船舶大型低速柴油機VIT機構研究

劉建安

（福建船政交通職業(yè)學院，福州 350007）

0 引言

船舶大型低速二沖程柴油機的VIT機構是“可變噴油定時調(diào)節(jié)系統(tǒng)”的英文名“Variable Injection Timing Control System”的縮寫。如今，船舶柴油機制造廠商中比較主流的廠家，如 MAN B&W 和MITSUBISHI等，在設計和制造大型低速柴油機時，都采用了這種可變噴油定時調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能根據(jù)柴油機的負荷變化自動調(diào)節(jié)回油孔式高壓油泵的供油提前角，使得柴油機在部分負荷運行時仍可以獲得盡可能高的——接近標定值的最高爆發(fā)壓力，從而改善部分負荷下的經(jīng)濟性，在目前燃油費用占航運企業(yè)營運成本的比例越來越高的情況下，產(chǎn)生相當?shù)慕?jīng)濟效益。同時，在柴油機高負荷運轉(zhuǎn)時又能控制最高爆發(fā)壓力，使之不超過標定爆壓，實現(xiàn)對柴油機機械強度的限制保護。由于VIT機構在柴油機的性能發(fā)揮中起著重要的作用，本文在此對船舶大型低速二沖程柴油機 VIT機構的功能調(diào)整、故障處理和維護管理方面的技術進行研究探討，以供廣大同行們參考。

1 VIT機構的組成結(jié)構、控制原理、調(diào)節(jié)特性和功能整定

船舶大型低速二沖程回油孔式高壓油泵柴油機的VIT系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 船舶柴油機VIT機構系統(tǒng)原理圖

1.1 VIT機構的組成結(jié)構和控制原理[1]

此類型的VIT控制系統(tǒng)以主流的船舶大型低速二沖程柴油機MAN B&W機型為代表，主要組成結(jié)構包括高壓油泵系統(tǒng)（含泵體底部的油量和定時調(diào)節(jié)系統(tǒng)）、調(diào)節(jié)伺服器（也稱位置伺服器）、中間反饋傳動調(diào)節(jié)系統(tǒng)（原理圖中包含調(diào)速器的輸出調(diào)節(jié)軸Z、鎖緊螺栓S、VIT的位置調(diào)節(jié)桿A、調(diào)節(jié)臂B、連接銷C、位置傳感器E（有的參考資料也稱負荷傳感器）、調(diào)壓閥D、調(diào)節(jié)支點F1和F2、一對位置調(diào)整螺栓H和鎖緊螺母G）。

高壓油泵的泵體底部裝有兩根調(diào)節(jié)齒條，位于上方的一根起供油定時調(diào)節(jié)作用（圖1中與調(diào)節(jié)伺服器相連），位于下方的另一根是與調(diào)速器輸出軸相連起油量調(diào)節(jié)作用（圖1中沒畫出），油泵的套筒下部有梯形外螺紋，與定時齒圈上部的梯形內(nèi)螺紋相配，定時齒圈的外部又與定時調(diào)節(jié)齒條相嚙合，當齒條拉動時，齒圈通過螺旋副可使套筒上下移動，從而改變套筒與柱塞的相對位置，從而改變噴油定時。位置伺服器其實是個氣動執(zhí)行元件，其內(nèi)部的活塞桿通過定時調(diào)節(jié)桿與供油定時齒條相連接，接受來自于位置傳感器的控制信號。位置傳感器由調(diào)速器的輸出調(diào)節(jié)軸Z進行控制，當柴油機負荷變化時，調(diào)速器輸出調(diào)節(jié)軸Z一方面通過傳動桿直接拉動油量調(diào)節(jié)齒條改變供油量，同時，通過原理圖所示的傳動裝置——包含調(diào)速器的輸出調(diào)節(jié)軸Z、鎖緊螺栓S、VIT的位置調(diào)節(jié)桿A、調(diào)節(jié)臂B和連接銷C，改變位置傳感器E，以控制輸出到位置伺服器的控制信號的壓力，改變其內(nèi)活塞的位置，從而拉動定時齒條達到調(diào)節(jié)供油定時，最終達到利用加大噴油提前角的手段提高最大爆發(fā)壓力的目的。各個缸的VIT位置伺服器都是由來自調(diào)壓閥D的輸出控制氣壓信號控制的。

調(diào)節(jié)伺服器的輸入端和位置傳感器E及調(diào)壓閥D的輸出端之間有個節(jié)流止回裝置，它的作用是：一方面防止VIT系統(tǒng)調(diào)節(jié)過于靈敏；另一方面是防止柴油機高負荷時突減時，來自位置傳感器的控制信號即控制壓力大幅突增，從而引起爆壓超限。

