MAN B＆W電噴主機排氣閥油溫過高故障分析
2022年10月11日 19:10瀏覽：4654
在當前全球經濟低迷，航運市場極度不景氣的情況下，各大船東均將消減運營成本作為第一要務。另外，隨著國際海事組織 （IMO） 日益嚴苛的排放標準的實施，以及國際油價不穩定性和船舶的超大型化趨勢，對節能減排的要求逐漸成為船舶主機選擇的重要標志。為此，MAN B&W公司的 ME-C 型電噴主機在當今航運市場中逐步取代傳統的 MC-C 型主機。ME-C 型電噴主機的噴油、排氣、空氣分配、氣缸注油、調速等功能全部是由柴油機本身的電控系統進行控制。同傳統的 MC、MC-C 型主機相比優點很多，主要表現在油耗低、排放低、熱負荷均勻、操縱靈活等
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。ME-C 型主機新增以下部件：液壓動力單元（HPS）、液壓氣缸單元 （HCU）、柴油機控制單元 （ECU）、電控起動閥 （SAV）、起動與換向程序、電子調速功能、輔助鼓風機控制、電子燃油噴射型線 （EPIC）、排氣閥執行機構、曲軸位置傳感系統 （CPS）、電控 Alpha 注油器 （ALS）、機旁控制板 （LOP），系統還可安裝 PMI 系統及Co Cos-EDS 監控系統
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。ME-C 型電噴主機具備以下主要優點
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:
1） 通過電控控制噴油及排氣正時，柴油機在各種負荷情況下均能夠實現氣缸內的最佳燃燒效果；
2） 在各種負荷下，燃油噴射壓力和噴射率均可優化；
3） 提高燃燒效果，改善排放性能，有效降低 NOx 排放，實現無煙運行；
4） 機械傳動系統簡化，省去了凸輪軸，機械部件大大減少，便于維護；
5） 電
控實現精準正時，實現各缸熱負荷平衡優化；
6） 良好運行，合適的監控和故障診斷使維修周期延長；
10） 在主機的生命期內，用于控制燃油噴射，排氣閥開關和液壓動力單元 （HPS）、液壓氣缸單元 （HCU）、柴油機通訊控制單元 （E-ICU） 等各類軟件均可以升級優化。
雖然 ME-C 型電噴主機在節能減排等方面具有絕對優勢，但對于輪機人員也提出了更高的要求。本文以 MAN B&W 5G60ME-C9.2 型電噴主機為例，說明該電噴主機排氣閥結構和工作原理，并通過對該排氣閥液壓驅動油的油溫過高故障進行詳細的分析，以期對日后管理 MAN B&W5G60ME-C9.2 型電噴主機的輪機人員提供一定幫助。
1 MAN B&W 5G60ME-C9 型主機排氣閥結構及工作原理
MAN B&W 5G60ME-C9.2 型主機采用的是目前最先進的電噴高壓共軌技術，柴油機燃油的噴射、排氣閥的打開和關閉、換向啟動操作等都是由電控單元 ECU 控制完成的，并且主機允許的各參數都可以通過 Co Co S-EDS 系統進行實時在線監測，因此排氣閥的開啟定時、開啟行程以及關閉延遲時間等都可以進行在線監測。圖 1 為MAN B&W 5G60ME-C9.2 型主機排氣閥結構圖
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圖 1 MAN B&W 5G60ME-C9 型主機排氣閥結構
MAN B&W 5G60ME-C9 型主機安裝了 ME Tacho 系統，取代傳統機型的凸輪軸來采集和確認排氣閥開關定時、缸頭啟動閥定時、汽缸油注油定時，實現智能化控制柴油機的各種定時。在主機曲軸自由端安裝有 2 個曲軸旋轉編碼器
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,2個互為冗余。編碼器的作用是獲得第一缸的上止點位置，并將信號傳給電控單元 （ECU），當 E-CU 收到信號后，進行電腦計算處理，可以獲得排氣閥開啟定時，并將排氣閥開啟定時信號傳給液壓缸單元 （HCU）。液壓缸單元 （HCU） 主要執行燃油噴射、排氣閥啟閉以及氣缸注油潤滑等動作，其動作由主機電子控制單元 （ECU） 的程序精確控制
