文/杜濤

新一代MTU4000系列柴油機工作原理研究

文/杜濤

MTU4000系列柴油機是德國MTU公司在上世紀(jì)九十年代研發(fā)的，符合船舶行業(yè)IMOⅡ排放標(biāo)準(zhǔn)的新一代柴油機，使用了共軌式噴射系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的噴油泵。MTU4000系列柴油機運用了柴油機燃燒技術(shù)的新技術(shù)，克服了傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)的約束，充分利用共軌式（COMMONRAIL）噴射系統(tǒng)的優(yōu)點，改善柴油的燃燒效率，降低了有害物質(zhì)的排放，是新一代的大功率高速柴油機。

1　MTU4000系列柴油機介紹

目前國際上生產(chǎn)高速、大功率柴油機的巨頭主要是美國的卡特皮勒公司、康明斯公司和德國的MTU公司，尤其以德國MTU公司為代表。MTU公司主要生 產(chǎn) MTU2000、MTU4000、MTU8000、MTU1163、MTUS60等系列高速柴油機，最高單機功率可達10000kW，廣泛應(yīng)用于高速客船、軍艦、坦克、巡邏船、小型電站、油田等領(lǐng)域（見圖1），能夠經(jīng)受海洋、沙漠等惡劣環(huán)境的考驗。特別是，該公司生產(chǎn)的MTU4000系列柴油機以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に?、卓越可靠的性能、合理的設(shè)計而馳名，具有轉(zhuǎn)速高、功率大、燃燒效率高、使用可靠等優(yōu)點。MTU4000系列機型按使用環(huán)境可分為船用型和陸用型，按功能又分為發(fā)動機和發(fā)電機。它的氣缸呈對稱V型分布，型號從12個缸到20個缸不等，功率在1680kW到3600kW之間。該柴油機采用了全電腦精密控制，各缸配備獨立的電子噴油器，由高頻電磁閥控制噴油器直接噴油，電子共軌。

MTU公司在全球包括歐洲、美洲、澳洲、亞洲、非洲都有分公司，亞洲的總部設(shè)在新加坡。早在改革開放初期，MTU公司已經(jīng)在中國蘇州設(shè)立辦事處，一開始只是負責(zé)該公司產(chǎn)品的銷售和售后服務(wù)。隨著中國的不斷發(fā)展及中國市場的不斷擴大，現(xiàn)在MTU公司在中國不僅有售后服務(wù)中心，還有針對旗下各種機型的模擬培訓(xùn)中心，同時還在蘇州開發(fā)區(qū)開辦工廠，授權(quán)生產(chǎn)旗下的MTU2000發(fā)電機型，而MTU4000機型和核心配件仍然在德國生產(chǎn)。下面我們介紹的機型主要是用作船舶動力的發(fā)動機。

圖1　MTU4000應(yīng)用在高速船舶上

2　MTU4000柴油機的工作原理

一般來說，傳統(tǒng)的柴油機使用凸輪軸驅(qū)動的高壓油泵，其噴射壓力由柴油機的轉(zhuǎn)速決定，約為二十多個巴，通過高壓油泵的凸輪軸按順序分配給每個氣缸。通過機械或者電氣控制高壓油泵的油量以控制柴油機的轉(zhuǎn)速，調(diào)速精度不高、反應(yīng)較慢，特別是在機器負荷發(fā)生變化時燃燒效率低，容易產(chǎn)生黑煙，不符合現(xiàn)代的環(huán)保要求。機器在運行了一段時間后，由于高壓油泵出現(xiàn)磨損、油品質(zhì)量、部件磨損而造成的間隙等因素的影響，燃燒效率甚至更低，因此需要定期的、不同級別的修理，一般柴油機的大修周期在6000小時。MTU4000柴油機采用共軌式噴射系統(tǒng)（見圖2）。該系統(tǒng)由高壓泵、蓄壓器（公共油軌）、噴油器和電子控制裝置組成。油軌中的燃油壓力及噴油嘴開閉時間決定了各缸的噴油量，這些都由電子裝置控制。電子裝置通過裝于油軌前的壓力傳感器感應(yīng)燃油系統(tǒng)的泵前壓力及共軌壓力。燃油通過節(jié)流閥進入高壓泵，在電子裝置的控制下，通過節(jié)流實現(xiàn)對壓力的調(diào)整。共軌壓力不受機器轉(zhuǎn)速的影響，在柴油機怠速時可以達到1400Bar,高速時甚至可以達到2000個Bar以上。高噴射壓力可以將混合氣形成的能量從空氣轉(zhuǎn)移到噴射上，減少渦旋，可應(yīng)用更淺的活塞頂面盆槽改善空氣在燃燒室的分布，最終降低有害物的排放和燃油消耗率，其燃油效率可以達到196g/kWh。因此，它具有下列優(yōu)點：

