MAN B&W电喷主机排气阀油温过高故障分析


在当前全球经济低迷,航运市场极度不景气的情况下,各大船东均将消减运营成本作为第一要务。另外,随着国际海事组织 (IMO) 日益严苛的排放标准的实施,以及国际油价不稳定性和船舶的超大型化趋势,对节能减排的要求逐渐成为船舶主机选择的重要标志。为此,MAN B&W公司的 ME-C 型电喷主机在当今航运市场中逐步取代传统的 MC-C 型主机。ME-C 型电喷主机的喷油、排气、空气分配、气缸注油、调速等功能全部是由柴油机本身的电控系统进行控制。同传统的 MC、MC-C 型主机相比优点很多,主要表现在油耗低、排放低、热负荷均匀、操纵灵活等 [1] 。ME-C 型主机新增以下部件:液压动力单元(HPS)、液压气缸单元 (HCU)、柴油机控制单元 (ECU)、电控起动阀 (SAV)、起动与换向程序、电子调速功能、辅助鼓风机控制、电子燃油喷射型线 (EPIC)、排气阀执行机构、曲轴位置传感系统 (CPS)、电控 Alpha 注油器 (ALS)、机旁控制板 (LOP),系统还可安装 PMI 系统及Co Cos-EDS 监控系统 [2] 。ME-C 型电喷主机具备以下主要优点 [3] :
1) 通过电控控制喷油及排气正时,柴油机在各种负荷情况下均能够实现气缸内的最佳燃烧效果;
2) 在各种负荷下,燃油喷射压力和喷射率均可优化;
3) 提高燃烧效果,改善排放性能,有效降低 NOx 排放,实现无烟运行;
4) 机械传动系统简化,省去了凸轮轴,机械部件大大减少,便于维护;
5) 电 控实现精准正时,实现各缸热负荷平衡优化;
6) 良好运行,合适的监控和故障诊断使维修周期延长;
7) 实现更低稳定转速运行;
8) 更好的加速、倒车、急停等操作性能;
9) Alpha 注油系统集成的气缸注油器系统;
10) 在主机的生命期内,用于控制燃油喷射,排气阀开关和液压动力单元 (HPS)、液压气缸单元 (HCU)、柴油机通讯控制单元 (E-ICU) 等各类软件均可以升级优化。
虽然 ME-C 型电喷主机在节能减排等方面具有绝对优势,但对于轮机人员也提出了更高的要求。本文以 MAN B&W 5G60ME-C9.2 型电喷主机为例,说明该电喷主机排气阀结构和工作原理,并通过对该排气阀液压驱动油的油温过高故障进行详细的分析,以期对日后管理 MAN B&W5G60ME-C9.2 型电喷主机的轮机人员提供一定帮助。

1 MAN B&W 5G60ME-C9 型主机排气阀结构及工作原理

MAN B&W 5G60ME-C9.2 型主机采用的是目前最先进的电喷高压共轨技术,柴油机燃油的喷射、排气阀的打开和关闭、换向启动操作等都是由电控单元 ECU 控制完成的,并且主机允许的各参数都可以通过 Co Co S-EDS 系统进行实时在线监测,因此排气阀的开启定时、开启行程以及关闭延迟时间等都可以进行在线监测。图 1 为MAN B&W 5G60ME-C9.2 型主机排气阀结构图 [4]

MAN B&W电喷主机排气阀油温过高故障分析的图1

图 1 MAN B&W 5G60ME-C9 型主机排气阀结构
MAN B&W 5G60ME-C9 型主机安装了 ME Tacho 系统,取代传统机型的凸轮轴来采集和确认排气阀开关定时、缸头启动阀定时、汽缸油注油定时,实现智能化控制柴油机的各种定时。在主机曲轴自由端安装有 2 个曲轴旋转编码器 [5] ,2个互为冗余。编码器的作用是获得第一缸的上止点位置,并将信号传给电控单元 (ECU),当 E-CU 收到信号后,进行电脑计算处理,可以获得排气阀开启定时,并将排气阀开启定时信号传给液压缸单元 (HCU)。液压缸单元 (HCU) 主要执行燃油喷射、排气阀启闭以及气缸注油润滑等动作,其动作由主机电子控制单元 (ECU) 的程序精确控制 [6] 。HCU 通过控制 FIVA 阀将启阀高压油连通到排气阀促动器 (exhaust valve activator)下方,推动促动器活塞上行,此时,排气阀上方形成高压,排气阀克服空气弹簧力,排气阀打开,排气阀靠空气弹簧关闭。
图 2 为主机排气阀升程传感器安装位置照片和示意图,左侧为实物照片,右侧为主机电脑控制系统中的示意图。角度编码器根据 1 缸上止点位置和主机发火顺序,确定各缸的曲轴位置,通过 HCU 控制 FIVA 阀来控制排气阀开启和关闭,FIVA 阀将高压液压油连接到排气阀促动器,实现对排气阀升程的闭环控制。

