新一代電子脈沖氣缸潤(rùn)滑系統(tǒng)

林剛毅，鄧健星

（玉柴船舶動(dòng)力股份有限公司，珠海 519175）

新一代電子脈沖氣缸潤(rùn)滑系統(tǒng)

林剛毅，鄧健星

（玉柴船舶動(dòng)力股份有限公司，珠海 519175）

介紹并分析了在W?rtsil?最新的W-X35/40系列柴油機(jī)上采用新一代電子控制的脈沖潤(rùn)滑油系統(tǒng)，它由新一代柴油機(jī)控制系統(tǒng)UNIC來(lái)控制，采用最新型的CLU-5氣缸潤(rùn)滑技術(shù)，在保持柴油機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)特性的同時(shí)，把氣缸潤(rùn)滑油注油率的指導(dǎo)值降低到0.6g/kWh，減少了氣缸潤(rùn)滑油的消耗，并降低了柴油機(jī)的運(yùn)行成本。

電子脈沖；潤(rùn)滑系統(tǒng)；UNIC控制系統(tǒng)；新特點(diǎn)

0 引言

柴油機(jī)作為船舶的動(dòng)力裝置，其長(zhǎng)期安全可靠地工作對(duì)于船舶運(yùn)行十分重要[1]。而氣缸套是船舶柴油機(jī)的重要零件之一，因其內(nèi)壁工作條件十分惡劣，如潤(rùn)滑不足或潤(rùn)滑不當(dāng)，將很易發(fā)生磨損，若發(fā)生磨損將直接影響氣缸套與活塞環(huán)之間的密封性能，對(duì)柴油機(jī)的啟動(dòng)、功率損耗、燃油和潤(rùn)滑油的消耗、使用壽命以及排放等都有著重大的影響[2-3]。當(dāng)代柴油機(jī)正向高強(qiáng)度化、燃油劣質(zhì)化方向發(fā)展，燃用劣質(zhì)燃油所帶來(lái)的氣缸低溫腐蝕、固體顆粒磨損、積炭引起的活塞環(huán)粘著與氣口堵塞等問(wèn)題，對(duì)氣缸潤(rùn)滑提出了更加苛刻的要求。

隨國(guó)際市場(chǎng)原油價(jià)格的持續(xù)上漲，氣缸潤(rùn)滑油的價(jià)格也在不斷上揚(yáng)。如何控制船舶柴油機(jī)氣缸滑油的消耗，減低船舶運(yùn)營(yíng)成本，這已成為每家航運(yùn)企業(yè)非常關(guān)注的問(wèn)題。經(jīng)世界多家公司計(jì)算，滑油成本約占主機(jī)整個(gè)維修保養(yǎng)成本的80%，而氣缸滑油成本又占主機(jī)滑油成本的90%以上，因此降低氣缸潤(rùn)滑油的消耗，已成為繼節(jié)約燃油消耗之后，降低船舶運(yùn)營(yíng)成本又一有效措施。

裝配在W?rtsil? W-X35/40系列柴油機(jī)上的最新一代電子脈沖氣缸潤(rùn)滑系統(tǒng)，采用CLU-5氣缸潤(rùn)滑技術(shù)，由新一代的柴油機(jī)控制系統(tǒng)“UNIC”控制，精確定時(shí)的潤(rùn)滑噴射，可隨負(fù)荷變化而調(diào)節(jié)，在保持柴油機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)特性的同時(shí)，把氣缸潤(rùn)滑油注油率的指導(dǎo)值降低到0.6g/kWh，減少氣缸潤(rùn)滑油的消耗，以提高柴油機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

