电喷柴油机的常见故障及其应对措施

中波轮船股份公司近来建造投入营运的四艘三万载重吨重吊船 ,选择了型号为Sulzer 7RT2flex60C 的先进的电喷式柴油机作为船舶主机。

Sulzer RT2flex系列柴油机是自80年代以来发展Sulzer低速船用柴油机长远规划的结果。

它采用集中供油单元 (燃油和伺服油 )、燃油喷射共轨 ( common rail)和驱动排气阀的伺服压力油共轨系统、喷油控制单元和排气阀驱动单元、控制油系统、以及WECS-9500控制系统等,取代了传统Sulzer RTA 柴油机的高压油泵、排气阀驱动柱塞泵、凸轮轴及其定时齿轮传动装置、换向伺服马达、起动空气分配器等。

1.基本结构原理

基本结构原理如图1所示。

图1 系统基本结构原理

用于燃油喷射的共轨是一根分布在柴油机前部正好位于缸头平面底下的加压燃油总管。各缸喷油控制单元装于共轨之上并通过接管获得加压燃油。

伺服油共轨和其它管路与燃油共轨并行布置 ,并一起用共轨箱封装起来以防万一油管破漏时高压油喷出,打开共轨箱上面的盖板就能接近各管路。

2.燃油共轨

共轨中已加热的高压燃油 (通常1000 Bar)由供油单元供给。

供油单元有六个四冲程机常用的回油孔式高压油泵 (分两组由两个执行器调节供油量 ) ,由三凸角的凸轮驱动泵油,动力由柴油机驱动端通过齿轮传给其凸轮轴。

在起动前和起动时,燃油泵的执行器将油泵齿条拉到最大刻度。

一旦主机转动 (如冲车动作)共轨压力就被调到期望值 (约700Bar)。

共轨中的燃油通过各缸各自的喷油控制单元供给缸头上三个标准的液压启阀式喷油器。

喷油控制单元采用快速作用的Sulzer共轨阀 ,可调节燃油喷射时间 ,控制燃油喷量及调整油束的形状。

每个气缸盖上的三个喷油器可以通过编程进行分别控制,即正常负荷下一起工作,低负荷下只由两个或一个喷油器 (轮流)工作,例如:在Dead Slow转速每个喷油器工作20分钟,这样可减小缸套和活塞头的热应力。

Sulzer RT2flex燃油共轨系统的突出优点是: 

(1)精确的喷油量控制且具有燃油漏出保护; 

(2)可变的燃油喷射率和喷油压力的自动调节; 

(3)共轨和供油管中稳定的燃油压力;

(4)可单独控制和关闭某个喷油器。

3.伺服油共轨

排气阀的开/关操作与SulzerRTA型机的气阀操作基本相同,即靠液力将排气阀开启,由空气弹簧的气压力将阀关闭。

只不过现在的液力源来自具有200Bar压力的伺服油共轨,取代了原来的凸轮及柱塞泵。

伺服油由供油单元的三台液压泵提供,伺服油压力随柴油机负荷变化而变化,部分负荷时压力降低以适应相应的排气阀开启速度。

当柴油机停车时控制油系统向伺服油共轨提供约50巴压力油，电子控制的驱动单元能灵活机动地控制排气阀的开/关定时。

排气阀阀杆的升程由两个位置传感器检测后反馈给 WECS控制系统。

4.起动控制

气缸起动阀与SulzerRTA 型机用的起动阀大致相同,只不过现在由电子控制系统 (相应的气缸单元 )和快速作用的Sulzer共轨阀根据曲轴转角控制其启 /闭。

5. 控制油

200 Bar控制油系统向喷油控制单元提供工作油压。

因Sulzer喷射共轨阀需要辅助介质以获得快速反应和精确的喷油定时,不能用电磁力直接推动。

有两台控制油泵向该系统供油,一台工作一台备用。

6.曲轴转角

在曲轴的自由端装有两个独立的曲轴转角传感器 ,由曲轴通过带齿皮带带动。

它们产生的精确的曲轴转角数字信号被送到气缸电子单元,分辨率为0.1度,对柴油机的运行它们是绝对不可缺少的。至少其中一个必须工作,如果两个都坏了那么柴油机连应急运行都不可能。

“明月”轮一年多时间的营运,显示电喷柴油机具有如下优点:

油耗低,经济性好;调整方便,且控制精度高;起动换向性能好,操纵方便;较好的低速稳定性 (最低转速可低至10 r/min) ;燃油喷射压力较高且稳定,雾化质量好,整个转速范围内 (除临界转速外) 均能稳定运行并处于无烟工作状态;气缸及活塞头干净,维修保养周期长。

