利用VCU的工作原理分析電噴主機(jī)排氣閥故障的探究

張國(guó)斌

摘 要：首先，通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的閱讀深入了解VCU的工作原理以及工作的過(guò)程，做出VCU的工作原理圖并用文字進(jìn)行解說(shuō);其次，了解何為電噴主機(jī)，區(qū)別電噴主機(jī)與尋常主機(jī)的不同，以及了解電噴主機(jī)特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn);再次，了解主機(jī)的排氣閥的作用和其工作的環(huán)境，必須深入地了解其出現(xiàn)故障的原因;最后，將學(xué)到的VCU工作原理運(yùn)用到實(shí)際中，找出并解決電噴主機(jī)的排氣閥故障。

關(guān)鍵詞：VCU的工作原理;電噴主機(jī);排氣閥

中圖分類(lèi)號(hào)：U644? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）03-0058-04

1研究目的和意義

主要研究目的是了解VCU的原理并用來(lái)排除電噴主機(jī)排氣閥存在的故障，保證排氣閥的正常開(kāi)啟和關(guān)閉，防止主機(jī)因排氣閥不能正常作業(yè)而致使主機(jī)無(wú)法正常啟動(dòng)的事件發(fā)生，保證船舶運(yùn)行以及船員人身的安全。讓進(jìn)行航運(yùn)的船員們了解到主機(jī)的排氣閥仍有可能存在著一些難以檢查明白的故障，特別是在一般的情況下排氣閥其中一部分的節(jié)流元件，起到祛除排氣閥驅(qū)動(dòng)油腔中混入的空氣、排氣閥關(guān)閉時(shí)阻尼緩沖作用、防止閥件過(guò)度交變敲擊等作用，由于節(jié)流元件滑油的流失，供給油管路會(huì)變得堵臟，當(dāng)排氣閥節(jié)流元件運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)管潤(rùn)滑油的一部分的損失，無(wú)法給予正常的補(bǔ)償，制動(dòng)管路中的仍有空氣存在，致使排氣閥無(wú)法正常工作[1]。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，運(yùn)用VCU的工作原理來(lái)分析并處理，便可以排解掉排氣閥臟堵的故障并使其恢復(fù)正常。

2 VCU工作原理

VCU是VALVE CONTROL UNIT的簡(jiǎn)寫(xiě)，即閥控單元。以WARTSILA6RT-FLEX-50主機(jī)的VCU的工作原理為例（見(jiàn)圖1）。當(dāng)主機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，此主機(jī)的油壓就會(huì)保持在120bar-200bar之間，此時(shí)排氣閥的開(kāi)關(guān)由WECS9520-CONTROL單元控制。每次排氣閥打開(kāi)的時(shí)候（見(jiàn)圖2），共軌閥的上部電磁閥就會(huì)因?yàn)槠潆姶啪€圈通電，由于電磁的作用于共軌閥，打開(kāi)上部導(dǎo)通，而與之連通的滑動(dòng)閥芯上部也跟著導(dǎo)通，從主機(jī)上獲得高壓液壓的伺服滑油就會(huì)驅(qū)動(dòng)工作活塞往上運(yùn)行，液壓油中的高壓會(huì)驅(qū)動(dòng)排氣閥油腔來(lái)打開(kāi)排氣閥。相反地，當(dāng)排氣閥關(guān)閉，共軌閥的下部電磁閥得電時(shí)，排氣閥驅(qū)動(dòng)油腔通過(guò)伺服油管放油，排氣閥就會(huì)在空氣彈簧的作用力下進(jìn)入關(guān)閉的狀態(tài)[1回油管有大概2bar-3bar的背壓（見(jiàn)圖1，共軌閥的節(jié)流元件會(huì)起背壓緩沖的作用），而還有另一路則有主伺服油通過(guò)止回閥，來(lái)供到VCU的執(zhí)行活塞排氣閥液壓油腔，補(bǔ)償每當(dāng)液壓油驅(qū)動(dòng)排氣閥開(kāi)啟時(shí)通過(guò)排氣閥上部節(jié)流孔溢流的潤(rùn)滑油。