1.2 VIT機構的調(diào)節(jié)特性分析和功能整定

此類VIT機構的根本技術手段就是在選定的某柴油機負荷區(qū)間內(nèi)（例如50%~85%，這里 50%負荷點稱為VIT起始點，85%負荷點稱為臨界點，某些參考書也稱之為break point），使柴油機最大爆發(fā)壓力Pmax隨負荷增加逐漸達到允許的Pmax最大值，當負荷高于臨界點時，使Pmax不再隨負荷增大而增大，保持在允許的最大值上。

圖2 船舶柴油機VIT機構負荷控制原理圖

1.2.1 柴油機VIT系統(tǒng)負荷控制的三個階段[2]

1）柴油機VIT系統(tǒng)無動作階段：即柴油機負荷位于0~50%的階段，在此階段中，圖1中位置調(diào)節(jié)桿A遠離調(diào)壓閥D上的位置傳感器E（即圖2中負荷傳感器），調(diào)壓閥D輸出的控制壓力為零，調(diào)節(jié)伺服器不動作（圖2(a)）。

2）柴油機VIT系統(tǒng)開始動作階段：此階段，柴油機負荷增加到50%左右時，圖1中位置調(diào)節(jié)桿A開始觸及到調(diào)壓閥D上的位置傳感器E，當二者接觸時，調(diào)壓閥D的輸出控制壓力達到某一設定值（如MAN B&W機型的SUPER VIT系統(tǒng)的值設定為0.05MPa），此時的負荷為VIT調(diào)節(jié)的始點，而后隨著柴油機負荷的增加，位置調(diào)節(jié)桿A進一步觸壓調(diào)壓閥D上的位置傳感器E，使調(diào)壓閥D的輸出控制壓力繼續(xù)增加，VIT調(diào)節(jié)伺服器進一步動作改變高壓油泵調(diào)節(jié)齒條的位置，其套筒上移，使噴油提前角提前，最大爆發(fā)壓力Pmax持續(xù)增大（圖2(b)）。

3）柴油機VIT系統(tǒng)保持Pmax設定值不變階段：當柴油機負荷增加到85%左右時，即此時柴油機的最大爆發(fā)壓力達到柴油機預定的設定壓力Pmax，這時圖1中的位置調(diào)節(jié)桿A與支點F1和F2（即圖2中的限位A和B）同時接觸，位置傳感器E（即圖2中的負荷傳感器）的壓入量達到最大值，即調(diào)壓閥D的輸出控制壓力達到最大值。當柴油機負荷從85%繼續(xù)增加時，位置調(diào)節(jié)桿 A繞支點 F1（圖 2中為限位A）轉(zhuǎn)動，從而位置傳感器E（即圖2中的負荷傳感器）的壓入量減少，調(diào)壓閥D的輸出控制壓力相應降低，使VIT調(diào)節(jié)伺服器動作延遲噴油提前角，以保持柴油機的最大爆發(fā)壓力Pmax不變。

1.2.2 柴油機VIT系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性分析和功能整定

柴油機VIT系統(tǒng)的功能整定實質(zhì)就是整定在柴油機負荷50%左右時的作用起始點值、柴油機負荷85%左右的臨界點值和最大爆發(fā)壓力Pmax設定值這三個參數(shù)[3]。

1）柴油機VIT系統(tǒng)的單缸調(diào)節(jié)方法

主要是調(diào)整柴油機該缸的VIT齒條的位置或者是調(diào)整VIT調(diào)節(jié)伺服器（即位置伺服器）的位置，如圖1所示，改變該缸的高壓油泵VIT齒條與調(diào)節(jié)伺服器之間的傳動桿的長度，即改變該缸的噴油定時。一般情況下，柴油機在確定了油頭、氣缸密封狀況、增壓系統(tǒng)良好的前提下，由于單缸高壓油泵的磨損造成爆發(fā)壓力和負荷關系發(fā)生變化，此時可以進行柴油機VIT系統(tǒng)的單缸整定。

2）柴油機VIT系統(tǒng)的整機調(diào)節(jié)方法

在柴油機的使用過程中，由于該機高壓油泵的柱塞偶件長期整體磨損或使用的燃油品質(zhì)發(fā)生了較大變化等情況，從而造成整機爆發(fā)壓力和負荷關系較大的變化，此時，有必要進行柴油機VIT系統(tǒng)的整機調(diào)節(jié)。

