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        船舶電噴主機的原理及日常管理注意事項

        時間:2018/7/11 13:47:42 點擊:

          內容提示:本文主要針對目前市場兩大船用主機的船用柴油機高壓共軌系統的結構及組成,就電子控制系統的控制策略進行了敘述以及介紹了高壓共軌系統在船用柴油機領域的應用實例與管理。...


        隨著船舶智能化的日益發展以及世界能源危機和環境污染的加重,為了節約能源、降低排放,提高柴油機燃燒工況,電控噴射技術得到了飛速的發展。而高壓共軌燃油噴射系統既對滿足柴油機的經濟性能,又對實現低污染、低排放發揮了重要作用,電控共軌柴油機的排放已達到相當理想的狀態。本文主要針對目前市場兩大船用主機的船用柴油機高壓共軌系統的結構及組成,就電子控制系統的控制策略進行了敘述以及介紹了高壓共軌系統在船用柴油機領域的應用實例與管理。本文先就電噴船用主機的電噴共軌原理進行了淺析,并列舉了船用電噴柴油主機在使用過程中電噴共軌系統可能發生的幾點故障,展開了分析。


        1 兩大電噴主機的共軌工作原理分析
          1.1 Wartsila RT-flex共軌柴油機
          Wartsila RT-flex機型有兩個公共油軌:一個輸送的是200bar的滑油,它的作用是作為驅動排氣閥、氣缸起動閥和噴射控制裝置的伺服油;另一個則是1000bar的作為柴油機燃料的重油,由曲軸通過三角凸輪帶動高壓共軌燃油泵把燃油加壓到1000bar,然后由高壓燃油管路流至高壓公共供油管(如下圖1中所示),再通過容積噴射控制單元(ICU),對燃油進行噴射控制,該控制單元由20 MPa的伺服油驅動,伺服油的觸發信號來自于WECS-9520的氣缸控制單元,氣缸控制單元通過曲軸角度傳感器,測出曲軸的位置和負荷,再進行判斷和計算以選擇最佳的時刻進行燃油噴射。輪機員還能夠通過主機的反饋信息,同時利用WECS的輔助單元,對FQS和VIT進行重新設定。WECS-9520也可以按照預先設定的曲線,對不同負荷下的燃油噴射量以及噴射時間進行自動控制,RT-flex機型每個氣缸有3個噴油閥,當柴油機在低負荷運行時,WECS-9520控制系統可以關閉其中的1或2個噴油器來減少噴油量,進而達到節省燃油和減少排放的目的,同時還能保持良好的低負荷運行特性。
          排氣閥液壓驅動系統的工作原理,與燃油共軌工作原理大體相近,只是驅動方式由軸帶三角凸輪變為無需換向操作的丹尼克斯變量泵控制(既伺服油泵)。(如圖2所示)。該系統的工作原理是高壓伺服油泵將液壓油壓入液壓總管內,然后WECS-9520發出信號,控制共軌閥(Rail vavle)通過液壓執行器來驅動排氣閥。
          圖2中的瓦錫蘭FLEX柴油機的電控液壓排氣裝置相對于機械(凸輪軸式)的優點是:(1)各個氣缸的排氣閥都能夠獨立打開和關閉,所以當當主機在部分負荷時,WECS-9520能自動依次關閉柴油機的部分氣缸,這樣可以很大程度上的降低能耗;(2)由于該系統是由軟件控制的,各缸噴油量由共軌閥得電時間長短控制,這樣一來,每缸燃燒工況會交以往凸輪軸式柴油機改善很多,氣閥磨損均勻細膩,在降低排放上有很大的意義。
          1.2 MAN-B&W共軌柴油機
          相對于瓦錫蘭FLEX電噴柴油機,MAN-B&W柴油機燃油電噴系統泵的控制如下圖3所示。該控制系統在缸頭平臺每缸燃油側均設置了新型的高壓油泵,油泵的柱塞不再由凸輪軸驅動,而是清潔度較高經過增壓的的主滑油驅動,它通過頂動高壓油泵內部活塞來帶動柱塞上下運動。主滑油來自于柴油機的滑油系統,區別于MAN B&W MC機型的是,主滑油除了潤滑運動部件和冷卻高溫部件外,即去往主軸承十字頭軸承曲柄銷軸承的潤滑的和活塞頭的冷卻;還需經過主機自帶的自清功能的細濾器,經過過濾后,在柴油機自帶的增壓泵增壓下,將這路主滑油加壓到20 MPa,再到各缸高壓油泵的兩個大的儲存器內,高壓滑油系統通常需要保持恒壓,保證壓力波動較小,所以各高壓油泵均配置了2個充氮蓄能器。各缸高壓油泵的燃油噴射,是通過電控閥NC快速控制高壓滑油的進出來驅動活塞快速上下運動,帶動高壓油泵柱塞瞬間增壓,讓油壓升至產生高壓(75~120 MPa),最后經過噴油器噴射霧化。電控電磁閥NC是由微處理器控制程序系統ECSP,根據柴油機狀況分析系統ECA和控制操作系統OMCP的綜合信息發出指令而動作,其燃油共軌是指驅動各缸高壓油泵的動力滑油來自共軌管中(即下圖3中的蓄壓器),而Wartsila RT-flex的燃油共軌則是通過燃油噴射控制單元ICU和排氣閥控制單元VCU的共軌閥RailVavle來進行控制的。
          MAN-B&W柴油機排氣閥共軌系統的基本原理基本如圖4中所示,其結構形式與該機型燃油共軌大同小異,電控電磁閥NC控制動力滑油,其啟閉是根據氣缸燃燒狀況由微處理器控制程序系統ECSP發出信號,分別控制各缸排氣閥的開啟和關閉。這種采用電子控制排氣閥啟閉的方式,同樣不僅能夠使排氣閥以相當于均勻速度的敲擊排氣閥閥座,減少了氣閥關閉時的摩擦聲與噪音,而且也可以有效地降低排放,控制主機排煙溫度。

