船舶主機汽缸注油潤滑技術(shù)研究

賀玉海

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院,湖北武漢 430063;2.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室,湖北武漢 430063)

柴油機作為船舶的 “心臟”,其正常、安全、可靠地工作十分重要。在影響柴油機正常工作的眾多因素中,由于汽缸工作壓力大、溫度高、工作條件惡劣,所以潤滑困難[1-2]。在低速 2沖程十字頭柴油機中,機架上部都設(shè)有橫隔板和活塞桿填料函,把汽缸和曲柄箱隔開,這樣的結(jié)構(gòu)特點決定了活塞與汽缸套之間的劇烈摩擦必須采用注油潤滑設(shè)備來供給適量的汽缸油[3]。

1 對汽缸注油潤滑系統(tǒng)的要求

汽缸注油潤滑一直是影響柴油機可靠性、經(jīng)濟性和排放性能的重要因素之一。對汽缸注油潤滑的要求如下[3-4]。

1.1 汽缸油品的選擇

汽缸油品選擇主要取決于燃料油的品質(zhì) (特別是含硫量)和粘度 (影響流動性和潤滑效果)。船舶運營中燃料油品種一般不輕易改變。對定期班輪燃料油也基本上在較固定的港口添加,因此汽缸油品種一般不輕易改變。

1.2 注油定時

所謂注油定時是指汽缸油注入汽缸開始或結(jié)束時主機活塞在缸中的位置,用對應的曲柄角表示。理論上汽缸油應盡可能注入環(huán)帶區(qū)域,即當活塞上行第 1道環(huán)通過注油孔時開始注油,最后 1道環(huán)通過注油孔時注油結(jié)束。

1)注油定時滯后:例如在活塞上行到第 3道環(huán)經(jīng)過注油孔時開始注油,首先是第 1、第 2道環(huán)潤滑不夠;其次是汽缸油只經(jīng)第 3、第 4道環(huán)布油形成的油膜不夠均勻,活塞下行時也將有更多的汽缸油被刮下。若滯后太多,油供到環(huán)帶下面,大部分被刮下而浪費。

2)注油定時提前:如在活塞上行尚未到達注油孔時開始注油,汽缸油將部分注到活塞頭上而被蒸發(fā)、燒結(jié)。此時,缸套上 Z型布油槽幾乎失去布油作用,汽缸油沿著缸壁往下流而被上行的活塞環(huán)大部分刮到燃燒室燒掉。沒有完全燃燒掉的汽缸油形成油泥積在第一道環(huán)槽內(nèi)使第一道環(huán)粘滯、卡阻而失效。顯然,注油提前,被刮下的汽缸油量將減少。

1.3 注油率控制

汽缸油注油率大小由柴油機自身特點 (如增壓度、活塞運動速度、掃氣方式、缸徑大小以及缸套、活塞令材料特點等)、燃料油的品質(zhì)和汽缸磨合狀態(tài)等多因素綜合決定。合適的注油率是保證汽缸狀態(tài)良好的重要前提,汽缸狀態(tài)又是驗證注油率大小是否合適的必然反映。

1)汽缸注油率太小,破壞了汽缸壁上邊界潤滑,引起缸套磨損加大,甚至引起拉缸、咬缸。

2)汽缸注油率太大,汽缸油消耗費用將增加,同時汽缸油進入燃燒室不完全燃燒產(chǎn)生的油泥和淤渣,容易引起活塞令的粘滯,污染氣口、氣閥、排氣格柵及增壓器噴嘴環(huán)和葉片。經(jīng)驗證明注油率太大缸套磨損也會加劇。

