新一代MTU4000系列柴油机工作原理研究

文/杜涛

新一代MTU4000系列柴油机工作原理研究

文/杜涛

MTU4000系列柴油机是德国MTU公司在上世纪九十年代研发的，符合船舶行业IMOⅡ排放标准的新一代柴油机，使用了共轨式喷射系统取代传统的喷油泵。MTU4000系列柴油机运用了柴油机燃烧技术的新技术，克服了传统喷射系统的约束，充分利用共轨式（COMMONRAIL）喷射系统的优点，改善柴油的燃烧效率，降低了有害物质的排放，是新一代的大功率高速柴油机。

1　MTU4000系列柴油机介绍

目前国际上生产高速、大功率柴油机的巨头主要是美国的卡特皮勒公司、康明斯公司和德国的MTU公司，尤其以德国MTU公司为代表。MTU公司主要生 产 MTU2000、MTU4000、MTU8000、MTU1163、MTUS60等系列高速柴油机，最高单机功率可达10000kW，广泛应用于高速客船、军舰、坦克、巡逻船、小型电站、油田等领域（见图1），能够经受海洋、沙漠等恶劣环境的考验。特别是，该公司生产的MTU4000系列柴油机以严谨的工艺、卓越可靠的性能、合理的设计而驰名，具有转速高、功率大、燃烧效率高、使用可靠等优点。MTU4000系列机型按使用环境可分为船用型和陆用型，按功能又分为发动机和发电机。它的气缸呈对称V型分布，型号从12个缸到20个缸不等，功率在1680kW到3600kW之间。该柴油机采用了全电脑精密控制，各缸配备独立的电子喷油器，由高频电磁阀控制喷油器直接喷油，电子共轨。

MTU公司在全球包括欧洲、美洲、澳洲、亚洲、非洲都有分公司，亚洲的总部设在新加坡。早在改革开放初期，MTU公司已经在中国苏州设立办事处，一开始只是负责该公司产品的销售和售后服务。随着中国的不断发展及中国市场的不断扩大，现在MTU公司在中国不仅有售后服务中心，还有针对旗下各种机型的模拟培训中心，同时还在苏州开发区开办工厂，授权生产旗下的MTU2000发电机型，而MTU4000机型和核心配件仍然在德国生产。下面我们介绍的机型主要是用作船舶动力的发动机。

图1　MTU4000应用在高速船舶上

2　MTU4000柴油机的工作原理

一般来说，传统的柴油机使用凸轮轴驱动的高压油泵，其喷射压力由柴油机的转速决定，约为二十多个巴，通过高压油泵的凸轮轴按顺序分配给每个气缸。通过机械或者电气控制高压油泵的油量以控制柴油机的转速，调速精度不高、反应较慢，特别是在机器负荷发生变化时燃烧效率低，容易产生黑烟，不符合现代的环保要求。机器在运行了一段时间后，由于高压油泵出现磨损、油品质量、部件磨损而造成的间隙等因素的影响，燃烧效率甚至更低，因此需要定期的、不同级别的修理，一般柴油机的大修周期在6000小时。MTU4000柴油机采用共轨式喷射系统（见图2）。该系统由高压泵、蓄压器（公共油轨）、喷油器和电子控制装置组成。油轨中的燃油压力及喷油嘴开闭时间决定了各缸的喷油量，这些都由电子装置控制。电子装置通过装于油轨前的压力传感器感应燃油系统的泵前压力及共轨压力。燃油通过节流阀进入高压泵，在电子装置的控制下，通过节流实现对压力的调整。共轨压力不受机器转速的影响，在柴油机怠速时可以达到1400Bar,高速时甚至可以达到2000个Bar以上。高喷射压力可以将混合气形成的能量从空气转移到喷射上，减少涡旋，可应用更浅的活塞顶面盆槽改善空气在燃烧室的分布，最终降低有害物的排放和燃油消耗率，其燃油效率可以达到196g/kWh。因此，它具有下列优点：