3 故障主要因素

3.1排氣閥的工作條件

排氣閥是組成燃燒室的運(yùn)動(dòng)部件之一，由于其與燃燒產(chǎn)物直接接觸，因此排氣閥是在高溫高壓的狀態(tài)下工作的。特別是當(dāng)排氣閥開(kāi)啟時(shí)，其還要承受著高溫流動(dòng)氣體的腐蝕，其中包括著高溫腐蝕和低溫腐蝕。因而在主機(jī)運(yùn)行期間排氣閥的都處于高溫狀態(tài)，而高溫有可能會(huì)降低金屬材料的機(jī)械性能，改變材料的形狀;如若排氣閥的閥面密封不嚴(yán)時(shí)則會(huì)導(dǎo)致高溫高壓的燃?xì)鈴穆馓巹×夷Σ僚艢忾y使其溫度升高，從而導(dǎo)致漏氣加重，形成惡性循環(huán)。嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致主機(jī)停機(jī);排氣閥開(kāi)啟是電子控制單元通過(guò)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，閥座彈簧的作用力則是用來(lái)關(guān)閉排氣閥的，因此，在排氣閥不斷的啟閉的時(shí)候密封面錐面還承受著巨大的沖擊性交變載荷。當(dāng)排氣閥的密封面出現(xiàn)燒損時(shí)會(huì)造成密封面的接觸面積變小，使得密封面受力加大，導(dǎo)致接觸面的所承受沖擊性交變載荷急劇的增大。而早這種沖擊性交變載荷撞擊下，排氣閥的密封面由于受力不均勻容易使接觸面產(chǎn)生變形和嚴(yán)重的磨損。

由于當(dāng)今的油價(jià)不斷上漲，船東為了保證其利益，就會(huì)購(gòu)買(mǎi)更加劣質(zhì)的燃油，使得排氣閥的工作環(huán)境變得更加惡劣，加快著排氣閥的磨損和燒損;再加上輪機(jī)管理人員在日常管理上的一些不良的習(xí)慣讓排氣閥的壽命變得更短。因此，保證日常規(guī)范的管理以也成為了確保主機(jī)正常運(yùn)行的重要因素之一，

3.2排氣閥燒損

氣閥的閥盤(pán)錐面燒損是排氣閥常見(jiàn)故障之一。主要原因是由于氣閥錐面密封不嚴(yán)密導(dǎo)致燃油燃燒時(shí)高溫高壓燃燒產(chǎn)物從密封不嚴(yán)的地方泄漏到排氣管路中，而因?yàn)槿加腿紵a(chǎn)生高溫高壓燃燒產(chǎn)物不停的從漏氣的地方溢出，使閥盤(pán)的漏泄處的溫度不斷的升高，當(dāng)溫度達(dá)到一定的程度的時(shí)候，就會(huì)容易造成金屬材料被燒熔的現(xiàn)象。下面我們來(lái)分析造成排氣閥密封不良的原因有哪些：⑴由于閥盤(pán)不制造得不夠均勻以及材料的傳熱性能不良好等，還有排氣閥各個(gè)面的受熱面受熱和散熱的條件各不相同，使得排氣閥的閥盤(pán)出現(xiàn)熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)改變排氣閥閥盤(pán)的形狀甚至出現(xiàn)裂紋，影響排氣閥的密封性。⑵由于船舶主機(jī)燃用的燃油一般都是劣質(zhì)的燃油，燃燒產(chǎn)物中會(huì)含有一定的顆粒，而排氣閥密封錐面在工作溫度下硬度會(huì)有所降低，當(dāng)燃燒產(chǎn)物中的顆粒沉積密封錐面的時(shí)候，在氣閥的啟閉會(huì)產(chǎn)生沖擊性的交變負(fù)荷的撞擊下，使得密封面出現(xiàn)凹坑并貫穿閥面時(shí)，就會(huì)形成漏氣。

