MANB電噴主機(jī)排氣閥油溫過高故障分析

馬志超

天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院，天津 300350

在當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)低迷，航運(yùn)市場(chǎng)極度不景氣的情況下，各大船東均將消減運(yùn)營(yíng)成本作為第一要?jiǎng)?wù)。另外，隨著國(guó)際海事組織（IMO）日益嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，以及國(guó)際油價(jià)不穩(wěn)定性和船舶的超大型化趨勢(shì)，對(duì)節(jié)能減排的要求逐漸成為船舶主機(jī)選擇的重要標(biāo)志。為此，MANB&W公司的ME-C型電噴主機(jī)在當(dāng)今航運(yùn)市場(chǎng)中逐步取代傳統(tǒng)的MC-C型主機(jī)。ME-C型電噴主機(jī)的噴油、排氣、空氣分配、氣缸注油、調(diào)速等功能全部是由柴油機(jī)本身的電控系統(tǒng)進(jìn)行控制。同傳統(tǒng)的MC、MC-C型主機(jī)相比優(yōu)點(diǎn)很多，主要表現(xiàn)在油耗低、排放低、熱負(fù)荷均勻、操縱靈活等[1]。ME-C型主機(jī)新增以下部件：液壓動(dòng)力單元（HPS）、液壓氣缸單元（HCU）、柴油機(jī)控制單元（ECU）、電控起動(dòng)閥（SAV）、起動(dòng)與換向程序、電子調(diào)速功能、輔助鼓風(fēng)機(jī)控制、電子燃油噴射型線（EPIC）、排氣閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)、曲軸位置傳感系統(tǒng)（CPS）、電控Alpha注油器（ALS）、機(jī)旁控制板（LOP），系統(tǒng)還可安裝PMI系統(tǒng)及Co Co s-EDS監(jiān)控系統(tǒng)[2]。ME-C型電噴主機(jī)具備以下主要優(yōu)點(diǎn)[3]：

1）通過電控控制噴油及排氣正時(shí)，柴油機(jī)在各種負(fù)荷情況下均能夠?qū)崿F(xiàn)氣缸內(nèi)的最佳燃燒效果；

2）在各種負(fù)荷下，燃油噴射壓力和噴射率均可優(yōu)化；

3）提高燃燒效果，改善排放性能，有效降低NOx排放，實(shí)現(xiàn)無煙運(yùn)行；

4）機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化，省去了凸輪軸，機(jī)械部件大大減少，便于維護(hù)；

5）電控實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)正時(shí)，實(shí)現(xiàn)各缸熱負(fù)荷平衡優(yōu)化；

6）良好運(yùn)行，合適的監(jiān)控和故障診斷使維修周期延長(zhǎng)；

7）實(shí)現(xiàn)更低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行；

8）更好的加速、倒車、急停等操作性能；

9）Alpha注油系統(tǒng)集成的氣缸注油器系統(tǒng)；

10）在主機(jī)的生命期內(nèi)，用于控制燃油噴射，排氣閥開關(guān)和液壓動(dòng)力單元（HPS）、液壓氣缸單元（HCU）、柴油機(jī)通訊控制單元（EICU）等各類軟件均可以升級(jí)優(yōu)化。

雖然ME-C型電噴主機(jī)在節(jié)能減排等方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于輪機(jī)人員也提出了更高的要求。本文以MANB&W5G60ME-C9.2型電噴主機(jī)為例，說明該電噴主機(jī)排氣閥結(jié)構(gòu)和工作原理，并通過對(duì)該排氣閥液壓驅(qū)動(dòng)油的油溫過高故障進(jìn)行詳細(xì)的分析，以期對(duì)日后管理MANB&W 5G60ME-C9.2型電噴主機(jī)的輪機(jī)人員提供一定幫助。

1 MANB&W 5G60ME-C9型主機(jī)排氣閥結(jié)構(gòu)及工作原理

MANB&W 5G60ME-C9.2型主機(jī)采用的是目前最先進(jìn)的電噴高壓共軌技術(shù)，柴油機(jī)燃油的噴射、排氣閥的打開和關(guān)閉、換向啟動(dòng)操作等都是由電控單元ECU控制完成的，并且主機(jī)允許的各參數(shù)都可以通過Co Co S-EDS系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，因此排氣閥的開啟定時(shí)、開啟行程以及關(guān)閉延遲時(shí)間等都可以進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。圖1為MANB&W5G60ME-C9.2型主機(jī)排氣閥結(jié)構(gòu)圖[4]。

圖1 MANB&W 5G60ME-C9型主機(jī)排氣閥結(jié)構(gòu)