（1）通过燃烧室凹穴形状与油束形状的匹配，改善了空气利用率，形成更大、更自由的油束长度，从而减少了优化油束位置所需的实验次数。

（2）使不可利用的燃烧室部分尽可能减少，即减少油束不能达到的区域（如压缩余隙和气门处），从而提高了空气利用率。

（3）活塞顶部燃烧室凹穴是平滑过渡的，避免了锐角过渡，减少了形成热裂纹的危险。

（4）燃烧室中气缸负荷处于瞬时的局部均匀流动状态，即在活塞上死点范围内没有过高的燃烧室凹穴涡流（恒定的涡流变化）。因而当喷射始点变化时，主要是喷射始点滞后和喷射延长时，对油束形成较小的影响。

（5）当和低的漩涡相配合时，负荷的变化减少，并进一步保持恒定。当采用多喷孔喷嘴时，降低了油束漂移的危险，改善了空气利用率。

综合上述优点，在实际的使用过程中，由于柴油的充分燃烧，在气缸内及运动部件上残留的碳更少，因此机器可以连续运行更长的时间。根据使用经验来看，在以MTU4000系列柴油机为主机的高速客船每日连续工作10小时的状态下，MTU4000柴油机的运行时间达到10000小时以上才需要大修。这比起MTU396系列主机来讲是一个极大的提升，与国际同类机型相比也是处于领先地位。在实际的使用过程中，我们也发现由于MTU4000的进气系统滤器没有MTU396系统的精密，导致空气中有限微小的杂质也进入到进气管路中，被吸气的气流带到进气管路的末端，长时间的积累以致微粒越来越多，容易造成进气管末端的A7、A8缸进气阀的损坏。这也是值得我们在使用过程中留意并加以改善的。

图2　柴油机共轨式喷射系统

3　MTU4000控制原理

MTU4000的控制系统主要由安装在机身的ECU(ENGINECONTROLUNIT)、本地控制的LOP （LOCALOPERATONPANEL）、遥控装置MCS，以及机身的各类传感器、控制阀组成。其核心是MTU公司自主开发的ECU4。

ECU4特点有：①控制规划好的、单独的共轨喷射系统；②可以控制多达20个喷油阀；③通过CAN-BUS总线与推进控制系统PCS-5(Propulsion ControlSystem)和上级系统通讯；④自我监控和诊断；⑤广泛的I/O特点，包括设备部分有12输入、10输出、3串行接口；⑥机器部分有26输入、26输出、1串行接口；⑦机器和设备相关的设定储存在可插式存储器模块中；⑧通过RS232为人机对话单元进行诊断；⑨通过下载在线编程。

柴油机使用第四代电控系统ECU4，采用工业级电脑精确控制每缸的喷油时间和油量，控制时间可以达到毫秒级（见图3）。通过各类速度、温度、压力、液位传感器即时监控柴油机的运行，根据机器不同的负荷和工况下运用及时调整共轨压力和喷油量。通过智能化的管理系统有效地对燃油喷射系统的喷油正时、喷油压力、喷油规律等相关参数进行控制，控制相继增压系统的增压器数量并对柴油机的各项参数值进行检测。若与原来设定在系统内的参数值有偏差，则系统自行修正，从而形成一个闭合的负反馈循环系统，又称为闭环控制。

图3　ECU控制原理图

闭环控制是按照设定的偏差来进行控制的，其特点是在任何情况下被控量偏离设定值一定的偏差时，中央控制系统会产生一个相应的反映去减少或消除这个偏差，使得被控量与设定值达到一致。控制系统需要设定一个合适的精度，当精度设定太小时，柴油机的转速需要相当长的时间才能稳定在设定的转速；精度设定太大时，柴油机通常又不容易稳定在设定的转速，而是在设定的转速附近震荡，容易形成喘振现象。这个现象通常在柴油机作为发电机组使用时容易出现，特别是几组发电机组并车使用更需要调整好控制板的增益和响应时间。一般MTU4000作为发动机，柴油机的转速曲线是出厂时已经设定好的，需要MTU公司认可的专业人员才可以做出修正的。MTU公司针对不同的客户有不同的培训课程，遍及从柴油机操作人员的基础操作培训到各级维修人员的专业培训，完成该公司的认可培训后就可以按照该公司的授权进行相关的工作。