（1）調(diào)節(jié)柴油機VIT系統(tǒng)的起始點值——調(diào)節(jié)支點F2（圖1）

一般情況下，柴油機VIT系統(tǒng)的起始點值設定在50%負荷附近，當柴油機由于某種原因（如調(diào)節(jié)臨界點值或最大爆壓值）發(fā)生起始點值改變，可以調(diào)整F2支點的位置，重新設定VIT系統(tǒng)的起始點值。首先松開F2上的鎖緊螺栓，推動支點F2移動：當F2向左邊移動時，VIT系統(tǒng)的起始點值增大（即往大于50%負荷的方向變化）；當F2向右邊移動時，VIT系統(tǒng)的起始點值減?。赐∮?0%負荷的方向變化）。調(diào)整結(jié)束后重新鎖緊鎖緊螺栓，防止松動。

（2）調(diào)節(jié)柴油機VIT系統(tǒng)的臨界點值——調(diào)節(jié)位置調(diào)節(jié)桿A的初始位置（圖1）

當柴油機由于某種原因發(fā)生臨界點值改變時，可以調(diào)整位置調(diào)節(jié)桿A的位置。首先松開調(diào)節(jié)臂B上的鎖緊螺栓S，然后推動調(diào)節(jié)臂B和位置調(diào)節(jié)桿A使其繞調(diào)速器輸出調(diào)節(jié)軸Z轉(zhuǎn)動，同時注意觀察A與支點F1、F2的相對位置（在臨界點承載負荷時，A應與F1和F2同時接觸）。若順時針轉(zhuǎn)動位置調(diào)節(jié)桿A，則臨界點值增大（即往大于85%負荷的方向變化），此時柴油機的最大爆發(fā)壓力 Pmax和VIT起始點值也都相應的有所增大，但是在柴油機50%~85%負荷區(qū)間內(nèi)的爆發(fā)壓力隨負荷變化的比例系數(shù)不變。反之如果逆時針轉(zhuǎn)動位置調(diào)節(jié)桿A，則臨界點值減小（即往小于85%負荷的方向變化），此時，柴油機的最大爆發(fā)壓力Pmax和VIT起始點值也都相應的有所減小，但是在柴油機50%~85%負荷區(qū)間內(nèi)的爆發(fā)壓力隨負荷變化的比例系數(shù)也仍然不變。調(diào)節(jié)結(jié)束后將鎖緊螺栓S鎖緊[4]。

值得注意的是，此時還必須重新調(diào)整柴油機的最大爆發(fā)壓力Pmax和VIT起始點值。

（3）調(diào)節(jié)柴油機VIT系統(tǒng)的最大爆發(fā)壓力Pmax值——調(diào)節(jié)調(diào)壓閥D和位置調(diào)節(jié)桿A的相對位置（圖1）

當柴油機在臨界點到 100%負荷區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)最大爆發(fā)壓力大于或小于設定的Pmax值時，常用此方法進行調(diào)節(jié)。首先松開在滑動槽中的一對鎖緊螺栓G，然后調(diào)整調(diào)節(jié)螺栓H。當調(diào)壓閥D遠離位置調(diào)節(jié)桿A時，使柴油機的噴油提前角減小，柴油機的最大爆發(fā)壓力Pmax設定值減小，注意到，同時柴油機的VIT起始點值有相應的增大（即往大于50%負荷的方向變化）。反之當調(diào)壓閥D靠近位置調(diào)節(jié)桿A時，使柴油機的噴油提前角增大，柴油機的最大爆發(fā)壓力Pmax設定值增大，同時柴油機的VIT起始點值有相應的減小（即往小于 50%負荷的方向變化）。調(diào)整結(jié)束后，再將鎖緊螺栓G鎖緊。

值得注意的是，此時還必須重新調(diào)整柴油機的VIT起始點值。

（4）調(diào)節(jié)柴油機 VIT系統(tǒng)的臨界點和100%MCR之間的爆發(fā)壓力值，使100%負荷處的爆發(fā)壓力等于設定最大Pmax——調(diào)節(jié)支點F1（圖1）

當柴油機由于使用了不同品質(zhì)的燃油或由于燃油泵磨損等原因造成柴油機爆發(fā)壓力高于或低于設定的最大Pmax時，此時可以調(diào)節(jié)支點F1。F1被調(diào)整時，VIT系統(tǒng)的起始點值和臨界點值不變，但在臨界點到 100%負荷范圍內(nèi)的爆壓隨負荷變化而變化。首先松開F1上的鎖緊螺栓，推動支點F1移動：當F1向左邊移動時，在臨界點到100%負荷范圍內(nèi)的爆壓隨負荷增加而增加；當 F1向右邊移動時，在臨界點到 100%負荷范圍內(nèi)的爆壓隨負荷增加而減少。調(diào)整結(jié)束后重新鎖緊鎖緊螺栓，防止松動。