MANB&W 5G60ME-C9型主機(jī)安裝了METacho系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)機(jī)型的凸輪軸來采集和確認(rèn)排氣閥開關(guān)定時(shí)、缸頭啟動(dòng)閥定時(shí)、汽缸油注油定時(shí)，實(shí)現(xiàn)智能化控制柴油機(jī)的各種定時(shí)。在主機(jī)曲軸自由端安裝有2個(gè)曲軸旋轉(zhuǎn)編碼器[5]，2個(gè)互為冗余。編碼器的作用是獲得第一缸的上止點(diǎn)位置，并將信號(hào)傳給電控單元（ECU），當(dāng)ECU收到信號(hào)后，進(jìn)行電腦計(jì)算處理，可以獲得排氣閥開啟定時(shí)，并將排氣閥開啟定時(shí)信號(hào)傳給液壓缸單元（HCU）。液壓缸單元（HCU）主要執(zhí)行燃油噴射、排氣閥啟閉以及氣缸注油潤(rùn)滑等動(dòng)作，其動(dòng)作由主機(jī)電子控制單元（ECU）的程序精確控制[6]。HCU通過控制FIVA閥將啟閥高壓油連通到排氣閥促動(dòng)器（exhaust valve activator）下方，推動(dòng)促動(dòng)器活塞上行，此時(shí)，排氣閥上方形成高壓，排氣閥克服空氣彈簧力，排氣閥打開，排氣閥靠空氣彈簧關(guān)閉。

圖2為主機(jī)排氣閥升程傳感器安裝位置照片和示意圖，左側(cè)為實(shí)物照片，右側(cè)為主機(jī)電腦控制系統(tǒng)中的示意圖。角度編碼器根據(jù)1缸上止點(diǎn)位置和主機(jī)發(fā)火順序，確定各缸的曲軸位置，通過HCU控制FIVA閥來控制排氣閥開啟和關(guān)閉，F(xiàn)IVA閥將高壓液壓油連接到排氣閥促動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣閥升程的閉環(huán)控制。

圖2 MANB&W 5G60ME-C9型主機(jī)排氣閥升程傳感器

ME-C型主機(jī)每缸配備一套FIVA閥，液壓氣缸單元（HCU）對(duì)該閥進(jìn)行全程控制，每個(gè)FIVA閥控制該缸的噴油以及排氣閥的動(dòng)作，F(xiàn)IVA閥的三大功能為：精準(zhǔn)執(zhí)行燃油噴射定時(shí)，并通過FIVA閥為燃油升壓器驅(qū)動(dòng)油缸提供液壓動(dòng)力；精準(zhǔn)執(zhí)行排氣閥定時(shí)，在排氣閥開啟和維持開啟的不同狀態(tài)，通過FIVA閥的控制，為排氣閥驅(qū)動(dòng)油缸提供不同的驅(qū)動(dòng)力；通過控制液壓動(dòng)力油的流量，控制燃油噴射量的大小，以滿足主機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及油量之間保持穩(wěn)定[7-8]。MANB&W 5G60ME-C9.2型主機(jī)的排氣閥打開和關(guān)閉的過程如下。

開閥準(zhǔn)備。隨著主機(jī)的運(yùn)行，在接近排氣閥開啟的曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，液壓氣缸單元（HCU）的輸出電流減小至4～8 m A，線圈產(chǎn)生的磁力減小，F(xiàn)IVA閥內(nèi)部閥芯在彈簧作用力下回位，使主油路接通排氣閥驅(qū)動(dòng)油缸，大流量液壓油進(jìn)入驅(qū)動(dòng)油缸，排氣閥開啟。同時(shí)接通燃油升壓器油缸回油，確保燃油升壓器不動(dòng)作。

初始開閥。排氣閥初始開閥時(shí)，液壓氣缸單元（HCU）輸出的電流接近下限值4 m A，確保FIVA閥的主閥芯完全移到左端，液壓油以最大流量進(jìn)入排氣閥驅(qū)動(dòng)油缸，獲得最大的開閥動(dòng)力，以克服開閥時(shí)氣缸內(nèi)的壓力以及彈簧空氣的彈力。

維持開閥。開閥完成后，液壓氣缸單元（HCU）輸出的電流接近上限值8 m A，F(xiàn)IVA閥主閥芯向右移動(dòng)一個(gè)位移。主閥芯通道形成節(jié)流，維持少量的液壓油進(jìn)入排氣閥驅(qū)動(dòng)油缸，以克服彈簧空氣的彈力，維持排氣閥開啟狀態(tài)。此過程中油缸的滑油會(huì)有一小部分經(jīng)節(jié)流閥流走，排氣閥也會(huì)有一個(gè)微小的關(guān)閉動(dòng)作。