图4　MTU16V4000A、B排各缸示意图

柴油机的每个缸都是按照设定的顺序工作的。就以MTU400016VM70机型为例（见图4），这种柴油机的气缸呈V型对称分布。面对柴油机输出轴的方向，左手边是ABank，右手边是BBank。有A1～8、B1～8共16个缸。而ECU可以根据收到凸轮轴、曲轴的传感器信号，判断每个缸的喷油。这些传感器是基于霍尔效应的磁力元件，通过分辨曲轴上的齿轮的缺齿作为判断第一缸上止点位置，感应每分钟经过传感器的齿数而产生的脉冲信号，经处理后输出方波信号给ECU，再由ECU通过对接收的信号进行处理、计算，从而决定各个缸的喷油顺序及喷油量等参数。如果这两个速度传感器有一个损坏，柴油机ECU无法判断机器状态，柴油机无法启动；但在运行过程中有一个损坏，柴油机还是可以正常工作，但ECU会发出一个警报给监控系统；如果两个速度传感器同时损坏，柴油机就无法工作。

MTU4000柴油机每个缸的喷油电磁阀是由ECU内专门的电路来控制的（见图5），通过ECU产生的高频脉宽信号发送给对应的电磁阀来控制高速电磁阀的启闭时间，从而控制每个缸的喷油量。

图5　喷油器控制原理

ECU4主要控制功能有：①停机和应急停机；②速度控制；③根据设定的喷射曲线来对喷油电磁阀进行喷射管理；④可调整的速度降速；⑤设定额定转速。

ECU4同时也执行这几个监控功能：①控制模拟信号（包括机器转速、油压、水温、负荷等）；②将所有测量数据、报警通过CANBUS总线传送到监控系统MCS(MONITORINGANDCONTROLSYSTEM)；③在柴油机超速时自动关机；④在出现润滑油压、冷却水温超过极限时自动停机。

同时，MDEC电脑还通过CAN-BUS总线将一些重要的参数和报警信息传输到ECU、EMU上，并在LOP和RCS的显示屏上展示，只有监控人员留意到并加以确认后，这些警报才能消除。在出现故障时，维修人员可以通过MTU公司开发的DIALOGUE系统查看故障代码，帮助维修人员快速确定问题所在，在遇到疑难时，还可以通过MTU的网站直接和MTU公司的相关专家沟通，维修起来十分方便。由于使用了CAN-BUS总线技术，使得控制电缆大大减少，控制更加安全可靠。值得注意的是，MTU公司出于对自己开发的系统进行知识产权保护的考虑，许多MTU带储存器的电气设备都编有地址码，有些还有自带程序。在没有搞清楚该设备的地址码之前，严禁随意更换该部件，更不要轻易地升级和下载程序，不然轻则造成部分功能不工作，严重的话还会影响到整个控制系统崩溃。因为MTU公司的电气部件是相当昂贵的，就连一个小小的LOP显示屏，都达到上十万元人民币之巨，笔者曾经见识到因为错误的下载，导致LOP的显示屏黑屏而需要更换新的显示屏。黑屏的显示屏送到MTU公司处理，在时间和金钱上都会造成巨大损失。

4　小结

近年来，我国船用柴油机的技术水平获得较大的发展。通过技术引进，不但使我们掌握了国外柴油机的先进技术，同时也补充和更新了一批关键的工艺设备，相应培养了一批专业人才，在消化、吸收国外先进技术的同时，给我国自行研制柴油机事业奠定了良好的基础。我国船用柴油机产业发展的现状是：设计、研究和生产体系初具规模，总体水平不高，关键零部件制造工艺落后，达不到高质量水平，尚未有大功率的高压共轨燃油喷射系统的中高速柴油机投放市场。

由于西方国家对我国实行军事、高科技封锁，到目前为止，我们只能在民用领域引进此类柴油机。根据我们的使用情况来看，由于MTU4000型柴油机出色的设计、可靠的性能和强劲的马力，到目前为止，MTU4000型柴油机仍然是世界上技术领先的柴油机，包括欧洲和美国军方都在大量的使用。衷心希望科研人员能借鉴引进高铁的成功经验，尽快地消化和吸收别人的先进技术，设计和生产出具有国际先进地位的新一代柴油机，尽快缩短我国柴油机行业与国际的差距，为我国的国防和交通运输发展再做贡献。

杜涛（1975-），男，工程师，本科，任职于广东省航运科学研究所，从事船舶电气设计工作。