綜合以上的技術分析，對柴油機VIT系統(tǒng)的整機調(diào)節(jié)都是在柴油機的正常運轉(zhuǎn)過程中進行的，程序如下較為合理：

1）VIT系統(tǒng)起始點值調(diào)節(jié)——只需調(diào)整支點F2左右位置即可。

2）VIT系統(tǒng)臨界點值調(diào)節(jié)——首先調(diào)整位置調(diào)節(jié)桿A的位置，在將柴油機負荷調(diào)整到規(guī)定設定值如85%時，使位置調(diào)節(jié)桿A與支點F1和F2同時接觸，鎖緊鎖緊螺栓S。其次重新調(diào)整支點F1的左右位置，即重新整定柴油機的最大爆壓，直到Pmax達到說明書的要求。最后重新整定 F2的左右位置使VIT系統(tǒng)起始點值達到規(guī)定值（一般為50%負荷）

3）VIT系統(tǒng)最大爆壓值Pmax調(diào)節(jié)——將柴油機負荷分別調(diào)整到85%和100%，測量最大爆發(fā)壓力值，如果不符合說明書要求則需要進行調(diào)整。主要是調(diào)整調(diào)壓閥D和位置調(diào)節(jié)桿A的相對位置。首先，松開鎖緊螺栓G，調(diào)整調(diào)節(jié)螺栓H，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥D的位置，然后測量柴油機的最大爆壓，直到滿足說明書的要求。其次，重新整定 F2的左右位置使 VIT系統(tǒng)起始點值達到規(guī)定值（一般為 50%負荷），最后，檢查柴油機在臨界點到100%負荷之間，柴油機的爆發(fā)壓力是否保持不變或在允許的范圍內(nèi)變化，如果不符合要求，重新調(diào)整支點 F1的左右位置，即重新整定柴油機的最大爆壓，直到Pmax達到說明書的要求。

2 VIT機構常見故障的分析和處理

船舶柴油機在長期的使用過程中，除了由于高壓油泵長期運轉(zhuǎn)磨損或因為使用了不同品質(zhì)的燃油等原因需要定期進行 VIT系統(tǒng)功能檢查和調(diào)整之外，還較易出現(xiàn)以下一些故障：

1）柴油機高壓油泵定時齒條裝置故障。故障表現(xiàn)為在柴油機運行中，高壓油泵定時齒條不動作或動作不到位。故障原因一般為高壓油泵調(diào)節(jié)盤上的導向塊、導向桿、機械伺服閥件部位磨損過度導致各間隙值發(fā)生變化。裝置拆解并修復或更換備件，按說明書的要求調(diào)整各間隙值。

2）柴油機高壓油泵套筒不能歸位故障[5]。故障表現(xiàn)為在柴油機運行中，高負荷狀態(tài)下噴油提前角過大，爆壓超限而造成主機機械超負荷。原因是高壓油泵套筒頂部與上蓋之間的空間（該空間的容積是隨套筒的上下移動而改變）內(nèi)積聚的燃油因為泄油管堵塞無法排泄，阻礙套筒的移動，使套筒一直處于最低位置即噴油提前角最大的位置，此時爆壓最大，所以使柴油機在 0~100%負荷內(nèi)都以最大的噴油提前角噴油燃燒。建議加粗泄油管或加裝伴行加熱管防止燃油堵塞造成事故。

3）調(diào)節(jié)伺服器故障。故障表現(xiàn)為柴油機的VIT系統(tǒng)工作失靈，無論柴油機負荷怎樣變化，噴油提前角都不變。故障原因一般為內(nèi)部氣缸活塞密封裝置老化斷裂，或油缸柱塞磨損嚴重，或內(nèi)部單向閥關閉不嚴而泄漏從而使調(diào)節(jié)伺服器。設備拆解分析，針對不同的原因，修復或更換備件。

4）位置傳感器E和調(diào)壓閥D功能故障[6]。位置傳感器E較易出現(xiàn)觸壓接頭卡阻或動作遲滯的故障，而調(diào)壓閥D則較易出現(xiàn)內(nèi)部閥件閥芯卡死或密封圈失效或調(diào)壓彈簧斷裂造成其輸出控制壓力失靈，因而由于不同的故障原因會出現(xiàn)不同的故障現(xiàn)象，諸如VIT動作不到位、遲滯甚至失效等。此時，只能根據(jù)具體現(xiàn)象做具體分析，拆解檢查，修復或更換備件。