關(guān)閥階段。隨著主機(jī)的運(yùn)行，曲軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過排氣閥開閥的曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，液壓氣缸單元（HCU）輸出電流又回到8～12 m A，F(xiàn)IVA閥主閥芯回到中位，接通排氣閥驅(qū)動(dòng)油缸的回油油路，排氣閥關(guān)閉。

2 故障描述

2019年8月6日，皮拉圖斯輪從阿根廷港口到澳大利亞港口進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)。大管輪值班時(shí)巡視主機(jī)，由于天氣條件惡劣，船舶晃動(dòng)加劇。大管輪在主機(jī)缸頭層檢查時(shí)，由于晃動(dòng)，無意中用手扶了一下排氣閥的驅(qū)動(dòng)高壓油管，發(fā)現(xiàn)主機(jī)2缸和5缸的排氣閥驅(qū)動(dòng)高壓油管溫度明顯高于其他缸，手摸上去發(fā)燙。大管輪無法立刻判斷出此故障原因，隨后通知輪機(jī)長(zhǎng)一同討論分析故障原因。輪機(jī)長(zhǎng)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后用點(diǎn)溫槍測(cè)量排氣閥頂部溫度，發(fā)現(xiàn)2缸和5缸溫度比其他缸高10℃左右；用聽診器或者聽診棒聽排氣閥頂部的聲音，也能聽出這兩個(gè)缸跟其他缸聲音不一樣，確定這兩個(gè)缸存在故障。

當(dāng)時(shí)分析該液壓油管溫度升高，可能的原因有以下幾點(diǎn)：

1）故障缸燃燒不好導(dǎo)致排溫明顯高于其他缸，熱量傳遞排氣閥，經(jīng)過排氣閥閥桿傳給滑油。但現(xiàn)場(chǎng)觀察排溫正常，故排除此項(xiàng)。

2）排氣閥冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致排氣閥溫度過高，如冷卻水不足等原因也可能使排氣閥溫度升高[9]，從而導(dǎo)致液壓油溫度升高。但現(xiàn)場(chǎng)觀察水溫、水壓均正常，故排除此項(xiàng)。

3）排氣閥頂部油缸的活塞與油缸本體潤(rùn)滑不好或者活塞環(huán)狀況不良，摩擦熱量大。

3 故障解決過程

對(duì)上面的可能原因，進(jìn)行逐個(gè)排查，先簡(jiǎn)單后復(fù)雜。前兩種可能性原因已經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排除。由于現(xiàn)在主機(jī)在運(yùn)行，無法拆檢排氣閥。到錨地后，大管輪組織對(duì)排氣閥的拆除，進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，著重檢查排氣閥頂部液壓油缸的活塞和活塞環(huán)，并未發(fā)現(xiàn)明顯異常。但是為了排除故障就把活塞環(huán)換新了。重新裝復(fù)排氣閥，跟船長(zhǎng)協(xié)商在錨地進(jìn)行試車，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到HALF（一半）時(shí)，故障缸的油管溫度又高出其他缸，此故障仍然存在。說明此故障并不是油缸活塞摩擦導(dǎo)致，此種可能性排除。在輪機(jī)長(zhǎng)的組織下，大管輪對(duì)該主機(jī)說明書進(jìn)行研究，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析可能的原因。由于ME主機(jī)有MOP電腦，可以查看很多參數(shù)。輪機(jī)長(zhǎng)和大管輪調(diào)取了當(dāng)時(shí)6個(gè)缸的HCUEVENTS，根據(jù)HCUEVENTS的曲線發(fā)現(xiàn)故障缸明顯異于其他4個(gè)缸。其中HCUEVENTS可以在MOP-B電腦MAINTENANCE的子目錄TROUBLESHOOTING里可以找到；在主機(jī)運(yùn)行時(shí)可以隨時(shí)手動(dòng)抓取當(dāng)時(shí)的曲線，也可以固定間隔時(shí)間，例如每月做PERFORMANCE（性能）時(shí)抓取一次便于以后觀察對(duì)比。

另外，對(duì)該主機(jī)說明書進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，排氣閥頂部存在一個(gè)節(jié)流閥（如圖1中的C所示），節(jié)流閥詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 節(jié)流閥結(jié)構(gòu)