3.3 排氣閥高溫腐蝕

為了航行時(shí)候的經(jīng)濟(jì)性，船東在購(gòu)買(mǎi)燃油的時(shí)候一般都會(huì)選擇廉價(jià)的劣質(zhì)燃油，然而劣質(zhì)燃油中一般都會(huì)含有一定量的釩、硫等元素。當(dāng)劣質(zhì)燃油在燃燒室燃燒產(chǎn)物就會(huì)含有釩和硫等氧化物，這些氧化物彼此之間接觸后就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且這些氧化物還會(huì)和滑油中的鈣元素反應(yīng)，形成硫酸鈣等，在形成的這些氧化物中，由于硫酸鈣和釩酸鹽的熔點(diǎn)都比較低，而且具有強(qiáng)烈的腐蝕性。當(dāng)這些具有強(qiáng)烈腐蝕性的鹽類(lèi)隨著主機(jī)的排氣過(guò)程經(jīng)過(guò)排氣閥閥盤(pán)和閥盤(pán)錐面時(shí)，由于排氣閥的閥盤(pán)真處于高溫狀態(tài)，這些鹽類(lèi)在接觸到怕發(fā)閥盤(pán)和閥盤(pán)錐面時(shí)就會(huì)熔化并附著在上面，造成排氣閥的腐蝕形成蜂窩狀的凹痕。當(dāng)這些凹痕聯(lián)通的時(shí)候就會(huì)造成排氣閥密封不嚴(yán)而漏氣。上述腐蝕是高溫條件下產(chǎn)生的，所以稱(chēng)之為高溫腐蝕。這種高溫腐蝕有害元素中以釩的危害性為最大。

3.4閥盤(pán)與閥桿斷裂

在閥盤(pán)與閥桿的過(guò)渡圓角處和閥桿裝設(shè)卡塊的凹槽處，這些部位是應(yīng)力相對(duì)集中部位。當(dāng)應(yīng)力集中時(shí)，就會(huì)容易發(fā)生疲勞斷裂破壞[2]。造成斷裂的原因有：閥桿與導(dǎo)管的間隙過(guò)大;閥盤(pán)與閥座的變形使局部受力過(guò)大;氣閥間隙過(guò)大，敲擊嚴(yán)重疲勞破壞;氣閥機(jī)構(gòu)的振動(dòng)[2]。

3.5氣閥卡死

氣閥卡死主要是因?yàn)闅忾y的閥桿和導(dǎo)管之間因?yàn)殚g隙過(guò)小，當(dāng)受熱膨脹后二者間隙消失發(fā)生卡死現(xiàn)象。另一方面，當(dāng)閥桿發(fā)生彎曲變形時(shí)也會(huì)使閥桿卡死在導(dǎo)管中[2]。

3.6氣閥彈簧斷裂

氣閥彈簧本身的制作材料不好、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，制造時(shí)有缺陷，未按規(guī)定的要求正確的使用導(dǎo)致彈簧扭曲變形或達(dá)到疲勞極限均會(huì)導(dǎo)致斷裂。氣閥彈簧斷裂直接破壞柴油機(jī)正常工作，嚴(yán)重時(shí)，氣閥可能墜入汽缸[3]。

4 如何利用VCU的工作原理解決排氣閥故障

4.1分析故障現(xiàn)象

以某DOOSAN WARTSILA 7RT-flex680（非定速）柴油機(jī)為主機(jī)的新船在其試航工程中，主機(jī)以低于6%額定負(fù)荷時(shí)運(yùn)行出現(xiàn)的故障。 有時(shí)候主機(jī)中的其中一個(gè)氣缸的排氣閥出現(xiàn)不能正常關(guān)閉而報(bào)警，導(dǎo)致主機(jī)轉(zhuǎn)速降低的現(xiàn)象。主機(jī)停車(chē)一段時(shí)間（大概30s左右），然后按下故障的復(fù)位按鈕再啟動(dòng)主機(jī)，則故障就會(huì)消失;如果船舶正正處于風(fēng)浪中航行，主機(jī)不能停車(chē)，則等到船舶可以停車(chē)時(shí)再做處理。船舶正常航行時(shí)沒(méi)有其故障。

4.2分析排氣閥的結(jié)構(gòu)

排氣閥主要由緩沖器、雙頭活塞、測(cè)量錐塊、位置傳感器等組成。采用雙頭活塞不僅可以減少伺服油的容量，迅速打開(kāi)排氣閥，能夠讓廢氣排得更干凈，而且可以減緩排氣閥關(guān)閉向下的速度而降低排氣閥錐面與底座的交變性沖擊負(fù)荷，使排氣閥的維修周期變長(zhǎng)。采用位置傳感器能夠遠(yuǎn)程控制排氣閥的啟閉，為了工作的可靠性以及延長(zhǎng)使用壽命一般都會(huì)設(shè)置兩個(gè)位置傳感器，留一個(gè)備用?？諝鈴椈刹捎玫螐椈山M件來(lái)做為阻尼元件。采用這種彈簧組件能夠防止在排氣閥的開(kāi)啟的液壓作用力和關(guān)閉的彈簧作用力不平衡時(shí)排氣閥受損。