          2 船用電控共軌柴油機常見故障
          相對于傳統的凸輪軸式柴油機,電噴柴油機在使用方面有諸如上述的幾種優點。但是,船用電噴主機的高度自動化以及智能化的特點也是一把雙刃劍,它對船舶使用者管理能力也相應的提高了要求。船用電控共軌柴油機集成化的燃油以及滑油高壓共軌和控制柴油機燃油噴射,汽缸油注入以及排氣閥啟閉的電子系統,由于柴油機的高溫高壓工作環境,因此常見故障也是較老式機型多,同時也需要使用人員有較高的自動化故障分析能力。
          2.1 高壓管件以及共軌管發生漏泄
          一般在主機以常規負荷正常運行時時,燃油共軌單元系統油壓通常是維持在1000bar左右,伺服油共軌單元因為他的控制特性,所以也基本保持在200bar,較高的共軌管壓力導致主機在長時間的使用后,由于燃油的高溫高壓特性,會產生泄漏。根據使用經驗,我們會發現,經常容易出現漏泄的地方如下。   (1)伺服油泵的軸封;伺服油泵需要向主機提供較高的伺服油壓,保證燃油燃油正常噴射及排氣閥按正時啟閉,伺服油泵內徑向壓力較大,在長時間運行磨損后,軸封處會產生泄漏,發生泄漏時,需輪機管理人員及時更換軸封,保證主機正常伺服油壓。
          (2)高壓油管,管路合攏處,焊縫以及彎頭薄弱處;高壓管路在合攏處極易發生泄漏。由于油管內均為高壓流體,長時間沖刷會導致焊接處和彎頭薄弱處產生砂眼和裂縫,導致管路內流體大量泄漏。主機運行時,振動現象一直都有,在管路合攏處如果密封面出現未完全貼合的狀況(一般由于密封面安裝不好或主機振動導致),也會產生大量的泄漏。
          (3)閥件的密封處,包括活動部件閥桿密封等。電噴主機的NC閥或RAIL VAVLE,由于長時間高頻率的快速被觸發,閥塊密封處O型圈極易損壞,這時輪機管理人員需經常檢查各閥塊,一旦發生泄漏,馬上更換密封圈。
          2.2 電子控制系統故障
          共軌的油壓、高壓燃油噴射、排氣閥啟閉正時、氣缸油注入、啟動和換向等操作均由原始的凸輪軸或VIT控制改變為現在的電子控制系統控制。而電子控制系統由控制單元模塊、信息采集傳感器以及電磁閥等構成。
          (1)信息采集傳感器故障:主機振動會引起各種傳感器的接線或者插頭松動;探頭臟污,會引起傳感器檢測精度,造成控制系統誤動作。在電噴柴油機中,曲軸轉角傳感器相當于人類大腦的神經元,整個柴油機燃油噴射,汽缸油噴油,排氣閥啟閉等等各項動作,均由曲軸角度傳感器將角度信號發送給控制單元,一般安裝在主機自由端,一般每機會配2個各為主備,一旦發生故障,主機將會:“死機”;燃油油量傳感器,常見的故障一般包括測量柱塞運動受阻或咬死,主要原因是燃油雜質多、粘度大,測量油缸的內外溫差大,油溫過高導致積碳而污染傳感器等。在發生故障時可拆出清潔。為避免此類事故,可將燃油分油機長時間溢流運行,保證燃油清潔度。
          (2)電磁閥故障(燃油電磁閥和排氣電磁閥)。
          故障表現為動作頻率高、過電流(可能燒毀電磁閥)等。原因可能有:工作環境振動劇烈,導致電磁閥接頭松動、復位彈簧斷裂等,燒壞線圈;燃油雜質多,加劇電磁閥磨損,甚至卡死閥芯。
          (3)氣缸噴油控制單元的燃油油量傳感器故障。
          由于燃油含渣質較多,或含水量過大,燃油油量傳感器極易發生柱塞咬死現象;控制元件若發生故障則會造成測量柱塞無法正常運動,無法采集油量信號;同樣的,如果燃油油量傳感器復位彈簧失效也會引起測量柱塞不返回,導致控制單元沒有油量信號反饋。
          (4)排氣閥位置傳感器故障。
          各個氣缸排氣閥處均有兩個排氣閥位置傳感器,檢測排氣閥動作時間和位置,監測排氣閥啟閉狀態。受主機振動影響,排氣閥位置傳感器極易發生插頭松動的現象,導致控制單元無法接收排氣閥狀態信號,影響主機正常運行。
          (5)氣缸油電子單元模板故障。
          各個氣缸均有氣缸油控制電子模板CCM,也同樣安裝在各缸共軌箱下的鐵箱中。同樣在惡劣的振動、高溫且無通風的環境下工作,損壞機率高,導致氣缸油供給異常。

