MC轮发电柴油机排气温度高的原因分析及改进措施

摘 要：船舶发电柴油机为全船用电设备提供正常营运生产所需要的电能，其工作时容易发生排气温度升高现象，易引起一系列故障，从而影响发电柴油机的使用寿命和船舶安全。本文从影响排温的几大因素出发，排查出MC轮发电柴油机排温升高的原因，进一步分析喷嘴环冲蚀的原因，并提出改进措施。

关键词：发电柴油机；排气温度；喷嘴环；催化剂颗粒；自冲滤器

1 概 述

船舶发电柴油机的排气温度在一定程度上反映了缸内负荷的大小与燃烧质量的好坏，通常用来衡量柴油机热负荷的大小，是柴油机运行管理中需重点监测的参数，也是柴油机性能参数分析的重要依据。排气温度过高，不仅严重影响柴油机的可靠性和安全性，而且还会降低柴油机的经济性。

MC轮是我司1 100 TEU系列集装箱船之一，其发电柴油机型号为MAN 7L16/24，额定功率770 kW，额定转速1 200 rpm，等压增压，增压器为MAN-TCR14/41036。在接船后，副机使用至6 000 h左右，排气温度明显上升，最高升了约65 ℃，其中一台副机的排温数据见表1。

2 排温高原因分析

正常的排气温度取决于柴油机正常的燃烧。正常燃烧的基本条件是一定数量的燃油，在雾化良好的状态下和足够的空气良好地混合，在燃烧室内完全燃烧。任何不满足这些条件的因素，均会造成排温过高。因此，影响排气温度过高的原因，主要是由燃油系统、燃烧系统、换气系统造成的。下面就几个主要方面加以分析：

1）燃油质量差

燃油质量是影响整机排气温度的重要因素，若燃油质量不能满足雾化要求，则会引起燃油雾化不良，燃烧恶化，排气温度升高。

该轮的发电柴油机与主机共用一个燃油供油单元，由于是新船，自动化功能強，燃油黏度能稳定控制在12Cst，进机温度在130 ℃左右，完全满足良好雾化要求。对多批次燃油油样进行化验，化验结果满足ISO 8217：2010“船用残渣燃料油技术规范标准”。对燃油进机前细滤器进行了拆检，滤器也无旁通现象，滤芯完好。因此，首先排除了由于进入燃烧室的燃油质量差，燃烧质量恶化，而造成排气温度升高的原因。

2）供油及换气定时异常

（1）供油定时滞后

如供油提前角过小，因着火前活塞开始下行，燃烧室空间增大导致温度和压力已下降，错过了最佳燃烧点，燃油不能及时燃烧，导致爆压降低，后燃增加，排气温度上升。

（2）换气定时提前

如排气阀提前打开，气缸内还没有完全燃烧，充分膨胀的燃气就过早进入排气管，产生后燃。

按7L16/24柴油机的设计，进、排气定时和喷油定时不能进行单缸调整，只能通过进排气凸轮轴和高压油泵凸轮轴进行总调，检查传动齿轮上的定位标记，确认定时没有变化。用专用工具对各缸高压油泵的升程进行测量，与出厂记录一致。拆开高压油泵的漏泄油管进行检查，也没有明显漏油。检查进排气凸轮、喷油凸轮，以及进、排气顶杆，未见异常；各缸气阀间隙检查，均符合说明书要求。因此，排除供油及换气定时异常的原因。

（3）空冷器方面的原因

空冷器的传热主要是以对流、导热的形式对来自增压器的增压空气进行冷却。空冷器空气侧如堵塞，会造成阻力增大，进气总管的空气压力下降，进气量减少，造成排温升高。淡水冷却效果不好或空冷器空气进、出口旁通，会使进气总管空气温度升高，密度下降，也会造成排气温度升高。

对空冷器进行了全面拆洗，拆洗前后，进气温度、压力没有明显变化，排温也没有变化。这说明排温高也不是由于空冷器脏堵或空气旁通造成的。

（4）废气涡轮增压器方面的原因

增压器空气滤网、压气机叶轮、扩压器通道等太脏，喷嘴环、轴气封、工作叶轮等污染，工作叶片变形损伤，这些因素均可使增压器效率变低，增压压力下降，引起发电柴油机整体排气温度升高。

