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船舶电喷主机的原理及日常管理注意事项

时间:2018/7/11 13:47:42 点击:

  内容提示:本文主要针对目前市场两大船用主机的船用柴油机高压共轨系统的结构及组成,就电子控制系统的控制策略进行了叙述以及介绍了高压共轨系统在船用柴油机领域的应用实例与管理。...


随着船舶智能化的日益发展以及世界能源危机和环境污染的加重,为了节约能源、降低排放,提高柴油机燃烧工况,电控喷射技术得到了飞速的发展。而高压共轨燃油喷射系统既对满足柴油机的经济性能,又对实现低污染、低排放发挥了重要作用,电控共轨柴油机的排放已达到相当理想的状态。本文主要针对目前市场两大船用主机的船用柴油机高压共轨系统的结构及组成,就电子控制系统的控制策略进行了叙述以及介绍了高压共轨系统在船用柴油机领域的应用实例与管理。本文先就电喷船用主机的电喷共轨原理进行了浅析,并列举了船用电喷柴油主机在使用过程中电喷共轨系统可能发生的几点故障,展开了分析。


1 两大电喷主机的共轨工作原理分析
  1.1 Wartsila RT-flex共轨柴油机
  Wartsila RT-flex机型有两个公共油轨:一个输送的是200bar的滑油,它的作用是作为驱动排气阀、气缸起动阀和喷射控制装置的伺服油;另一个则是1000bar的作为柴油机燃料的重油,由曲轴通过三角凸轮带动高压共轨燃油泵把燃油加压到1000bar,然后由高压燃油管路流至高压公共供油管(如下图1中所示),再通过容积喷射控制单元(ICU),对燃油进行喷射控制,该控制单元由20 MPa的伺服油驱动,伺服油的触发信号来自于WECS-9520的气缸控制单元,气缸控制单元通过曲轴角度传感器,测出曲轴的位置和负荷,再进行判断和计算以选择最佳的时刻进行燃油喷射。轮机员还能够通过主机的反馈信息,同时利用WECS的辅助单元,对FQS和VIT进行重新设定。WECS-9520也可以按照预先设定的曲线,对不同负荷下的燃油喷射量以及喷射时间进行自动控制,RT-flex机型每个气缸有3个喷油阀,当柴油机在低负荷运行时,WECS-9520控制系统可以关闭其中的1或2个喷油器来减少喷油量,进而达到节省燃油和减少排放的目的,同时还能保持良好的低负荷运行特性。
  排气阀液压驱动系统的工作原理,与燃油共轨工作原理大体相近,只是驱动方式由轴带三角凸轮变为无需换向操作的丹尼克斯变量泵控制(既伺服油泵)。(如图2所示)。该系统的工作原理是高压伺服油泵将液压油压入液压总管内,然后WECS-9520发出信号,控制共轨阀(Rail vavle)通过液压执行器来驱动排气阀。
  图2中的瓦锡兰FLEX柴油机的电控液压排气装置相对于机械(凸轮轴式)的优点是:(1)各个气缸的排气阀都能够独立打开和关闭,所以当当主机在部分负荷时,WECS-9520能自动依次关闭柴油机的部分气缸,这样可以很大程度上的降低能耗;(2)由于该系统是由软件控制的,各缸喷油量由共轨阀得电时间长短控制,这样一来,每缸燃烧工况会交以往凸轮轴式柴油机改善很多,气阀磨损均匀细腻,在降低排放上有很大的意义。
  1.2 MAN-B&W共轨柴油机
  相对于瓦锡兰FLEX电喷柴油机,MAN-B&W柴油机燃油电喷系统泵的控制如下图3所示。该控制系统在缸头平台每缸燃油侧均设置了新型的高压油泵,油泵的柱塞不再由凸轮轴驱动,而是清洁度较高经过增压的的主滑油驱动,它通过顶动高压油泵内部活塞来带动柱塞上下运动。主滑油来自于柴油机的滑油系统,区别于MAN B&W MC机型的是,主滑油除了润滑运动部件和冷却高温部件外,即去往主轴承十字头轴承曲柄销轴承的润滑的和活塞头的冷却;还需经过主机自带的自清功能的细滤器,经过过滤后,在柴油机自带的增压泵增压下,将这路主滑油加压到20 MPa,再到各缸高压油泵的两个大的储存器内,高压滑油系统通常需要保持恒压,保证压力波动较小,所以各高压油泵均配置了2个充氮蓄能器。各缸高压油泵的燃油喷射,是通过电控阀NC快速控制高压滑油的进出来驱动活塞快速上下运动,带动高压油泵柱塞瞬间增压,让油压升至产生高压(75~120 MPa),最后经过喷油器喷射雾化。电控电磁阀NC是由微处理器控制程序系统ECSP,根据柴油机状况分析系统ECA和控制操作系统OMCP的综合信息发出指令而动作,其燃油共轨是指驱动各缸高压油泵的动力滑油来自共轨管中(即下图3中的蓄压器),而Wartsila RT-flex的燃油共轨则是通过燃油喷射控制单元ICU和排气阀控制单元VCU的共轨阀RailVavle来进行控制的。
  MAN-B&W柴油机排气阀共轨系统的基本原理基本如图4中所示,其结构形式与该机型燃油共轨大同小异,电控电磁阀NC控制动力滑油,其启闭是根据气缸燃烧状况由微处理器控制程序系统ECSP发出信号,分别控制各缸排气阀的开启和关闭。这种采用电子控制排气阀启闭的方式,同样不仅能够使排气阀以相当于均匀速度的敲击排气阀阀座,减少了气阀关闭时的摩擦声与噪音,而且也可以有效地降低排放,控制主机排烟温度。