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。HCU 通過控制 FIVA 閥將啟閥高壓油連通到排氣閥促動器 （exhaust valve activator）下方，推動促動器活塞上行，此時，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閉。
圖 2 為主機排氣閥升程傳感器安裝位置照片和示意圖，左側為實物照片，右側為主機電腦控制系統中的示意圖。角度編碼器根據 1 缸上止點位置和主機發火順序，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閉，FIVA 閥將高壓液壓油連接到排氣閥促動器，實現對排氣閥升程的閉環控制。
圖 2 MAN B&W 5G60ME-C9 型主機排氣閥升程傳感器
ME-C 型主機每缸配備一套 FIVA 閥，液壓氣缸單元 （HCU） 對該閥進行全程控制，每個FIVA 閥控制該缸的噴油以及排氣閥的動作，FI-VA 閥的三大功能為：精準執行燃油噴射定時，并通過 FIVA 閥為燃油升壓器驅動油缸提供液壓動力；精準執行排氣閥定時，在排氣閥開啟和維持開啟的不同狀態，通過 FIVA 閥的控制，為排氣閥驅動油缸提供不同的驅動力；通過控制液壓動力油的流量，控制燃油噴射量的大小，以滿足主機的轉速、負荷以及油量之間保持穩定
[7,8]
。MAN B&W 5G60ME-C9.2 型主機的排氣閥打開和關閉的過程如下。
開閥準備。隨著主機的運行，在接近排氣閥開啟的曲軸轉角時，液壓氣缸單元 （HCU） 的輸出電流減小至 4～8 m A，線圈產生的磁力減小，FIVA 閥內部閥芯在彈簧作用力下回位，使主油路接通排氣閥驅動油缸，大流量液壓油進入驅動油缸，排氣閥開啟。同時接通燃油升壓器油缸回油，確保燃油升壓器不動作。
初始開閥。排氣閥初始開閥時，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入排氣閥驅動油缸，獲得最大的開閥動力，以克服開閥時氣缸內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,FIVA 閥主閥芯向右移動一個位移。主閥芯通道形成節流，維持少量的液壓油進入排氣閥驅動油缸，以克服彈簧空氣的彈力，維持排氣閥開啟狀態。此過程中油缸的滑油會有一小部分經節流閥流走，排氣閥也會有一個微小的關閉動作。
關閥階段。隨著主機的運行，曲軸旋轉，轉過排氣閥開閥的曲軸轉角時，液壓氣缸單元（HCU） 輸出電流又回到 8～12 m A, FIVA 閥主閥芯回到中位，接通排氣閥驅動油缸的回油油路，排氣閥關閉。
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行運輸作業。大管輪值班時巡視主機，由于天氣條件惡劣，船舶晃動加劇。大管輪在主機缸頭層檢查時，由于晃動，無意中用手扶了一下排氣閥的驅動高壓油管，發現主機2 缸和 5 缸的排氣閥驅動高壓油管溫度明顯高于其他缸，手摸上去發燙。大管輪無法立刻判斷出此故障原因，隨后通知輪機長一同討論分析故障原因。輪機長到達現場后用點溫
qiang測量排氣閥頂部溫度，發現 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，也能聽出這兩個缸跟其他缸聲音不一樣，確定這兩個缸存在故障。
當時分析該液壓油管溫度升高，可能的原因有以下幾點：
1） 故障缸燃燒不好導致排溫明顯高于其他缸，熱量傳遞排氣閥，經過排氣閥閥桿傳給滑油。但現場觀察排溫正常，故排除此項。
2） 排氣閥冷卻系統出現問題，導致排氣閥溫度過高，如冷卻水不足等原因也可能使排氣閥溫度升高
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，從而導致液壓油溫度升高。但現場觀察水溫、水壓均正常，故排除此項。
3） 排氣閥頂部油缸的活塞與油缸本體潤滑不好或者活塞環狀況不良，摩擦熱量大。
3 故障解決過程