（1）通過燃燒室凹穴形狀與油束形狀的匹配，改善了空氣利用率，形成更大、更自由的油束長度，從而減少了優(yōu)化油束位置所需的實驗次數(shù)。

（2）使不可利用的燃燒室部分盡可能減少，即減少油束不能達到的區(qū)域（如壓縮余隙和氣門處），從而提高了空氣利用率。

（3）活塞頂部燃燒室凹穴是平滑過渡的，避免了銳角過渡，減少了形成熱裂紋的危險。

（4）燃燒室中氣缸負荷處于瞬時的局部均勻流動狀態(tài)，即在活塞上死點范圍內(nèi)沒有過高的燃燒室凹穴渦流（恒定的渦流變化）。因而當(dāng)噴射始點變化時，主要是噴射始點滯后和噴射延長時，對油束形成較小的影響。

（5）當(dāng)和低的漩渦相配合時，負荷的變化減少，并進一步保持恒定。當(dāng)采用多噴孔噴嘴時，降低了油束漂移的危險，改善了空氣利用率。

綜合上述優(yōu)點，在實際的使用過程中，由于柴油的充分燃燒，在氣缸內(nèi)及運動部件上殘留的碳更少，因此機器可以連續(xù)運行更長的時間。根據(jù)使用經(jīng)驗來看，在以MTU4000系列柴油機為主機的高速客船每日連續(xù)工作10小時的狀態(tài)下，MTU4000柴油機的運行時間達到10000小時以上才需要大修。這比起MTU396系列主機來講是一個極大的提升，與國際同類機型相比也是處于領(lǐng)先地位。在實際的使用過程中，我們也發(fā)現(xiàn)由于MTU4000的進氣系統(tǒng)濾器沒有MTU396系統(tǒng)的精密，導(dǎo)致空氣中有限微小的雜質(zhì)也進入到進氣管路中，被吸氣的氣流帶到進氣管路的末端，長時間的積累以致微粒越來越多，容易造成進氣管末端的A7、A8缸進氣閥的損壞。這也是值得我們在使用過程中留意并加以改善的。

圖2　柴油機共軌式噴射系統(tǒng)

3　MTU4000控制原理

MTU4000的控制系統(tǒng)主要由安裝在機身的ECU(ENGINECONTROLUNIT)、本地控制的LOP （LOCALOPERATONPANEL）、遙控裝置MCS，以及機身的各類傳感器、控制閥組成。其核心是MTU公司自主開發(fā)的ECU4。

ECU4特點有：①控制規(guī)劃好的、單獨的共軌噴射系統(tǒng)；②可以控制多達20個噴油閥；③通過CAN-BUS總線與推進控制系統(tǒng)PCS-5(Propulsion ControlSystem)和上級系統(tǒng)通訊；④自我監(jiān)控和診斷；⑤廣泛的I/O特點，包括設(shè)備部分有12輸入、10輸出、3串行接口；⑥機器部分有26輸入、26輸出、1串行接口；⑦機器和設(shè)備相關(guān)的設(shè)定儲存在可插式存儲器模塊中；⑧通過RS232為人機對話單元進行診斷；⑨通過下載在線編程。