  2 船用电控共轨柴油机常见故障
  相对于传统的凸轮轴式柴油机,电喷柴油机在使用方面有诸如上述的几种优点。但是,船用电喷主机的高度自动化以及智能化的特点也是一把双刃剑,它对船舶使用者管理能力也相应的提高了要求。船用电控共轨柴油机集成化的燃油以及滑油高压共轨和控制柴油机燃油喷射,汽缸油注入以及排气阀启闭的电子系统,由于柴油机的高温高压工作环境,因此常见故障也是较老式机型多,同时也需要使用人员有较高的自动化故障分析能力。
  2.1 高压管件以及共轨管发生漏泄
  一般在主机以常规负荷正常运行时时,燃油共轨单元系统油压通常是维持在1000bar左右,伺服油共轨单元因为他的控制特性,所以也基本保持在200bar,较高的共轨管压力导致主机在长时间的使用后,由于燃油的高温高压特性,会产生泄漏。根据使用经验,我们会发现,经常容易出现漏泄的地方如下。   (1)伺服油泵的轴封;伺服油泵需要向主机提供较高的伺服油压,保证燃油燃油正常喷射及排气阀按正时启闭,伺服油泵内径向压力较大,在长时间运行磨损后,轴封处会产生泄漏,发生泄漏时,需轮机管理人员及时更换轴封,保证主机正常伺服油压。
  (2)高压油管,管路合拢处,焊缝以及弯头薄弱处;高压管路在合拢处极易发生泄漏。由于油管内均为高压流体,长时间冲刷会导致焊接处和弯头薄弱处产生砂眼和裂缝,导致管路内流体大量泄漏。主机运行时,振动现象一直都有,在管路合拢处如果密封面出现未完全贴合的状况(一般由于密封面安装不好或主机振动导致),也会产生大量的泄漏。
  (3)阀件的密封处,包括活动部件阀杆密封等。电喷主机的NC阀或RAIL VAVLE,由于长时间高频率的快速被触发,阀块密封处O型圈极易损坏,这时轮机管理人员需经常检查各阀块,一旦发生泄漏,马上更换密封圈。
  2.2 电子控制系统故障
  共轨的油压、高压燃油喷射、排气阀启闭正时、气缸油注入、启动和换向等操作均由原始的凸轮轴或VIT控制改变为现在的电子控制系统控制。而电子控制系统由控制单元模块、信息采集传感器以及电磁阀等构成。
  (1)信息采集传感器故障:主机振动会引起各种传感器的接线或者插头松动;探头脏污,会引起传感器检测精度,造成控制系统误动作。在电喷柴油机中,曲轴转角传感器相当于人类大脑的神经元,整个柴油机燃油喷射,汽缸油喷油,排气阀启闭等等各项动作,均由曲轴角度传感器将角度信号发送给控制单元,一般安装在主机自由端,一般每机会配2个各为主备,一旦发生故障,主机将会:“死机”;燃油油量传感器,常见的故障一般包括测量柱塞运动受阻或咬死,主要原因是燃油杂质多、粘度大,测量油缸的内外温差大,油温过高导致积碳而污染传感器等。在发生故障时可拆出清洁。为避免此类事故,可将燃油分油机长时间溢流运行,保证燃油清洁度。
  (2)电磁阀故障(燃油电磁阀和排气电磁阀)。
  故障表现为动作频率高、过电流(可能烧毁电磁阀)等。原因可能有:工作环境振动剧烈,导致电磁阀接头松动、复位弹簧断裂等,烧坏线圈;燃油杂质多,加剧电磁阀磨损,甚至卡死阀芯。
  (3)气缸喷油控制单元的燃油油量传感器故障。
  由于燃油含渣质较多,或含水量过大,燃油油量传感器极易发生柱塞咬死现象;控制元件若发生故障则会造成测量柱塞无法正常运动,无法采集油量信号;同样的,如果燃油油量传感器复位弹簧失效也会引起测量柱塞不返回,导致控制单元没有油量信号反馈。
  (4)排气阀位置传感器故障。
  各个气缸排气阀处均有两个排气阀位置传感器,检测排气阀动作时间和位置,监测排气阀启闭状态。受主机振动影响,排气阀位置传感器极易发生插头松动的现象,导致控制单元无法接收排气阀状态信号,影响主机正常运行。
  (5)气缸油电子单元模板故障。
  各个气缸均有气缸油控制电子模板CCM,也同样安装在各缸共轨箱下的铁箱中。同样在恶劣的振动、高温且无通风的环境下工作,损坏机率高,导致气缸油供给异常。