對上面的可能原因，進行逐個排查，先簡單后復雜。前兩種可能性原因已經現場排除。由于現在主機在運行，無法拆檢排氣閥。到錨地后，大管輪組織對排氣閥的拆除，進行維護保養，著重檢查排氣閥頂部液壓油缸的活塞和活塞環，并未發現明顯異常。但是為了排除故障就把活塞環換新了。重新裝復排氣閥，跟船長協商在錨地進行試車，當主機轉速達到 HALF （一半） 時，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致，此種可能性排除。在輪機長的組織下，大管輪對該主機說明書進行研究，并根據現場分析可能的原因。由于 ME 主機有 MOP 電腦，可以查看很多參數。輪機長和大管輪調取了當時 6 個缸的HCU EVENTS，根據 HCU EVENTS 的曲線發現故障缸明顯異于其他 4 個缸。其中 HCU EVENTS可以在 MOP-B 電腦 MAINTENANCE 的子目錄TROUBLE SHOOTING 里可以找到；在主機運行時可以隨時手動抓取當時的曲線，也可以固定間隔時間，例如每月做 PERFORMANCE （性能）時抓取一次便于以后觀察對比。
另外，對該主機說明書進行研究發現，排氣閥頂部存在一個節流閥 （如圖 1 中的 C 所示），節流閥詳細結構如圖 3 所示。
節流閥在排氣閥頂部工作情況如圖 4 所示。驅動排氣閥打開的高壓油由高壓油管進入排氣閥頂部，油路分為 2 路，主油路驅動排氣閥閥桿，打開排氣閥；另外一路油經節流閥中間的小阻尼孔流入 C 空間，經泄油口回油。經分析，該節流閥阻尼孔的主要作用是卸荷作用。另外，該機構通過阻尼孔的孔徑對排氣閥的升程進行控制，孔徑變大，排氣閥升程變小 （卸荷作用增強）；孔徑變小，排氣閥升程變大。如果此節流閥堵塞會導致泄油不暢，排氣閥開啟后一直保持在最大升程位置，因此，也會導致排氣閥驅動液壓油反復壓縮而致使高壓管發熱。
通過調取當時 6 個缸的 HCU EVENTS，發現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 （圖 5-a 曲線），排氣閥打開后，會慢慢下降，即節流閥阻尼孔起作用；而故障缸的曲線 （圖 5-b 曲線），排氣閥打開后，升程保持不變，即節流閥阻尼孔未起作用。
因此，根據上述分析，可能節流閥堵塞導致排氣閥升程變大，高壓油溫度上升。大管輪即刻組織人員對故障缸的節流閥進行拆除，發現這兩個故障缸排氣閥上的節流閥堵塞。清通后試車故障現象消失，HCU EVENTS 也恢復正常。此節流閥的孔徑很小，堵塞物為微小的金屬磨粒物質，說明液壓系統里有磨損。問題解決后大管輪將液壓油的反沖濾器解體清潔。根據本次故障現象以及解決過程的分析，筆者認為，陳明興所訴在管理 ME-C 型主機過程中遇到的故障與本次故障現象有相同之處，ME-C 型主機排氣閥行程報警應該與該節流閥堵塞有一定關系
[10]
。
4 結論
本次故障的排除，為公司節約了更換排氣閥的成本，保證主機的正常運行。HCU EVENTS 正常的排氣閥曲線在開啟后應該有一個稍微傾斜向下的趨勢，是因為節流閥會卸荷掉一部分高壓油，以防止排氣閥升程過大。ME-C 型主機伺服液壓油引用 10%的主機系統滑油，經過濾器過濾（過 濾 精 度 6 μ） 后 ， 進 入 液 壓 動 力 單 元（HPS）。因此要特別加強滑油的管理，一旦主機系統滑油產生變質，液壓元件易損壞，嚴重時會造成主機無法正常工作。因此，建議輪機管理人員注意以下幾點：
1） 在船舶航行過程中，遇故障時，應根據說明書，將故障部位的結構和工作原理搞明白，然后再進行有目的的拆解，可收到“事半功倍”的效果。經過故障現象和故障解決過程，以及對主機說明書的分析，ME-C 型主機排氣閥上方的節流閥的主要作用是卸荷作用，以防止排氣閥升程過大。
2） 在排氣閥的維護保養和拆裝過程中，以及主機滑油系統拆裝過程中一定要根據說明書要求進行沖洗，注意保持清潔，以防止污染物進入滑油系統。主機滑油定期進行送岸化驗，確保滑油的質量，包括濾器前后取樣化驗，確保精濾器的效用。
3) ME 機型都配有 Co Co S-EDS 系統和 MOP電腦，智能程度都很高，主機所有參數和運行狀況都能從這兩臺電腦里看到，比如案例里提到的HCU EVENTS，這個要定期保存以便以后觀察對比。不同的工況下，定期保存 HUC EVEN 和 HPS EVEN，以方便出現故障時分析對比，建議輪機管理人員加強對 Co Co S-EDS 和 MOP 的學習。
[1]馬志超.MAN B&W電噴主機排氣閥油溫過高故障分析[J].船舶職業教育,2022,10(01):47-51.
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