MAN B&W电喷主机排气阀油温过高故障分析的图2

图 2 MAN B&W 5G60ME-C9 型主机排气阀升程传感器
ME-C 型主机每缸配备一套 FIVA 阀,液压气缸单元 (HCU) 对该阀进行全程控制,每个FIVA 阀控制该缸的喷油以及排气阀的动作,FI-VA 阀的三大功能为:精准执行燃油喷射定时,并通过 FIVA 阀为燃油升压器驱动油缸提供液压动力;精准执行排气阀定时,在排气阀开启和维持开启的不同状态,通过 FIVA 阀的控制,为排气阀驱动油缸提供不同的驱动力;通过控制液压动力油的流量,控制燃油喷射量的大小,以满足主机的转速、负荷以及油量之间保持稳定 [7,8] 。MAN B&W 5G60ME-C9.2 型主机的排气阀打开和关闭的过程如下。
开阀准备。随着主机的运行,在接近排气阀开启的曲轴转角时,液压气缸单元 (HCU) 的输出电流减小至 4~8 m A,线圈产生的磁力减小,FIVA 阀内部阀芯在弹簧作用力下回位,使主油路接通排气阀驱动油缸,大流量液压油进入驱动油缸,排气阀开启。同时接通燃油升压器油缸回油,确保燃油升压器不动作。
初始开阀。排气阀初始开阀时,液压气缸单元 (HCU) 输出的电流接近下限值 4 m A,确保FIVA 阀的主阀芯完全移到左端,液压油以最大流量进入排气阀驱动油缸,获得最大的开阀动力,以克服开阀时气缸内的压力以及弹簧空气的弹力。
维持开阀。开阀完成后,液压气缸单元(HCU) 输出的电流接近上限值 8 m A,FIVA 阀主阀芯向右移动一个位移。主阀芯通道形成节流,维持少量的液压油进入排气阀驱动油缸,以克服弹簧空气的弹力,维持排气阀开启状态。此过程中油缸的滑油会有一小部分经节流阀流走,排气阀也会有一个微小的关闭动作。
关阀阶段。随着主机的运行,曲轴旋转,转过排气阀开阀的曲轴转角时,液压气缸单元(HCU) 输出电流又回到 8~12 m A, FIVA 阀主阀芯回到中位,接通排气阀驱动油缸的回油油路,排气阀关闭。

2 故障描述

2019 年 8 月 6 日,皮拉图斯轮从阿根廷港口到澳大利亚港口进行运输作业。大管轮值班时巡视主机,由于天气条件恶劣,船舶晃动加剧。大管轮在主机缸头层检查时,由于晃动,无意中用手扶了一下排气阀的驱动高压油管,发现主机2 缸和 5 缸的排气阀驱动高压油管温度明显高于其他缸,手摸上去发烫。大管轮无法立刻判断出此故障原因,随后通知轮机长一同讨论分析故障原因。轮机长到达现场后用点温 qiang测量排气阀顶部温度,发现 2 缸和 5 缸温度比其他缸高 10℃左右;用听诊器或者听诊棒听排气阀顶部的声音,也能听出这两个缸跟其他缸声音不一样,确定这两个缸存在故障。
当时分析该液压油管温度升高,可能的原因有以下几点:
1) 故障缸燃烧不好导致排温明显高于其他缸,热量传递排气阀,经过排气阀阀杆传给滑油。但现场观察排温正常,故排除此项。
2) 排气阀冷却系统出现问题,导致排气阀温度过高,如冷却水不足等原因也可能使排气阀温度升高 [9] ,从而导致液压油温度升高。但现场观察水温、水压均正常,故排除此项。
3) 排气阀顶部油缸的活塞与油缸本体润滑不好或者活塞环状况不良,摩擦热量大。

3 故障解决过程

对上面的可能原因,进行逐个排查,先简单后复杂。前两种可能性原因已经现场排除。由于现在主机在运行,无法拆检排气阀。到锚地后,大管轮组织对排气阀的拆除,进行维护保养,着重检查排气阀顶部液压油缸的活塞和活塞环,并未发现明显异常。但是为了排除故障就把活塞环换新了。重新装复排气阀,跟船长协商在锚地进行试车,当主机转速达到 HALF (一半) 时,故障缸的油管温度又高出其他缸,此故障仍然存在。说明此故障并不是油缸活塞摩擦导致,此种可能性排除。在轮机长的组织下,大管轮对该主机说明书进行研究,并根据现场分析可能的原因。由于 ME 主机有 MOP 电脑,可以查看很多参数。轮机长和大管轮调取了当时 6 个缸的HCU EVENTS,根据 HCU EVENTS 的曲线发现故障缸明显异于其他 4 个缸。其中 HCU EVENTS可以在 MOP-B 电脑 MAINTENANCE 的子目录TROUBLE SHOOTING 里可以找到;在主机运行时可以随时手动抓取当时的曲线,也可以固定间隔时间,例如每月做 PERFORMANCE (性能)时抓取一次便于以后观察对比。
另外,对该主机说明书进行研究发现,排气阀顶部存在一个节流阀 (如图 1 中的 C 所示),节流阀详细结构如图 3 所示。