1 傳統(tǒng)機(jī)械式氣缸潤(rùn)滑的技術(shù)缺陷

傳統(tǒng)機(jī)械式氣缸潤(rùn)滑系統(tǒng)都是通過(guò)凸輪軸驅(qū)動(dòng)機(jī)械注油器來(lái)注油的，注油設(shè)備由注油器和注油頭組成，每缸設(shè)置一個(gè)，均由多個(gè)柱塞式油泵單元組成，各油泵單元分別將氣缸油經(jīng)氣缸周?chē)淖⒂皖^供給各缸。這個(gè)注油器由鏈輪傳動(dòng)，帶動(dòng)注油器的凸輪軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由凸輪頂動(dòng)小柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且柱塞與活塞的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)應(yīng)的，它的泵油頻率與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速同步，注油量的大小與主機(jī)轉(zhuǎn)速的變化成線性關(guān)系，它的注油量調(diào)節(jié)主要依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)每個(gè)注油小單元的柱塞行程來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)注油壓力低，定時(shí)也比較粗放，且不能隨著柴油機(jī)的負(fù)荷變化而變化，往往從可靠性出發(fā)，根據(jù)最大負(fù)荷的需要再加上一定的系數(shù)確定噴油量，這就會(huì)使低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)柴油機(jī)的氣缸注油率偏大。過(guò)量的氣缸油，不僅浪費(fèi)了氣缸油，增加運(yùn)行成本，也增加了對(duì)環(huán)境的污染和污油處理的工作量和費(fèi)用，同時(shí)還造成活塞頂面、氣口、排氣閥處積炭，引起活塞環(huán)、排氣閥的粘著，氣流通道的不暢，多余氣缸油進(jìn)入活塞下部造成掃氣箱著火。

2 電子脈沖氣缸潤(rùn)滑系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

電子脈沖氣缸潤(rùn)滑系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)機(jī)械式的設(shè)計(jì)思想，采用電子共軌控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)全智能化控制，把傳感器、電磁閥及控制裝置有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)氣缸潤(rùn)滑模塊化設(shè)計(jì)，利用脈沖功能以精確的噴射定時(shí)和精確計(jì)量的噴射劑量向氣缸壁表面噴射潤(rùn)滑油，優(yōu)化和改進(jìn)了氣缸壁表面潤(rùn)滑油的分布狀態(tài)和氣缸潤(rùn)滑特性，精確注油率，從而減少了氣缸潤(rùn)滑油的消耗。新一代電子脈沖氣缸潤(rùn)滑系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)機(jī)械式注油壓力低，以及注油量不能隨柴油機(jī)工況變化等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的問(wèn)題。

3 W-X35/40柴油機(jī)上的新一代電子脈沖氣缸潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作原理

如圖1所示，新一代電子脈沖氣缸潤(rùn)滑系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，它通過(guò)嵌置在環(huán)繞氣缸壁四周方向上多的注油器向氣缸壁表面定向噴射加壓的潤(rùn)滑油。每個(gè)注油器的噴嘴頭部有多個(gè)噴油孔，以多頭射流的脈沖方式從噴油孔各自定向向氣缸壁表面噴射潤(rùn)滑油。在氣缸潤(rùn)滑油的噴射過(guò)程中，潤(rùn)滑油不產(chǎn)生霧化，以防止?jié)櫥蛽]發(fā)到掃氣空氣中。氣缸潤(rùn)滑油注油器帶有單向止回閥，工作可靠。氣缸潤(rùn)滑油通過(guò)具有電子集成監(jiān)測(cè)功能的潤(rùn)滑模塊單元上的一個(gè)劑量泵，在壓力的作用下將其輸送給潤(rùn)滑油注油器 。由于在每個(gè)氣缸上都設(shè)置有這樣的一個(gè)潤(rùn)滑模塊單元，所以輸送潤(rùn)滑油的管路可與潤(rùn)滑油注油裝置以最短的距離連接，以減少管道流通損失。對(duì)注油裝置來(lái)說(shuō)，不但在定時(shí)的設(shè)定上具有很大靈活性，而且容積測(cè)量法保證了在覆蓋柴油機(jī)整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)潤(rùn)滑油噴射模型的不變。即使氣缸潤(rùn)滑處在低進(jìn)油率時(shí)，氣缸潤(rùn)油的噴射劑量仍然是一個(gè)精確的調(diào)整值。每個(gè)潤(rùn)滑模塊單元都有潤(rùn)滑油管路和伺服油管路，這兩條管路是相互獨(dú)立的。