1.4 注油壓力

注油時缸內(nèi)注油孔處壓力要保證潤滑油膜容易形成并保持,被活塞環(huán)刮下的油應盡可能少些。

1)注油壓力太高:超過 2.0 MPa,則不易形成油膜。

2)注油壓力太低:低于 0.2 MPa,則缸套圓周方向上布油的距離太小,布油不均勻。

2 汽缸注油系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)分析

2.1 機械式注油器

傳統(tǒng)船用主機的機械式注油器都設(shè)計為若干個泵單元,它是由曲軸通過鏈輪帶動機械式注油器的凸輪軸旋轉(zhuǎn),再由凸輪頂動小柱塞作往復運動,凸輪型線直接決定了汽缸油的噴射規(guī)律,這種設(shè)計的結(jié)果就是對汽缸油耗量、噴射時刻和排放污染的折中,注油壓力極低,定時也比較粗放,并且不能隨柴油機的負荷變化而變化[5]。往往從可靠性出發(fā),根據(jù)最大負荷的需要再加上一定的系數(shù)確定噴油量,而且會使低負荷運行時主機的汽缸油注油量偏大。過量的汽缸油,不僅浪費了能源,也增加了對環(huán)境的污染和污油處理的工作量和費用,同時還增加掃氣箱、排氣管中的積垢及缸套和活塞環(huán)的磨損量并由此引起各種故障[3]。

傳統(tǒng)機械式汽缸注油器的技術(shù)缺陷[3,6-9]。

1)汽缸注油率:注油量的大小與主機轉(zhuǎn)速的變化成線性關(guān)系 (注油頻率與主機轉(zhuǎn)速同步)。它的注油量調(diào)節(jié)主要依靠手動調(diào)節(jié)每個注油小單元的柱塞行程來實現(xiàn),而不能實時自動調(diào)節(jié)每循環(huán)注油量。由于主機直聯(lián)螺旋槳時,柴油機功率和轉(zhuǎn)速的三次方成正比。因此,在部分負荷工況時注油率就偏大,而且一般船舶在經(jīng)濟航速時的主機負荷大約在 50%。例如,某型主機在 100%負荷選定的注油率為 1.09 g/(kW·h),若保持柱塞行程不變,則在 60%負荷時注油率增加到 1.52 g/(kW·h),在45%負荷時注油率增加到 1.84 g/(kW·h)。

2)注油定時:注油器柱塞在加壓行程中,只有當其壓力大于汽缸內(nèi)壓力時,汽缸油才會注入汽缸內(nèi),難以實現(xiàn)精確定時注油。

3)注油壓力:受機械傳動和凸輪曲面的限制,注油壓力約為 0.2 MPa,在缸套周向布油困難。

2.2 HJ SIP注油系統(tǒng)

HJ SIP(Swirl Injection Principle)注油系統(tǒng)(如圖 1)的汽缸潤滑原理是:改造過的機械式汽缸注油器供給一定壓力的汽缸油經(jīng) SIPⅡ閥 (類似于燃油噴油器 )沿著與缸壁圓周的切向成一定角度的方向,成霧滴狀定時定量地噴向缸壁。并在掃氣漩渦離心力的作用下大面積均勻地分布在缸套內(nèi)表面上。這樣,活塞環(huán)就很容易地將汽缸油帶到缸套的全部摩擦表面,從而達到以少量的汽缸油滿足汽缸潤滑的目的[6-7]。

圖1 HJ SIP注油系統(tǒng)

HJSIP汽缸注油系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢[10]。

1)注油壓力:使用壓力閥和噴霧嘴代替?zhèn)鹘y(tǒng)止回閥,可以沿著汽缸套臂的切線方向噴射霧狀滑油,使油滴在活塞環(huán)上行運動前在汽缸壁水平方向均勻分布。

2)注油定時:采用機械或電動軸與曲軸運動保持同步,實現(xiàn)汽缸注油的精確定時。

但 HJSIP汽缸注油系統(tǒng)注油率控制和機械式注油器一樣,與主機轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系,調(diào)節(jié)主要依靠手動調(diào)節(jié)實現(xiàn)。