MAN B&W电喷主机排气阀油温过高故障分析的图3

图 3 节流阀结构 

节流阀在排气阀顶部工作情况如图 4 所示。驱动排气阀打开的高压油由高压油管进入排气阀顶部,油路分为 2 路,主油路驱动排气阀阀杆,打开排气阀;另外一路油经节流阀中间的小阻尼孔流入 C 空间,经泄油口回油。经分析,该节流阀阻尼孔的主要作用是卸荷作用。另外,该机构通过阻尼孔的孔径对排气阀的升程进行控制,孔径变大,排气阀升程变小 (卸荷作用增强);孔径变小,排气阀升程变大。如果此节流阀堵塞会导致泄油不畅,排气阀开启后一直保持在最大升程位置,因此,也会导致排气阀驱动液压油反复压缩而致使高压管发热。

MAN B&W电喷主机排气阀油温过高故障分析的图4

图 4 节流阀工作情况
通过调取当时 6 个缸的 HCU EVENTS,发现故障缸的曲线与正常工作缸的曲线存在差别,如图 5 所示。正常工作时 (图 5-a 曲线),排气阀打开后,会慢慢下降,即节流阀阻尼孔起作用;而故障缸的曲线 (图 5-b 曲线),排气阀打开后,升程保持不变,即节流阀阻尼孔未起作用。

MAN B&W电喷主机排气阀油温过高故障分析的图5

图 5 主机 MOP 中的排气阀工作曲线 

因此,根据上述分析,可能节流阀堵塞导致排气阀升程变大,高压油温度上升。大管轮即刻组织人员对故障缸的节流阀进行拆除,发现这两个故障缸排气阀上的节流阀堵塞。清通后试车故障现象消失,HCU EVENTS 也恢复正常。此节流阀的孔径很小,堵塞物为微小的金属磨粒物质,说明液压系统里有磨损。问题解决后大管轮将液压油的反冲滤器解体清洁。根据本次故障现象以及解决过程的分析,笔者认为,陈明兴所诉在管理 ME-C 型主机过程中遇到的故障与本次故障现象有相同之处,ME-C 型主机排气阀行程报警应该与该节流阀堵塞有一定关系 [10]

4 结论

本次故障的排除,为公司节约了更换排气阀的成本,保证主机的正常运行。HCU EVENTS 正常的排气阀曲线在开启后应该有一个稍微倾斜向下的趋势,是因为节流阀会卸荷掉一部分高压油,以防止排气阀升程过大。ME-C 型主机伺服液压油引用 10%的主机系统滑油,经过滤器过滤(过 滤 精 度 6 μ) 后 , 进 入 液 压 动 力 单 元(HPS)。因此要特别加强滑油的管理,一旦主机系统滑油产生变质,液压元件易损坏,严重时会造成主机无法正常工作。因此,建议轮机管理人员注意以下几点:
1) 在船舶航行过程中,遇故障时,应根据说明书,将故障部位的结构和工作原理搞明白,然后再进行有目的的拆解,可收到“事半功倍”的效果。经过故障现象和故障解决过程,以及对主机说明书的分析,ME-C 型主机排气阀上方的节流阀的主要作用是卸荷作用,以防止排气阀升程过大。
2) 在排气阀的维护保养和拆装过程中,以及主机滑油系统拆装过程中一定要根据说明书要求进行冲洗,注意保持清洁,以防止污染物进入滑油系统。主机滑油定期进行送岸化验,确保滑油的质量,包括滤器前后取样化验,确保精滤器的效用。
3) ME 机型都配有 Co Co S-EDS 系统和 MOP电脑,智能程度都很高,主机所有参数和运行状况都能从这两台电脑里看到,比如案例里提到的HCU EVENTS,这个要定期保存以便以后观察对比。不同的工况下,定期保存 HUC EVEN 和 HPS EVEN,以方便出现故障时分析对比,建议轮机管理人员加强对 Co Co S-EDS 和 MOP 的学习。

参考文献:
[1]马志超.MAN B&W电喷主机排气阀油温过高故障分析[J].船舶职业教育,2022,10(01):47-51.
作者简介:
马志超,副教授,天津海运职业学院

排气阀船舶

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