柴油機使用第四代電控系統(tǒng)ECU4，采用工業(yè)級電腦精確控制每缸的噴油時間和油量，控制時間可以達到毫秒級（見圖3）。通過各類速度、溫度、壓力、液位傳感器即時監(jiān)控柴油機的運行，根據(jù)機器不同的負荷和工況下運用及時調(diào)整共軌壓力和噴油量。通過智能化的管理系統(tǒng)有效地對燃油噴射系統(tǒng)的噴油正時、噴油壓力、噴油規(guī)律等相關(guān)參數(shù)進行控制，控制相繼增壓系統(tǒng)的增壓器數(shù)量并對柴油機的各項參數(shù)值進行檢測。若與原來設(shè)定在系統(tǒng)內(nèi)的參數(shù)值有偏差，則系統(tǒng)自行修正，從而形成一個閉合的負反饋循環(huán)系統(tǒng)，又稱為閉環(huán)控制。

圖3　ECU控制原理圖

閉環(huán)控制是按照設(shè)定的偏差來進行控制的，其特點是在任何情況下被控量偏離設(shè)定值一定的偏差時，中央控制系統(tǒng)會產(chǎn)生一個相應(yīng)的反映去減少或消除這個偏差，使得被控量與設(shè)定值達到一致?？刂葡到y(tǒng)需要設(shè)定一個合適的精度，當(dāng)精度設(shè)定太小時，柴油機的轉(zhuǎn)速需要相當(dāng)長的時間才能穩(wěn)定在設(shè)定的轉(zhuǎn)速；精度設(shè)定太大時，柴油機通常又不容易穩(wěn)定在設(shè)定的轉(zhuǎn)速，而是在設(shè)定的轉(zhuǎn)速附近震蕩，容易形成喘振現(xiàn)象。這個現(xiàn)象通常在柴油機作為發(fā)電機組使用時容易出現(xiàn)，特別是幾組發(fā)電機組并車使用更需要調(diào)整好控制板的增益和響應(yīng)時間。一般MTU4000作為發(fā)動機，柴油機的轉(zhuǎn)速曲線是出廠時已經(jīng)設(shè)定好的，需要MTU公司認可的專業(yè)人員才可以做出修正的。MTU公司針對不同的客戶有不同的培訓(xùn)課程，遍及從柴油機操作人員的基礎(chǔ)操作培訓(xùn)到各級維修人員的專業(yè)培訓(xùn)，完成該公司的認可培訓(xùn)后就可以按照該公司的授權(quán)進行相關(guān)的工作。

圖4　MTU16V4000A、B排各缸示意圖

柴油機的每個缸都是按照設(shè)定的順序工作的。就以MTU400016VM70機型為例（見圖4），這種柴油機的氣缸呈V型對稱分布。面對柴油機輸出軸的方向，左手邊是ABank，右手邊是BBank。有A1～8、B1～8共16個缸。而ECU可以根據(jù)收到凸輪軸、曲軸的傳感器信號，判斷每個缸的噴油。這些傳感器是基于霍爾效應(yīng)的磁力元件，通過分辨曲軸上的齒輪的缺齒作為判斷第一缸上止點位置，感應(yīng)每分鐘經(jīng)過傳感器的齒數(shù)而產(chǎn)生的脈沖信號，經(jīng)處理后輸出方波信號給ECU，再由ECU通過對接收的信號進行處理、計算，從而決定各個缸的噴油順序及噴油量等參數(shù)。如果這兩個速度傳感器有一個損壞，柴油機ECU無法判斷機器狀態(tài)，柴油機無法啟動；但在運行過程中有一個損壞，柴油機還是可以正常工作，但ECU會發(fā)出一個警報給監(jiān)控系統(tǒng)；如果兩個速度傳感器同時損壞，柴油機就無法工作。

MTU4000柴油機每個缸的噴油電磁閥是由ECU內(nèi)專門的電路來控制的（見圖5），通過ECU產(chǎn)生的高頻脈寬信號發(fā)送給對應(yīng)的電磁閥來控制高速電磁閥的啟閉時間，從而控制每個缸的噴油量。