          3 船用電控共軌柴油機的管理要點
          由于電噴主機的高度自動化和智能化特點,因此在使用過程中,必須加強輪機員的業務能力,并經常巡查各傳感器工作狀況,便于維護,如下。
          (1)保證燃油及伺服油密封。共軌油壓系統的壓力較高,在運行中一定要注意密封性是否良好。特別是進入噴油器之前的那段管路,既要保證密封性,同時也要求膨脹不能太大,以免對噴射霧化造成不良的影響。在維護方面,容易老化的密封件,均需定期更換。另外,應保持柴油機燃油系統外圍的清潔,以便及時發現任何漏泄征兆。
          (2)共軌油壓系統的電子控制元件(含電磁閥和傳感器)的任何異常,都可能導致柴油機主要參數異常。在巡回檢查時,要特別注意柴油機的排煙溫度、壓縮壓力、爆炸壓力、增壓壓力等參數,發現異常時要分析控制單元、電磁閥和傳感器等的影響并及時排除。在維護方面,要定期拆卸、清潔、檢查。
          (3)電噴柴油主機在正常運行時,也會產生一定的振動,以及柴油機運動部件的磨損、松動而加劇的振動,都影響著電控柴油機噴油控制單元、排氣閥控制單元、氣缸電子單元、電磁閥、傳感器等及其連接點的松動。因此,需要盡量降低機艙的振動源。
          (4)合適的環境溫度,也是保證電子控制設備正常工作的重要條件。所以應當根據機艙溫度情況,及時調節機艙的通風條件。
          (5)燃油的溫度、粘度、清潔度等,影響著電磁閥和傳感器的工作,因此務必保持燃油的質量,選擇粘度和雜質含量適合本船的燃油,包括適合本船的預處理能力。燃油(尤其是劣質燃油)必須經過沉淀、加溫、過濾和離心式分離等預處理,分油機分離要掌握好時間、溫度、分離量和放殘次數。巡回檢查時,要關注并及時調整燃油溫度。
          (6)伺服滑油作為動力油,其溫度、粘度、潔凈度等應符合高壓工作的質量要求。同時與燃油一樣,伺服滑油的質量也極大地影響著共軌閥和傳感器的工作,因此其質量必須有所保證。要根據說明書正確選用伺服滑油的規格和牌號。在油柜中沉淀和放殘,循環中加溫和過濾,以及分油機離心分離等操作要按操作規程進行。在巡回檢查時,要高度關注并按要求調整滑油溫度,同時還要關注滑油濾器尤其是進入共軌系統前的細濾器的工作狀態并按要求及時清洗。

          4 結語
          柴油機的高壓共軌系統和電噴技術是世界船用柴油機發展的一個新的方向,由于該系統采用了高度自動化智能化的控制單元,使得電噴主機具高度靈活的控制功能,它可以實現很高的噴射壓力,達到極佳的燃油霧化效果,并實現理想噴油過程中的壓力可調;同時它可以實現滿足各種工況下最低排放要求的多種噴射規律控制以及靈活精確的噴油定時控制,這樣就加大了柴油機控制的自由度,使之具有了未來柴油機滿足更嚴格的排放法規要求所必需的發展潛力,為進一步提升柴油機的性能提供了更廣闊的空間。在運行中,多點噴射技術讓電噴柴油主機的振動降低到了一個新的低點,柴油機的各項指標也有了新的標準。相信隨著世界科技的日新月異,未來不斷技術革新的船用主機會為全世界的發展進步提供更加綠色,環保,高效,的動力保證。

        作者:不詳 來源:信德海事

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