4.3分析故障點(diǎn)

首先了解此排氣閥動(dòng)作原理，然后在根據(jù)其工作原理來(lái)分析故障點(diǎn)可能在的地方。

第一種猜測(cè)故障是排氣閥的閥桿及導(dǎo)管發(fā)生卡阻。而據(jù)故障現(xiàn)象“主機(jī)停車(chē)一段時(shí)間（大概30s左右），然后再次啟動(dòng)主機(jī)，則故障就會(huì)消失，”即未對(duì)排氣閥進(jìn)行任何的檢修但其可以自動(dòng)恢復(fù)正常，所以這個(gè)猜測(cè)不成立。當(dāng)拆檢排氣閥使并未見(jiàn)到氣閥的閥桿及導(dǎo)管發(fā)生卡阻。

第二種猜測(cè)的故障是由于空氣彈簧已損壞，導(dǎo)致排氣閥不能夠及時(shí)關(guān)閉。據(jù)故障現(xiàn)象“主機(jī)停車(chē)一段時(shí)間（大概30s左右），然后再啟動(dòng)主機(jī)，則故障就會(huì)消失”，即未對(duì)排氣閥進(jìn)行任何的檢修但其可以自動(dòng)恢復(fù)正常，所以這個(gè)猜測(cè)也不成立。再后來(lái)拆檢排氣閥時(shí)空氣彈簧正常。

第三種猜測(cè)是由于補(bǔ)償油太多了，而回油節(jié)流孔太小來(lái)不及把全部的補(bǔ)償油完全進(jìn)行泄放掉，即驅(qū)動(dòng)排氣閥的高壓油不能全部泄壓，阻礙排氣閥關(guān)閉。這可以從故障現(xiàn)象“主機(jī)停車(chē)一段時(shí)間（大概30s左右），然后再啟動(dòng)主機(jī)，則故障就會(huì)消失”得到證實(shí)。主機(jī)停車(chē)一段時(shí)間后，節(jié)流孔會(huì)保持打開(kāi)狀態(tài)而多余的補(bǔ)償油就可以通過(guò)開(kāi)啟狀態(tài)的泄放孔泄放掉，控制開(kāi)啟排氣閥的液壓油的壓力降低下來(lái)，排氣閥上部的空氣彈簧擁有足夠的彈力克服液壓油的向上的壓力完成關(guān)閉排氣閥的動(dòng)作。由此確認(rèn)故障點(diǎn)是由于補(bǔ)償油油量過(guò)多，泄放孔不能夠及時(shí)的泄放多余的補(bǔ)償油而導(dǎo)致的。

4.4分析故障機(jī)理

做好拆解排氣閥VCU的準(zhǔn)備工作，然后對(duì)其進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償油有兩條管路可以進(jìn)行補(bǔ)償（見(jiàn)圖4）。認(rèn)真的分析VCU的工作原理，可發(fā)現(xiàn)伺服油是經(jīng)節(jié)流（見(jiàn)圖4左節(jié)流頭）進(jìn)人伺服機(jī)構(gòu)的。在查看主滑油系統(tǒng)的管路，發(fā)現(xiàn)主滑油經(jīng)單向閥滑油系統(tǒng)。

5總結(jié)

通過(guò)運(yùn)用VCU的工作原理以及排氣閥結(jié)構(gòu)的了解，通過(guò)VCU的工作原理認(rèn)真分析排氣閥故障并且找出發(fā)生故障的原因，排除故障，讓排氣閥恢復(fù)正常。而且于此事項(xiàng)為例，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)排氣閥管理的輪機(jī)人員要注意防止排氣閥再次出現(xiàn)此類(lèi)故障。本文首先了解何為VCU、電噴主機(jī)和排氣閥，并通過(guò)對(duì)VCU的工作原理、電噴主機(jī)的運(yùn)行原理和其優(yōu)缺方面以及排氣閥的常見(jiàn)故障及其原因進(jìn)行淺釋?zhuān)?jiǎn)單了解VCU的工作原理，深入了解電噴主機(jī)排氣閥的常見(jiàn)故障以及故障的原因，學(xué)會(huì)初步運(yùn)用VCU的工作原理進(jìn)行排除電噴主機(jī)排氣閥故障，確保不會(huì)因?yàn)榕艢忾y故障而影響主機(jī)的正常運(yùn)作。

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