圖5　噴油器控制原理

ECU4主要控制功能有：①停機和應(yīng)急停機；②速度控制；③根據(jù)設(shè)定的噴射曲線來對噴油電磁閥進行噴射管理；④可調(diào)整的速度降速；⑤設(shè)定額定轉(zhuǎn)速。

ECU4同時也執(zhí)行這幾個監(jiān)控功能：①控制模擬信號（包括機器轉(zhuǎn)速、油壓、水溫、負荷等）；②將所有測量數(shù)據(jù)、報警通過CANBUS總線傳送到監(jiān)控系統(tǒng)MCS(MONITORINGANDCONTROLSYSTEM)；③在柴油機超速時自動關(guān)機；④在出現(xiàn)潤滑油壓、冷卻水溫超過極限時自動停機。

同時，MDEC電腦還通過CAN-BUS總線將一些重要的參數(shù)和報警信息傳輸?shù)紼CU、EMU上，并在LOP和RCS的顯示屏上展示，只有監(jiān)控人員留意到并加以確認后，這些警報才能消除。在出現(xiàn)故障時，維修人員可以通過MTU公司開發(fā)的DIALOGUE系統(tǒng)查看故障代碼，幫助維修人員快速確定問題所在，在遇到疑難時，還可以通過MTU的網(wǎng)站直接和MTU公司的相關(guān)專家溝通，維修起來十分方便。由于使用了CAN-BUS總線技術(shù)，使得控制電纜大大減少，控制更加安全可靠。值得注意的是，MTU公司出于對自己開發(fā)的系統(tǒng)進行知識產(chǎn)權(quán)保護的考慮，許多MTU帶儲存器的電氣設(shè)備都編有地址碼，有些還有自帶程序。在沒有搞清楚該設(shè)備的地址碼之前，嚴(yán)禁隨意更換該部件，更不要輕易地升級和下載程序，不然輕則造成部分功能不工作，嚴(yán)重的話還會影響到整個控制系統(tǒng)崩潰。因為MTU公司的電氣部件是相當(dāng)昂貴的，就連一個小小的LOP顯示屏，都達到上十萬元人民幣之巨，筆者曾經(jīng)見識到因為錯誤的下載，導(dǎo)致LOP的顯示屏黑屏而需要更換新的顯示屏。黑屏的顯示屏送到MTU公司處理，在時間和金錢上都會造成巨大損失。

4　小結(jié)

近年來，我國船用柴油機的技術(shù)水平獲得較大的發(fā)展。通過技術(shù)引進，不但使我們掌握了國外柴油機的先進技術(shù)，同時也補充和更新了一批關(guān)鍵的工藝設(shè)備，相應(yīng)培養(yǎng)了一批專業(yè)人才，在消化、吸收國外先進技術(shù)的同時，給我國自行研制柴油機事業(yè)奠定了良好的基礎(chǔ)。我國船用柴油機產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀是：設(shè)計、研究和生產(chǎn)體系初具規(guī)模，總體水平不高，關(guān)鍵零部件制造工藝落后，達不到高質(zhì)量水平，尚未有大功率的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的中高速柴油機投放市場。

由于西方國家對我國實行軍事、高科技封鎖，到目前為止，我們只能在民用領(lǐng)域引進此類柴油機。根據(jù)我們的使用情況來看，由于MTU4000型柴油機出色的設(shè)計、可靠的性能和強勁的馬力，到目前為止，MTU4000型柴油機仍然是世界上技術(shù)領(lǐng)先的柴油機，包括歐洲和美國軍方都在大量的使用。衷心希望科研人員能借鑒引進高鐵的成功經(jīng)驗，盡快地消化和吸收別人的先進技術(shù)，設(shè)計和生產(chǎn)出具有國際先進地位的新一代柴油機，盡快縮短我國柴油機行業(yè)與國際的差距，為我國的國防和交通運輸發(fā)展再做貢獻。

杜濤（1975-），男，工程師，本科，任職于廣東省航運科學(xué)研究所，從事船舶電氣設(shè)計工作。