  3 船用电控共轨柴油机的管理要点
  由于电喷主机的高度自动化和智能化特点,因此在使用过程中,必须加强轮机员的业务能力,并经常巡查各传感器工作状况,便于维护,如下。
  (1)保证燃油及伺服油密封。共轨油压系统的压力较高,在运行中一定要注意密封性是否良好。特别是进入喷油器之前的那段管路,既要保证密封性,同时也要求膨胀不能太大,以免对喷射雾化造成不良的影响。在维护方面,容易老化的密封件,均需定期更换。另外,应保持柴油机燃油系统外围的清洁,以便及时发现任何漏泄征兆。
  (2)共轨油压系统的电子控制元件(含电磁阀和传感器)的任何异常,都可能导致柴油机主要参数异常。在巡回检查时,要特别注意柴油机的排烟温度、压缩压力、爆炸压力、增压压力等参数,发现异常时要分析控制单元、电磁阀和传感器等的影响并及时排除。在维护方面,要定期拆卸、清洁、检查。
  (3)电喷柴油主机在正常运行时,也会产生一定的振动,以及柴油机运动部件的磨损、松动而加剧的振动,都影响着电控柴油机喷油控制单元、排气阀控制单元、气缸电子单元、电磁阀、传感器等及其连接点的松动。因此,需要尽量降低机舱的振动源。
  (4)合适的环境温度,也是保证电子控制设备正常工作的重要条件。所以应当根据机舱温度情况,及时调节机舱的通风条件。
  (5)燃油的温度、粘度、清洁度等,影响着电磁阀和传感器的工作,因此务必保持燃油的质量,选择粘度和杂质含量适合本船的燃油,包括适合本船的预处理能力。燃油(尤其是劣质燃油)必须经过沉淀、加温、过滤和离心式分离等预处理,分油机分离要掌握好时间、温度、分离量和放残次数。巡回检查时,要关注并及时调整燃油温度。
  (6)伺服滑油作为动力油,其温度、粘度、洁净度等应符合高压工作的质量要求。同时与燃油一样,伺服滑油的质量也极大地影响着共轨阀和传感器的工作,因此其质量必须有所保证。要根据说明书正确选用伺服滑油的规格和牌号。在油柜中沉淀和放残,循环中加温和过滤,以及分油机离心分离等操作要按操作规程进行。在巡回检查时,要高度关注并按要求调整滑油温度,同时还要关注滑油滤器尤其是进入共轨系统前的细滤器的工作状态并按要求及时清洗。

  4 结语
  柴油机的高压共轨系统和电喷技术是世界船用柴油机发展的一个新的方向,由于该系统采用了高度自动化智能化的控制单元,使得电喷主机具高度灵活的控制功能,它可以实现很高的喷射压力,达到极佳的燃油雾化效果,并实现理想喷油过程中的压力可调;同时它可以实现满足各种工况下最低排放要求的多种喷射规律控制以及灵活精确的喷油定时控制,这样就加大了柴油机控制的自由度,使之具有了未来柴油机满足更严格的排放法规要求所必需的发展潜力,为进一步提升柴油机的性能提供了更广阔的空间。在运行中,多点喷射技术让电喷柴油主机的振动降低到了一个新的低点,柴油机的各项指标也有了新的标准。相信随着世界科技的日新月异,未来不断技术革新的船用主机会为全世界的发展进步提供更加绿色,环保,高效,的动力保证。

作者:不详 来源:信德海事

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