导读

柴油机因其扭矩特性平缓，工况的稳定能力差，所以必须配备调速器[1]。

柴油机在运行中，当负荷发生变化而供油量不变时，柴油机转速将会提高或者降低，甚至飞车或者停车[2]。

为了适应负荷的变化，调速器作为柴油机燃油控制系统的一部分，在负荷发生变化时相应的控制燃油供给，从而维持转速稳定。

调速器还要有设定转速、稳定转速和限制最大最小转速的能力，来维持柴油机在相应的工况下稳定运行。

很多调速器还有起动油门限制功能和最大油门限制功能，来保证柴油机起动时不会飞车和在一定转速下限制柴油机的最大输出功率。

部分调速器还有根据进气温度和滑油温度对柴油机输出功率的限制功能。

这些功能能够有效的保证柴油机的安全运行，避免柴油机的热负荷过大而导致的零部件故障。

当调速器的部分功能失效时，柴油机就无法在部分工况下运行，容易发生熄火或者飞车现象。 

我们针对 MTU956 型柴油机在试验过程中出现的负荷限制问题，对调速器的功能原理进行了分析，找到了引起负荷限制的原因。

一、MTU R060.3H 型调速器

1、MTU R060.3H 调速器简介

MTU R060.3H 型调速器是一款靠电子液压控制的液压式调速器，外形见图1。

▲图1 MTU R060.3H 型调速器

它是一款具有比例-积分作用的调速器（即 P-I 调速器），在调节过程中，燃油喷射量所需转速按比例的变化（P-调速器），之后逐渐地稳定在一个新的转速（I-调速器）[3]。

此调速器可以通过动力活塞和放大器滑阀之间的传输比可变调速率补偿器调节调速率。

对调速器的飞块组件起作用的液压补偿系统可以保证调速器的稳定性。

从柴油机运动件阀箱分流处的滑油进入调速器经过调速器的齿轮泵加压进入液压放大器等机构[3]。

滑油进入调速器中通过滑阀感知发动机转速的变化动态调节柴油机转速与负荷，通过已设定好的滑阀对转速与油压的感知来控制起动燃油量、负荷限制等功能[3]。

在柴油机 B 列的进气管上还配有增压空气温度感应燃油喷射限制器（LBG），当增压空气温度过高时 LBG 的感温包移动使连接调速控制油压阀的压力降低，进而达到降低油门，限制输出功率，达到降低进气温度的目的。

通过进气温度感应限制器，燃油输出可以被降至起动时燃油喷射量[4]。

其系统原理见图2。

▲图 2 MTU R060.3H 型调速器原理图

2、MTU R060.3H型调速器功能

此型调速器的主要功能如下：

用调节燃油喷射量的方法，保证发动机转速恒定在静态调速率的范围内；

在发动机起动过程中限制燃油喷射量；

按发动机超负荷功率，限制燃油喷射量；

用LBG限制燃油喷射量。 

3、MTU R060.3H型调速器外部油路及作用

MTU956 型柴油机的燃油喷射控制系统是由MTU R060.3H 型电-液式调速器控制一套控制联动装置，进而带动高压油泵驱动装置来控制高压油泵的喷油量。

MTU R060.3H 型电-液式调速器是由电-液转速执行机构作为控制器来控制调速器本体增加供油齿条格数改变供油量[3]。

与MTU R060.3H 型调速器直接相通的有三路滑油，分别为：

 a. 运动件阀箱储油腔进入调速器的主供滑油，负责柴油机起动供给调速器内滑油泵提供滑油。

b. 预供滑油进入调速器的油路，此油路在发动机起动过程中通过促动器供给调速器动力活塞和起动燃油限制滑阀的滑油，限制起动燃油喷射量，在柴油机正常运行之后便停止供给调速器滑油。

c. 增压空气温度感应燃油喷射限制器（LBG）通往调速器的油路，负责随增压空气温度增加，降低进入调速器的油压，限制柴油机功率输出，最大能够限制到起动时燃油喷射量[4]。 