5）VIT機構的中間反饋傳動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中各部位松動失效。故障表現(xiàn)為在柴油機運行時VIT系統(tǒng)動作遲緩甚至失效，表現(xiàn)為整機VIT調(diào)節(jié)不靈敏，在設定的負荷區(qū)間內(nèi)無法有效提高柴油機爆發(fā)壓力。調(diào)節(jié)方法是針對不同的結(jié)構部位如調(diào)節(jié)桿、鎖緊螺栓等定期進行檢查維護，防止長期使用中螺栓松動或脫落，使VIT功能失效。

3 VIT機構維護管理技術和經(jīng)驗探討

根據(jù)自身多年的船上工作經(jīng)驗，在柴油機VIT機構的實際管理維護工作過程中總結(jié)出以下的一些技術要點和管理經(jīng)驗：

1）定期對柴油機VIT系統(tǒng)進行功能檢查和調(diào)整，特別是在柴油機長期運轉(zhuǎn)使用后，VIT機構的連接件運轉(zhuǎn)磨損、柴油機燃用油品質(zhì)變化、柴油機本身性能工況發(fā)生變化（如壓縮壓力降低、爆壓降低等），都需要對VIT系統(tǒng)重新進行調(diào)節(jié)，以改善柴油機工作狀況。

（1）定期檢查VIT機構的氣路和油路，工作的空氣壓力和油壓力滿足說明書要求，保持油路暢通，定期清洗濾器，及時消除泄漏。

（2）定期檢查各連接部件和閥件的接頭，各運動部件的活動部位和定時齒條，及時消除松動并加油潤滑。

（3）調(diào)節(jié)伺服器前有工作空氣管路上的潤滑裝置，應及時注滿潤滑油，保證伺服器的潤滑，防止工作中干磨。

（4）VIT系統(tǒng)的工作空氣閥和先導閥，主機完車后及時關閉，備車時及時打開。

2）目前，許多國內(nèi)航運企業(yè)為提高船舶的經(jīng)濟性，在不影響船期的前提下常降速航行以減少油耗（如主機選用60%左右的額定負荷時，航速降15%，但油耗降 40%）。但柴油機長期處于低負荷運行工況，會導致其燃燒惡化、磨損加劇和缸內(nèi)結(jié)炭嚴重，此時，可以通過對VIT系統(tǒng)進行適當?shù)恼{(diào)整，即適當使 VIT系統(tǒng)的動作提前，使柴油機在接近70%~75%額定功率時，爆發(fā)壓力接近額定最大Pmax，這樣可以起到改善柴油機上述惡劣工況和獲得一定經(jīng)濟節(jié)能的作用[7]。

4 結(jié)語

在船舶營運過程中，柴油機VIT機構的管理工作，是柴油機管理工作中的一個重點和難點，本文針對船舶大型低速柴油機VIT機構功能調(diào)整、故障處理和維護管理方面的一些技術和經(jīng)驗進行分析和總結(jié)，為廣大同行們在實際管理工作中提供借鑒。由于實際工作中柴油機VIT系統(tǒng)的運行隨柴油機工況變化更為復雜多變，為了船舶更加安全的營運和進一步提高經(jīng)濟效益，對柴油機VIT機構的技術研究這個課題值得廣大輪機研究和管理人員進行更深入的探析。

[1]黃少竹. 船舶柴油機[M]. 大連: 大連海事大學出版社, 2008.

[2]劉喜洋. 某型柴油主機 VIT系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)和維護的幾點認識[J]. 航海技術, 2012(02): 53-54.

[3]劉奕宏. 船舶主機VIT功能的檢修與調(diào)整[J]. 天津航海, 2012(01): 20, 53.

[4]俞振廷. 通過對 VIT機構的調(diào)節(jié)實現(xiàn)船舶節(jié)能的探索[J]. 航海技術, 2004(05): 49-51.

[5]蔡德清. 帶 VIT裝置的高壓油泵套筒不能歸位的危害和預防[J]. 航海技術, 2007(06): 56.

[6]張汝洪. 某輪 VIT故障導致主機單缸爆壓過高的處理[J]. 航海技術, 2007(03): 56-57.

[7]方適中. MITSUI B&W主機VIT機構工作原理及故障分析[J]. 航海技術, 2007(S1): 63-64.