節(jié)流閥在排氣閥頂部工作情況如圖4所示。驅(qū)動(dòng)排氣閥打開的高壓油由高壓油管進(jìn)入排氣閥頂部，油路分為2路，主油路驅(qū)動(dòng)排氣閥閥桿，打開排氣閥；另外一路油經(jīng)節(jié)流閥中間的小阻尼孔流入C空間，經(jīng)泄油口回油。經(jīng)分析，該節(jié)流閥阻尼孔的主要作用是卸荷作用。另外，該機(jī)構(gòu)通過阻尼孔的孔徑對(duì)排氣閥的升程進(jìn)行控制，孔徑變大，排氣閥升程變?。ㄐ逗勺饔迷鰪?qiáng)）；孔徑變小，排氣閥升程變大。如果此節(jié)流閥堵塞會(huì)導(dǎo)致泄油不暢，排氣閥開啟后一直保持在最大升程位置，因此，也會(huì)導(dǎo)致排氣閥驅(qū)動(dòng)液壓油反復(fù)壓縮而致使高壓管發(fā)熱。

圖4 節(jié)流閥工作情況

通過調(diào)取當(dāng)時(shí)6個(gè)缸的HCUEVENTS，發(fā)現(xiàn)故障缸的曲線與正常工作缸的曲線存在差別，如圖5所示。正常工作時(shí)（圖5-a曲線），排氣閥打開后，會(huì)慢慢下降，即節(jié)流閥阻尼孔起作用；而故障缸的曲線（圖5-b曲線），排氣閥打開后，升程保持不變，即節(jié)流閥阻尼孔未起作用。

圖5 主機(jī)MOP中的排氣閥工作曲線

因此，根據(jù)上述分析，可能節(jié)流閥堵塞導(dǎo)致排氣閥升程變大，高壓油溫度上升。大管輪即刻組織人員對(duì)故障缸的節(jié)流閥進(jìn)行拆除，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)故障缸排氣閥上的節(jié)流閥堵塞。清通后試車故障現(xiàn)象消失，HCUEVENTS也恢復(fù)正常。此節(jié)流閥的孔徑很小，堵塞物為微小的金屬磨粒物質(zhì)，說明液壓系統(tǒng)里有磨損。問題解決后大管輪將液壓油的反沖濾器解體清潔。根據(jù)本次故障現(xiàn)象以及解決過程的分析，筆者認(rèn)為，陳明興所訴在管理ME-C型主機(jī)過程中遇到的故障與本次故障現(xiàn)象有相同之處，ME-C型主機(jī)排氣閥行程報(bào)警應(yīng)該與該節(jié)流閥堵塞有一定關(guān)系[10]。

4 結(jié)論

本次故障的排除，為公司節(jié)約了更換排氣閥的成本，保證主機(jī)的正常運(yùn)行。HCUEVENTS正常的排氣閥曲線在開啟后應(yīng)該有一個(gè)稍微傾斜向下的趨勢(shì)，是因?yàn)楣?jié)流閥會(huì)卸荷掉一部分高壓油，以防止排氣閥升程過大。ME-C型主機(jī)伺服液壓油引用10%的主機(jī)系統(tǒng)滑油，經(jīng)過濾器過濾（過濾精度6μ）后，進(jìn)入液壓動(dòng)力單元（HPS）。因此要特別加強(qiáng)滑油的管理，一旦主機(jī)系統(tǒng)滑油產(chǎn)生變質(zhì)，液壓元件易損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成主機(jī)無法正常工作。因此，建議輪機(jī)管理人員注意以下幾點(diǎn)：

1）在船舶航行過程中，遇故障時(shí)，應(yīng)根據(jù)說明書，將故障部位的結(jié)構(gòu)和工作原理搞明白，然后再進(jìn)行有目的的拆解，可收到“事半功倍”的效果。經(jīng)過故障現(xiàn)象和故障解決過程，以及對(duì)主機(jī)說明書的分析，ME-C型主機(jī)排氣閥上方的節(jié)流閥的主要作用是卸荷作用，以防止排氣閥升程過大。

2）在排氣閥的維護(hù)保養(yǎng)和拆裝過程中，以及主機(jī)滑油系統(tǒng)拆裝過程中一定要根據(jù)說明書要求進(jìn)行沖洗，注意保持清潔，以防止污染物進(jìn)入滑油系統(tǒng)。主機(jī)滑油定期進(jìn)行送岸化驗(yàn)，確?；偷馁|(zhì)量，包括濾器前后取樣化驗(yàn)，確保精濾器的效用。

3）ME 機(jī)型都配有CoCoS-EDS 系統(tǒng)和MOP電腦，智能程度都很高，主機(jī)所有參數(shù)和運(yùn)行狀況都能從這兩臺(tái)電腦里看到，比如案例里提到的HCUEVENTS，這個(gè)要定期保存以便以后觀察對(duì)比。不同的工況下，定期保存HUCEVEN和HPSEVEN，以方便出現(xiàn)故障時(shí)分析對(duì)比，建議輪機(jī)管理人員加強(qiáng)對(duì)CoCoS-EDS 和MOP的學(xué)習(xí)。