2.3 A lpha ACC注油系統(tǒng)

Alpha ACC汽缸注油系統(tǒng)是 MAN-B＆W公司推出的新型電子注油系統(tǒng)。由泵站、汽缸油注油器、主控單元、備控單元、人機界面、編碼器、轉(zhuǎn)速傳感器、油門刻度發(fā)送器、反饋部分等組成。汽缸油的注射動力來自泵站調(diào)節(jié)的液壓通用回路,供油壓力為 4.5MPa。通過該系統(tǒng)將等量的高壓汽缸油均勻輸送到缸套上帶止回閥的各注油針閥,定時把絕大部分的汽缸油 (約 70%～80%)沿著缸套上的水平斜槽,大面積地噴在第 1至第 4道活塞環(huán)上。從而在活塞環(huán)的作用下,將汽缸油布滿整個缸套的摩擦表面。由于是電子控制,它可以根據(jù)柴油機的負荷 (油門刻度)高低做到曲軸每 4轉(zhuǎn)到 10轉(zhuǎn)噴注一次油,即變頻控制注油率。它還可以根據(jù)燃油含硫量的大小、汽缸套磨合狀態(tài)等而設(shè)定汽缸油的注油率。最終達到以少量汽缸油滿足汽缸潤滑的要求[10-13]。

Alpha ACC汽缸注油系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢[11-13]。

1)取消傳統(tǒng)注油器的機械傳動機構(gòu),設(shè)立高壓供油單元和控制單元。注油壓力從原來的 0.2～0.3MPa提高到 2.0～2.5MPa。以霧滴狀噴入。所不同的是 HJSIP系統(tǒng)是將油噴布在缸壁上,Alpha ACC系統(tǒng)是將油噴布在活塞環(huán)帶上。

2)注油定時是基于曲軸轉(zhuǎn)速的計速器反饋系統(tǒng),通過傳感器將活塞的運動信號反饋到注油控制裝置。這樣能夠使活塞處于最適宜的位置 (如當?shù)?1道活塞環(huán)通過注油孔)時向活塞環(huán)帶、缸壁注射汽缸油。

3)注油率調(diào)節(jié)方式為 “隨負荷調(diào)節(jié)”而并非“隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)”,所以柴油機無論是標準工況點運轉(zhuǎn)還是低負荷運轉(zhuǎn),都可獲得最低注油率。此外,電子式調(diào)節(jié)更加細化量化。機械式汽缸油調(diào)節(jié)是通過人工改變柱塞升程來實現(xiàn)的,實際運行中輪機員為 “確保 ”良好的潤滑,注油量往往偏多。電子式汽缸油調(diào)節(jié)在控制面板上進行操作,數(shù)字顯示一目了然,注油量的調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)精確的細化量化。

4)為了配合最大面積地噴布汽缸油,缸套上取消傳統(tǒng)的斜向布油槽,改為配合噴油方向的切槽。

但 Alpha ACC汽缸注油系統(tǒng)不適宜老機改造,需改缸套內(nèi)注油槽,且設(shè)備昂貴。

2.4 國內(nèi)電控汽缸注油系統(tǒng)研究

國內(nèi)有部分單位對電控汽缸注油潤滑進行研究,如中國船舶重工集團公司第 711研究所申請的實用新型專利:內(nèi)燃機汽缸潤滑注油裝置。但尚未見有自主研發(fā)電控汽缸注油器的應用文獻報道。

3 武漢理工大學電控汽缸注油系統(tǒng)

從 2006年至今,武漢理工大學電控汽缸注油潤滑系統(tǒng)項目組作了大量的計算論證和試驗研究工作,成功開發(fā)了一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型低速柴油機的電子控制式汽缸注油潤滑系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成與技術(shù)特點

武漢理工大學自主開發(fā)研制的新型電控汽缸注油潤滑系統(tǒng)如圖 2所示。

圖2 自主開發(fā)的電控汽缸注油潤滑系統(tǒng)

主控制單元接受來自角度編碼器的主機曲軸轉(zhuǎn)角信號、主機轉(zhuǎn)速信號和來自負荷指示傳感器的主機負荷信號以及燃油的含硫量等數(shù)字信號,經(jīng)過計算后給出注油定時和注油量,控制步進電機的啟停和頻率以實現(xiàn)汽缸油的注入。可根據(jù)需要,依據(jù)柴油機的工況在控制面板 (HMI)上自動或手動調(diào)節(jié)注油率。