圖1 新一代電子脈沖氣缸潤(rùn)滑系統(tǒng)

氣缸潤(rùn)滑系統(tǒng)的整個(gè)工作過(guò)程都由新一代柴油機(jī)控制系統(tǒng)“UNIC系統(tǒng)”控制，各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)的氣缸潤(rùn)滑油供油量都可以隨負(fù)荷調(diào)節(jié)。它采用CLU-5的氣缸潤(rùn)滑技術(shù)，氣缸潤(rùn)滑油泵采用電氣控制，噴射壓力為50bar，噴射控制已完全整合至UNIC控制系統(tǒng)中，使用與燃油噴射和排氣閥控制同樣的曲柄轉(zhuǎn)角傳感器，不再需要使用CAN-bus延時(shí)補(bǔ)償電氣元件。每個(gè)CLU-5潤(rùn)滑油泵均帶有兩個(gè)控制電磁閥，這兩個(gè)電閥處于雙保險(xiǎn)狀態(tài)，且控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換交替這兩個(gè)電磁閥。壓力反饋信號(hào)的電流強(qiáng)度為4 mA～20mA，傳感器安裝在潤(rùn)滑油脈沖泵上，用于反饋是否噴射成功及自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)定時(shí)。各缸的氣缸潤(rùn)滑系統(tǒng)由對(duì)應(yīng)缸的CCM-20模塊控制。CCM-20模塊控制兩個(gè)驅(qū)使?jié)櫥蛧娚涞碾姶砰y。安裝在滑油泵上的壓力傳感器反饋?zhàn)⑸涠〞r(shí)，并被UINIC系統(tǒng)用于補(bǔ)償系統(tǒng)液力的和機(jī)械的延遲。雙重的CAN-bus和電源供給確保工作冗余?？梢造`活設(shè)定氣缸滑油注射定時(shí)至需要的曲柄轉(zhuǎn)角，進(jìn)而控制氣缸滑油分配。氣缸滑油可以注射到活塞上部、下部和活塞環(huán)中間。如果一個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào)通過(guò)柴油機(jī)控制系統(tǒng)UNIC發(fā)給二位四通電磁閥(CLU-5潤(rùn)滑油泵上的其中一個(gè))，那么電磁閥轉(zhuǎn)換的同時(shí)也會(huì)引起潤(rùn)滑油泵的中間活塞發(fā)生轉(zhuǎn)換。中間活塞向四個(gè)靜態(tài)傳遞活塞的反方向運(yùn)動(dòng)。預(yù)先設(shè)定潤(rùn)滑油的油量，之后通過(guò)控制活塞上的控制油槽傳送到潤(rùn)滑油泵上的所有供油出口。在那里，潤(rùn)滑油被動(dòng)態(tài)計(jì)量并在高壓下送到所指定的潤(rùn)滑油注油器中。同時(shí)轉(zhuǎn)換操作，中間活塞的另一邊充滿了潤(rùn)滑油，當(dāng)二位四通電磁閥開(kāi)關(guān)重復(fù)一次，預(yù)先設(shè)定劑量的潤(rùn)滑油再次計(jì)量送到泵所指定的潤(rùn)滑油注油器中，中間活塞隨后回到初始位置。