通过上述检查后，我们初步判断是增压器的问题，联系厂商对增压器进行了拆检，发现喷嘴环导向叶片根部内侧有明显的冲蚀磨损（见图1），其他没有异常。换新喷嘴环（见图2），排温恢复正常。换新喷嘴环后的排温见表2。

由此可以断定，该发电柴油机排温升高的原因是喷嘴环叶片冲蚀磨损，致使喷嘴环的流通面积增大，排气流速降低，造成了增压器效率大大降低。

3 喷嘴环导向叶片冲蚀磨损原因分析

1）高温燃气中颗粒物的高速冲击

MC轮发电柴油机现与主机一样使用380Cst船用残渣燃料油。船用燃料油是原油经常压蒸馏、真空蒸馏后加催化剂分解、裂化的产物，因此燃料油中不但含有石油本身的杂质，还含有炼化催化剂颗粒（REFINERY CATALYST FINES，简称CAT-FINES），其主要成分是铝和硅，一般以氧化铝Al2O3和氧化硅SiO2的形式存在，尺寸一般在5～50 μm，按照ISO 8217：2010“船用残渣燃料油技术规范标准”的规定，燃油内的可允许最大催化剂颗粒含量为60 ppm。CAT-FINES不仅会造成高压油泵、油头和缸套的磨料磨损，而且燃烧后仍然以非常坚硬的耐磨颗粒的形式存在。

喷嘴环导向叶片形成的通道从进口到出口呈收缩状，具有一定压力和温度的废气经过喷嘴环导向叶片，在喷嘴环导向叶片收缩的流道中加速，温度和压力下降，速度升高，部分压力能转换为动能，使得流出喷嘴环后的废气速度更高。这种高速气流作用在涡轮叶片上，带动增压器转子旋转。夹杂在排气中的颗粒物到达喷嘴环出口处时，速度很高，且颗粒最集中，这些颗粒物在离心力的作用下对导向叶片的根部内侧（废气离心运动的外圆）产生严重的撞击、冲刷，导致喷嘴环导向叶片根部产生冲蚀磨损，直到颗粒重量和尺寸减到足够小，才能随排气排出增压器。

2）排放等级要求提高后对柴油机排温影响

据国际海事组织2008年修订的MARPOL公约附则Ⅵ《防止船舶造成空气污染规则》（MEPC.176（58）决议）的第13条及《船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则》（MEPC.177（58）决议），2011年以后出厂的柴油机排放等级已从TierⅠ提高到TierⅡ，为降低氮氧化物的排放量，柴油机制造商采取了喷油定时延后等措施，致使后燃加重，进入增压器的燃气温度升高，排气燃烧后生成的结晶物增多，使得增压器喷嘴环产生冲蚀磨损的可能性加大。

3）喷嘴环的材质及加工工艺

虽说排气中的颗粒物是造成喷嘴环产生冲蚀磨损的主要原因，但现代柴油机使用重油是柴油机专利方、生产方、使用者等订协议予以肯定的，因此建议厂家从喷嘴环材质、表面硬度和加工工艺等方面查找喷嘴环产生早期冲蚀磨损的原因。

4 改进措施

MC轮发电柴油机排气温度出现升高后，姊妹船的发电柴油机也先后出现同类故障。为彻底解决解决问题，经咨询专利方、柴油机制造商，结合在使用中的经验，决定采取以下措施：

1）加装10 μm自冲滤器

由于燃油中催化剂颗粒的存在，不仅造成喷嘴环冲蚀磨损，还会夹在缸套和活塞环之间成为磨料，甚至可能嵌入缸套表面加剧磨损，还可能导致高压油泵和油头磨损，降低喷嘴环、缸套、活塞环、高压油泵和油头的使用寿命。参考GEA WESTFIALIA分油机技术资料，如果能将CAT-FINES的浓度降低至5 ppm以下，磨料颗粒直径小于3 μm，柴油机安全、高效、经济的使用就有了保障。燃油经分油机良好分离后CAT-FINES的浓度可降低至15 ppm，供油单元燃油自冲滤器为25 μm，进机燃油细滤器为25 μm，可见，15 ppm远大于5 ppm，25 μm远大于3 μm，因此需采取措施降低CAT-FINES的浓度，减小CAT-FINES颗粒物的尺寸。