二、柴油机的故障现象及分析排查

1、柴油机功率限制故障现象特征

MTU956 型柴油机在进行 1000h 耐久考核试验的过程中出现功率限制故障。

功率限制故障主要特征为：

柴油机全负荷运行超过半个小时后停止5～10min 再次运行，功率只能输出到 2800 kW 左右就出现限制现象；

柴油机停止运行 1～2h 后再次运行，柴油机可正常加载至全负荷和超负荷。 

根据柴油机多次出现功率限制故障的参数及现象，可以归纳为以下几个特点：

a. 柴油机起动运行至全负荷，各参数稳定运行超过半小时后短暂停止运行 5～10 min，再次起动运行出现功率限制故障。 

b. 柴油机功率限制故障点均在 2800 kW 左右，A、B 排各缸排气温度均匀，无异常波动。

c. 功率限制故障点油门格数与调速器起动功能试验齿条格数、起动瞬时最大齿条格数接近，均在29 格左右。 

d. 在功率限制点强制增加柴油机的油门，柴油机的输出功率及油门能够越过故障点。

柴油机静态用 55 N·m 的力矩效验调速器至高压油泵拉杆机构，可以将 A、B 两排喷油泵拉到最大供油位置并可顺利弹回，灵活无卡滞。 

e. 更换新调速器后柴油机加载故障现象依旧，可初步排除故障由调速器引起。 

f. 在运行过程中所监测参数均未表现出异常现象。 

g. 功率限制现象为在功率限制点时加载扭矩柴油机功率不再增加，转速却急速下降。

2、故障的分析与排查方向确立

根据柴油机功率输出过程梳理出以下的排查方向：

柴油机功率输出是由调速器主控电流信号给定，调速器设定相应转速；

在设定转速下根据柴油机输出扭矩的变化调速器相应增加或者减少供油量。

故障排查点与确认结果见表1。

3、参数测量与数据对比分析

按柴油机推进工况运行时正常状态与故障状态下柴油机功率与油门格数的对比见图 3、图 4。 

▲图 3 不同状态功率对比

▲图 4 不同状态油门对比

可以确认功率限制故障是由于喷油量不足导致柴油机功率限制。 

测量调速器的电液控制机构的主控电流、压力反馈电流和控制油压。

测量结果显示：

在功率故障点时主控电流、压力反馈电流和控制油压均已超过柴油机超负荷的试验数据，说明柴油机的电控制信号给定足够。

见表 2、图 5、图 6、图 7。 

▲图 5 两种状态主控电流对比

▲图 6 两种状态压力反馈电流对比

▲图 7 两种状态控制油压对比

从调速器原理图分析，调速器主控信号转换为压力信号通过杠杆机构传递给控制滑阀。

从图5、图 6 和图 7 可以看出，柴油机在故障点时调速器的控制电流信号、压力反馈电流信号和控制油压已经大于正常工况信号，但在故障点时柴油机的功率与油门却小于柴油机正常状态曲线，说明调速器内的动力活塞的行程被限制，最终导致油门被限制。

分析调速器系统原理，调速器内有两个滑阀能够限制动力活塞行程，分别是起动燃油限制滑阀和 DBR 控制油压滑阀。

功率限制故障可以判定为某元件故障导致调速器内限制动力活塞行程的滑阀工作状态异常。 

柴油机系统上能够引起调速器起动燃油限制滑阀和 DBR 控制压力滑阀作用的只有连接调速器的 LBG 油路和起动预供油路。

对 LBG 与调速器之间的油路测量监测参数见表3。

监测数据结果显示：

LGB 供给调速器的油压正常。 

检查与调速器连接的起动预供油路。

在柴油机正常时，松开供给调速器起动预供滑油路没有滑油流出；

出现功率限制故障时松开供给调速器的起动预供滑油管有大量压力滑油喷出，随后柴油机功率限制故障解除，能够继续加载功率。

排查发现与调速器连接的起动预供油路的异常滑油来自于升压伺服器与截止阀。

升压器系统原理简图见图 8。

▲图 8 起动空气促动油路简图

柴油机起动时起动空气管压力信号进入升压伺服器同时打开截止阀，加压从发动机到升压伺服器油腔的滑油，滑油通过截止阀进入调速器中推动起动燃油限制滑阀，限制起动燃油量同时供给调速器起动油门。

柴油机起动结束，起动空气信号关闭，截止阀关闭，发动机滑油通过单向阀进入升压伺服器充满油腔以供柴油机再次起动时使用。

4、结果验证

对柴油机起动过程滑油系统原理分析，截止阀应该在起动空气停止后关闭。

与故障状态比对，确认截止阀功能异常。

在故障时将截止阀后通往调速器预供油路的管路旁通，柴油机即可正常进行加载超负荷功率。

之后更换截止阀后，反复进行柴油机起动加载至全负荷后短暂停车试验，均能正常加载超负荷功率，未再出现柴油机功率限制问题。 

三、截止阀的油压试验与功率限制故障分析 

1、对截止阀做冷态和热态油压试验

对截止阀做冷态和热态模拟试验。

柴油机在初次起动时升压伺服器里的滑油温度测得为 28℃，短暂停止后再次起动升压伺服器测得滑油温度为 80 ℃。

在升压伺服器里油温为 28 ℃ 和 80 ℃下分别给 0.7 MPa 的空气信号，在预供滑油泵开启时监测截止阀出油口压力。 

从表 4 的试验数据可以看出，截止阀在冷态时关闭存在延迟，在热态时无法关闭。

2、功率限制故障分析

在柴油机短暂停止运行后，再次起动柴油机截止阀流过滑油温度高无法正常关闭，滑油通过截止阀进入调速器的起动预供滑油油路，起动燃油限制滑阀作用。

此时柴油机运行中调速器一直处于起动燃油限制状态，调速器油门与起动瞬间调速器起动燃油限制油门相同，也是调速器在这种状态下的最大输出油门。

当柴油机的输出功率达到最大限制油门时，再增加柴油机负载，由于柴油机的喷油量不再增加，柴油机会降低转速以适应扭矩的增加。

当转速下降到一定程度，柴油机就超出增压器稳定运行工况，就会出现增压器喘振。

转速继续降低，超出柴油机的稳定运行范围就会停车。

这个过程的最大功率和扭矩就是调速器限制柴油机的最大功率和扭矩。 

四、结论

影响柴油机功率输出的因素有很多，这就需要根据柴油机的相关参数和一些故障现象排查出，确认出问题的大概范围，逐步缩小排查范围。

查清楚相关零部件的结构功能和原理，能够更加有效快速的帮助排查故障。 

经过对柴油机 R060.3H 型调速器的系统原理进行分析，再根据影响调速器内喷油量控制滑阀，逐步找出影响滑阀状态的因素。

此次故障就是由于截止阀在热态时功能异常导致柴油机功率限制。 

在生产中也经常遇到 LBG 功能异常，导致LGB 进入调速器控制油压太低，而出现柴油机负荷限制的问题。

[参考文献]

[1] 刘永长. 内燃机原理[C]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2001, 6. 

[2] 陈***. 船舶内燃机设计, 供油与调节, 柴油机调速及其供油指标. 北京: 国防工业出版社, 1995, 10. 

[3] MTU R060.3H 型调速器使用维修说明书 MO40060/00E, 2012. 

[4] 增压空气温度感应燃油喷射限制器使用维修说明书MO40102/00E, 1993.

原创作者系：

陕西柴油机重工有限公司

张 伟，刘 烨，张晓凯

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