4 W-X35/40柴油機(jī)上的新一代電子脈沖潤(rùn)滑系統(tǒng)的新特點(diǎn)

整個(gè)工作過(guò)程由新一代柴油機(jī)控制系統(tǒng)“UNIC系統(tǒng)”控制。UNIC控制系統(tǒng)是一款嵌入式柴油機(jī)控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用模塊模塊化設(shè)計(jì)。UNIC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮了苛刻的主機(jī)使用環(huán)境，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中專(zhuān)門(mén)對(duì)使用溫度和振動(dòng)耐久性做了努力。兩塊機(jī)旁顯示單元LDU-20，一塊安裝在自由端機(jī)旁操縱箱，另一塊安裝在集控室。至外部推進(jìn)控制系統(tǒng)和船舶報(bào)警和檢測(cè)系統(tǒng)使用可靠的總線技術(shù)，外部系統(tǒng)充當(dāng)人機(jī)交換界面。UNIC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是這樣的，一塊氣缸控制模塊（CCM-20）控制一個(gè)氣缸，當(dāng)一塊CCM-20模塊、電磁閥或壓力傳感器發(fā)生故障時(shí)，UNIC手動(dòng)控制板上會(huì)有故障指示。故障信息也會(huì)傳到報(bào)警和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。一塊CCM-20模塊或電磁閥發(fā)生故障時(shí)，柴油機(jī)將降低輸出功率（減速運(yùn)行）。

采用最新的CLU-5氣缸潤(rùn)滑技術(shù)。在RTA柴油機(jī)上，從液壓機(jī)械控制的CLU-1氣缸潤(rùn)滑技術(shù)，到后來(lái)以電子控制形式的CLU-3氣缸潤(rùn)滑技術(shù)，無(wú)不都是利用蓄壓注油器和掃氣壓力之間的壓力差，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)每缸的注油器向氣缸壁油槽注入潤(rùn)滑油以達(dá)到潤(rùn)滑的目的。在RT-flex柴油機(jī)上，采用CLU-4和CLU-4C的電子脈沖氣缸潤(rùn)滑技術(shù)，摒棄了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了氣缸潤(rùn)滑模塊化設(shè)計(jì)，利用脈沖功能，精確噴油定時(shí)和精確噴油量，改進(jìn)了氣缸壁表面潤(rùn)滑油的分布狀態(tài)和氣缸潤(rùn)滑特性。W-X35/40柴油機(jī)上采用的新一代CLU-5氣缸潤(rùn)滑技術(shù)，是對(duì)電子脈沖氣缸潤(rùn)滑技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化。無(wú)論CLU-4還是CLU-4C，工作動(dòng)力都來(lái)自于伺服油，都帶有一個(gè)蓄壓器，用以避免伺服油管壓力油較大的波動(dòng)，保持伺服油壓力穩(wěn)定。蓄壓器充滿一定壓力的氮?dú)?，在起?dòng)蓄壓器后一周內(nèi)，至少檢查一次充氣壓力，三個(gè)月后再檢查一次，并建議每三個(gè)月檢查一次。在每次檢查過(guò)程中少量的氣體可能泄放到大氣中，因此，檢查前必須準(zhǔn)備一個(gè)氮?dú)馄?，以便于補(bǔ)充可能的氣體流失。而CLU-5潤(rùn)滑油泵不是依靠伺服油來(lái)驅(qū)動(dòng)，供油泵將潤(rùn)滑油加壓到大約50bar，當(dāng)柴油機(jī)控制系統(tǒng)UNIC 發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)時(shí)，潤(rùn)滑油就會(huì)驅(qū)動(dòng)CLU-5潤(rùn)滑油泵。所有潤(rùn)滑油泵都被連接到供油管，供油管不斷地預(yù)緊，充當(dāng)外部的蓄壓器并向潤(rùn)滑油泵提供驅(qū)動(dòng)需要的液壓，安全閥用于調(diào)節(jié)需要的運(yùn)行壓力。因此，CLU-5不需要蓄壓器，也不需要連接伺服油管，整個(gè)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔，這就省去了對(duì)蓄壓器定期檢查的維護(hù)工作，也避免了運(yùn)行過(guò)程中因蓄壓器壓漏氣而影響氣缸潤(rùn)滑的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 CLU-4、CLU-4C和CLU-5的實(shí)物圖