为降低发电柴油机的故障率，根据MAN公司服务通函（SL2016.615）的建议，对副机燃油系统进行了改造，在副机燃油进口支管前安装绝对精度为10 μm（名义精度为6 μm）的波勒DN65自动反冲洗滤器（见图3），把过滤精度提高至10 μm，可将95%直径大于10 μm的CAT-FINES颗粒物有效过滤掉。由于滤器过滤精度的提高，使燃油中的杂质、淤渣的含量大幅度较少，改善了燃油的燃烧，使燃烧室积炭和排气中的颗粒物减少，从而保护了柴油机油头、高压油泵、喷嘴环等部件出现早期磨损。

2）改进优化涡轮端干洗工具，定期干洗

为改善副机燃烧状况，按说明书要求，需每天对增压器涡轮端进行干洗，但实际操作中，由于原厂提供的涡轮端干洗工具（见图4）的空气进口阀为DN25球阀。在冲洗时很难控制球阀开度，开度过小，无法进行冲洗；开度过大，增压器极易出现喘振，增压器转速瞬间急剧下降，因此船员不敢进行冲洗操作。为能进行正常冲洗，对增压器涡轮端干洗设备进行改造，现将球阀改为DN25的针阀，开度控制更方便（见图5）。

3）加强燃油的净化处理

CAT-FINES是亲水性的，比重比较大，多聚集在油柜底部，定期对燃油沉淀、日用柜放残可清除部分CAT-FINES；加强燃油分油机的管理，分离温度不低于98 ℃，尽量降低燃油分油机的分离量，分油机的分离量只要能满足主、副机使用量即可，但不大于最大分离量的15%，必要时采取2台燃油分油机并联使用。

4）避免发电柴油机长期低负荷运行

发电柴油机使用重油时尽可能不在低负荷下连续运行，减少燃烧残渣的产生。在低于20%MCR负荷下长时间运行，由于排气管和进气管、燃烧室和增压器脏污，随时都可能导致柴油机运行状态恶化。为了防止柴油机运行状态进一步恶化，使用重油在负荷低于20%MCR狀态下运行一段时间后，采取转换使用轻油，或用不少于15 m的时间将柴油机负荷逐步提高到70%MCR并保持运行一段时间，充分改善其运行状态。

5 结束语

在无法改变现有燃油标准的情况下，一方面在燃油进机前加装10μm的自动反冲洗滤器（据测算，大约一年左右的时间即可收回加装自冲滤器的投资成本），对柴油机能起到很好的保护作用，大大延长了喷油器、高压油泵、缸套及增压器喷嘴环等核心备件的使用寿命；另一方面，改变冲洗控制阀的开度调节模式由球阀阀芯改为针阀阀芯，方便操作冲洗，使废气涡轮端清洗效果明显改善。采取以上2项改进措施，及加强管理后，能保证柴油机安全、高效、可靠运行，效果很明显。发电柴油机排温一直保持正常，运行至12 000 h左右拆检增压器，喷嘴环的冲蚀磨损明显改善，确保了发电柴油机的安全运行。发电柴油机喷油器使用寿命也由原来的2 000 h延长到6 000 h。

参考文献

[1] 轮机工程手册编委会. 轮机工程手册， 中册[M].北京： 人民交通出版社， 1994.

[2] 杜荣铭. 船舶柴油机[M].大连：大连海事大学出版社，1999.

[3] MAN Diesel & Turbo Service letter SL2016.615，SL2017.640

[4] GEA Westfalia Separator CatFineMaster， Westfalia Separator Mineral oil systems from GEA.

作者简介：

石拥军，高级轮机长，（E-mail）shiyj@jjshipping.cn，13817511708

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