該電控汽缸注油潤滑系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上用步進電機和準確的電子控制單元取代靠鏈條傳動的機械式注油器,將注油壓力由 0.2 MPa提高到 2.0 MPa左右,同時在噴入時借助柴油機在掃氣、壓縮沖程中形成的空氣旋渦氣流,使噴入的汽缸油油滴霧化,促使汽缸油均勻布置,形成理想潤滑油膜,因此在潤滑效果上遠好于機械式注油器,同時對汽缸油的需要量也大大減少。

自主開發(fā)的電控汽缸注油系統(tǒng)綜合了傳統(tǒng)機械式注油器 (運行安全可靠)、HJSIP注油系統(tǒng) (注油壓力高、布油均勻)、Alpha ACC注油系統(tǒng) (電控定時精確、注油量隨負荷等參數(shù)自動調(diào)節(jié))的優(yōu)點,同時具有以下特點。

1)注油定時:基于角度編碼器系統(tǒng),通過傳感器將活塞的運動信號反饋到注油器系統(tǒng)控制單元。這樣能夠使在活塞處于最適宜的位置時向汽缸注油潤滑。

2)汽缸注油率:注油量是由注油器系統(tǒng)控制單元動態(tài)控制的,在綜合考慮了燃油含硫量、柴油機負荷和汽缸狀態(tài)等參數(shù)后,確定出最佳注油率。

3)注油壓力:最高 2.0 MPa左右,借助空氣旋渦氣流,使噴入的汽缸油油滴霧,促使汽缸油均勻布置,形成理想潤滑油膜。

4)運行安全可靠:系統(tǒng)可由機械式注油器系統(tǒng)和電控注油器系統(tǒng)并聯(lián)而成,即使電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障,機械式注油器系統(tǒng)可自動投入工作。

5)改造安裝方便:原有柴油機注油系統(tǒng)保持不變,直接加裝電控注油系統(tǒng)。

3.2 實船測試結(jié)果

由武漢理工大學研制的上述電控汽缸注油潤滑系統(tǒng),在 2008年通過臺架試驗,證明能夠完美實現(xiàn)原定的控制要求,并于 2009年 9月在中遠 (香港)航運有限公司 “益佳”輪實船上進行了實船測試。 “益佳”輪是一艘 23年船齡的老齡船,主機型號:MAN B＆W 6L60MC,額定功率 8 235.3 kW,額定轉(zhuǎn)速 100 r/min,服務轉(zhuǎn)速 76 r/min;缸徑 0.6m,活塞行程 1.944 m,屬于長沖程主機。試驗期間主機各項工作參數(shù)正常,主機停機期間,打開排氣閥對缸壁進行拍照,未發(fā)現(xiàn)異常劃痕。

“益佳”輪主機原采用機械式汽缸油注油器,據(jù)航海日志記錄統(tǒng)計,每天 (24 h)消耗汽缸油164 kg;目前安裝電控汽缸注油潤滑系統(tǒng)后平均日耗汽缸油量 110 kg,每天可節(jié)約汽缸油 54 kg。按每年航行 260天,可節(jié)約汽缸油 14 040 kg。按2 000美元/t,一年可節(jié)約人民幣約 22萬元。根據(jù)以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù),只要調(diào)整基本參數(shù),還有 20%以上的節(jié)油潛力。

4 小結(jié)

Alpha ACC電控汽缸注油系統(tǒng)和自主開發(fā)的電控汽缸注油系統(tǒng)的應用表明,電控汽缸注油系統(tǒng)在改善汽缸潤滑效果、降低汽缸磨損率、降低汽缸油的消耗、降低柴油機微粒排放以及提高柴油機的工作可靠性等方面有很好的效果,因此對其應用前景非?？春?是船用主機汽缸潤滑設(shè)備的發(fā)展趨勢。

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