圖3為可靠的高壓供油單元。供油單元中的兩個(gè)高壓齒輪泵互為備用，在正常運(yùn)行中，一個(gè)高壓泵提供必需的潤(rùn)滑油壓力。如果一個(gè)高壓泵有故障，另一個(gè)泵保證能驅(qū)動(dòng)潤(rùn)滑油泵必需的潤(rùn)滑油壓力，后者通過(guò)柴油機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到開(kāi)或關(guān)。如果沒(méi)有供油壓力或者供油壓力太低，相對(duì)應(yīng)的高壓泵必須選擇關(guān)閉，備用泵通過(guò)柴油機(jī)控制系統(tǒng)由壓力開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，供油泵潤(rùn)滑油進(jìn)口壓力低壓報(bào)警就會(huì)啟動(dòng)。安全閥保護(hù)潤(rùn)滑油系統(tǒng)抵抗過(guò)高的壓力，當(dāng)壓力大于60bar時(shí)安全閥就會(huì)打開(kāi)，潤(rùn)滑油就會(huì)通過(guò)回油管泄放壓力。濾器單元由一個(gè)雙聯(lián)濾器組成，其中的一個(gè)濾器作為備用，如在運(yùn)行中的一個(gè)濾器故障，可以不用停機(jī)直接更換過(guò)濾器。

圖3 高壓供油單元

新一代電子脈沖潤(rùn)滑系統(tǒng)可以靈活設(shè)定氣缸滑油注射定時(shí)至需要的曲柄轉(zhuǎn)角，進(jìn)而控制氣缸滑油分配。氣缸滑油可以垂直注射到活塞上部、下部和活塞環(huán)中間，也可徑向注射到氣缸壁上，這樣可以確保潤(rùn)滑油更好地分布在活塞的整個(gè)工作行程中，使活塞在整個(gè)工作過(guò)程中都得到良好的潤(rùn)滑作用。噴油時(shí)間取決于潤(rùn)滑油的垂直分布，潤(rùn)滑油注油器噴嘴上的噴射孔取決于滑油的徑向分布，如圖4示。

圖4 潤(rùn)滑油垂直噴射和潤(rùn)滑油徑向噴射圖示

良好的潤(rùn)滑油注油率。氣缸潤(rùn)滑油注油率的指導(dǎo)值降低到0.6g/kWh。潤(rùn)滑油供油量可在0g/kWh～10g/kWh調(diào)節(jié)，變化幅度為每次0.1g/kWh，這些調(diào)節(jié)可通過(guò)UNIC手動(dòng)控制面板來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。精確的注油率和噴油量，可減少潤(rùn)滑油的消耗，提高柴油機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

W?rtsil?最新一代W-X35/40系列柴油機(jī)上采用UNIC控制系統(tǒng)的新一代電子脈沖氣缸潤(rùn)滑系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)注油量、注油壓力和噴油定時(shí)的全共軌智能電子控制。噴油量可以隨著柴油機(jī)負(fù)荷而調(diào)節(jié)，氣缸潤(rùn)滑油注油率的指導(dǎo)值降低到0.6g/kWh，在既滿足柴油機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)特性的前提下，又可減少潤(rùn)滑油的消耗，提高柴油機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。新一代電子脈沖氣缸潤(rùn)滑系統(tǒng)必將成為氣缸潤(rùn)滑系統(tǒng)的主流之一。

[1] 孫建新. 船舶柴油機(jī)[M]. 北京: 人民交通出版社,2006.

[2] 李玉林. 脈沖氣缸潤(rùn)滑系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)[J]. 上海造船,2009 (2): 21-23.

[3] 賀玉海. 大型低速船用柴油機(jī)新型電控氣缸注油潤(rùn)滑系統(tǒng)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程, 2010 (4): 69-74.

New Generation of Electric Impulse Cylinder Lubrication System

LING Gang-yi, DENG Jian-xing
(Yuchai Marine Power Co., Ltd., Zhuhai 519175, China)

A new electronic control cylinder pulse lubricating system is introduced to W-X35/40 diesel engine，which is the latest model diesel engine in W?rtsil?. It uses the new UNIC control system and CLU-5 cylinder lubrication technology. While maintaining the good performance of the piston, the guideline values of the cylinder lubricating oil oiling rate are reduced to 0.6g/kWh, which can reduce the cylinder oil consumption and the running costs of diesel engine.

electronic pulse; lubrication system; UNIC control system; new features

U677

A

林剛毅（1984-），男，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師。主要從事船用低速柴油機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研究。