致个别缸排气温度升高；可能导致个别缸排气温度升高的是其它6项。第1项，喷油定时滞后个别缸喷油提前角减小，故障点可能在：★燃油凸轮相对凸轮轴滑移；★高压油泵顶升机构总高度减少；★高压油泵故障；★高压油管与喷油器和/或高压油泵接头渗漏；★喷油器（针阀、针阀与套筒、喷油嘴与喷油器结合面）渗漏，等。第3项，负荷高——个别缸供油量增大，超负荷，排气高温，可能是：★燃油凸轮相对凸轮轴滑移；★调油传动机构故障；★高压油泵故障（油量齿条调整不当或卡住）等。第5项，增压空气通道（含压气机、口琴阀）技术状态不良——只有个别缸口琴阀技术状态不良会导致个别缸排气温度过高。个别缸口琴阀技术状态不良，可能有：★粘着，不能开启或开启不全；★关闭不全，增压空气倒流，等。第8项，排气定时滞后个别缸排气阀定时后移，可能因：★排气凸轮相对凸轮轴滑移；★排气阀顶升机构故障导致总高度减少；★排气阀与其摇臂和顶杆配合失当；★排气阀复位弹簧失效，或空气弹簧失灵；★液压驱动排气阀的液压驱动系统（驱动泵/液压油管/液压缸）漏泄，等。第9项，气缸密封不良主要是排气阀、活塞环与气缸之间、活塞环与环槽之间漏泄，以及活塞头部烧蚀、气缸过度磨损等。单缸排气温度突然升高，最常见原因是：★活塞环断