可是,电喷柴油机采用的大量电脑控制技术, 现在还不够成熟,性能不够稳定,可靠性欠佳。

据不完全统计,“明月”轮从1年半时间的运营期间,仅因故障而换备件的次数就不少于80次,且多次造成故障减速或停车,其中大多数故障出自电喷控制系统。

控制系统故障,有设备硬件和软件质量的原因, 也有管理经验不足的因素。

笔者曾在其中的“明月”轮工作,现将遇到的电喷柴油主机的常见故障予以简单介绍,仅供参考。

1.喷油控制单元的故障

喷油控制单元的故障率最高,集中表现为喷油量测量故障和喷油量测量柱塞运动阻滞。

目前已更换了十几次喷油量传感器和8个共轨电磁阀,整个单元也换新3个,解体检修1个。

（1）喷油量测量柱塞运动阻滞——柱塞不动,咬死在最大位置或不能返回

故障一出现,该缸的燃油就会被自动切断,继而使柴油机SLOW DOWN。

故障原因: 

一是该缸燃油共轨阀损坏, 二是该缸燃油共轨阀接线松动;

但大多是管理不善,燃油黏度大、杂质多,喷油量测量柱塞的油缸内外部温差过大, 喷油量传感器内部脏污等。

①燃油黏度大、杂质多 

例如,将污油柜的残油直接驳入燃油沉淀柜后, 就频繁出现这种故障。

可能是扫气箱放残柜和活塞底部放残柜的污油驳至污油柜,然后被驳到燃油沉淀柜,而分油机又很难将其中的碳渣分离干净,致使测量柱塞被卡死。

②喷油量测量柱塞的油缸内外部温差过大

观察发现,测量柱塞被卡住,往往在柴油机刚动车后几个小时内。

可以推断这种故障与喷油量测量柱塞的油缸内外部之间的温差有关。

喷油量测量柱塞与其油缸配合精密;外面是机舱温度,内部是燃油温度, 温差较大,冷缩热胀,可能增大了摩擦力。

所以要求: 

在柴油机动车前至少4小时开通共轨箱内的伴行加热蒸汽;

保持机舱温度在较高范围内,避免喷油单元内外温差太大;

当外界气温较低时,少开机舱风机 (特别是风口对着柴油机共轨的风机)。

现在“明月” 轮已将机舱左前1号风机改为抽风工况,并在柴油机前侧的机舱工作间门口加开吸风口,以调节机舱温度,避免冷风直吹共轨。

应急措施是,一旦喷油量测量柱塞咬死致使柴油机 SLOW DOWN,如果较长时间还不能恢复动作,应先停车并人为短暂地打开一下应急停车电磁控制阀, 试图让柱塞恢复动作,然后再检查共轨电磁阀动作和燃油黏度是否正常。

若这种故障频繁发生或操作应急停车阀后仍无法使柱塞恢复动作,就要更换整个喷油控制单元 (更换一个喷油控制单元一般需4个小时).。

③喷油量传感器内部脏污

喷油量传感器内部脏污和积碳也可能会引起这种故障。

测喷油量的柱塞,连接传感器是一根前后移动的小端轴,其移动距离就代表该缸的循环喷油量,喷油量传感器就是检测这根端轴的移动距离。

由于端轴轴封的漏油进入到传感器腔内后再泄放到漏油管,加上腔座又有蒸汽伴行加热,所以时间一长就会在腔座内造成积碳和蒸汽凝水变成污垢,使测量端轴移动偏斜,碰触导套,造成测量故障。

通过一年多来来的观察和试验,只要将通到喷油量测量单元传感器伴行管的蒸汽关掉,改善传感器腔座内的积碳和脏污情况,喷油量测量故障也就会较少发生。

由于喷油量传感器本身也是电子器件,在高温和高频振动环境中工作也容易产生误信号 ,所以我们定期对该传感器及其腔座进行清洁性检查,一发现问题就及时更换。

（2）喷油量测量单元故障

某缸喷油量测量单元故障,往往伴随着柴油机故障减速 (SLOW DOWN)。

因为该缸燃油被自动切断, 排温下降,各缸之间温差太大,使安全系统动作。

故障原因,是插在传感器的插孔上的喷油量测量元件的插脚又细又短,传感器抗振动性能不良。

出现这种故障时,先检查喷油量传感器的接线和插头。

因有时将插头拔出再插上,故障就消失,怀疑故障是由于插头松动所致。

开始时这种故障频繁发生,在传感器上用铁丝加固插头,效果还不错。大概八个月后,用厂家提供的新备件将插头连线全部换新后,这种故障仍有发生,再用铁丝固定,并继续要求厂家改进该接插件。

2. 曲轴转角传感器故障

曲轴转角传感器 ,装在柴油机的自由端,且由皮带驱动,受振动和侧推力的作用很容易损坏。

在不到一年半时间里已更换了八个。

下列故障时常会使主机 SLOW DOWN 或 SHUT DOWN: 

曲轴转角传感器1+2故障;

曲轴转角偏差,低 / 中 /高;

某缸喷油开始角故障;

某缸曲轴转角故障;

曲轴转角上止点偏移。

每台主机配有两个曲轴转角传感器,每一个都可以维持主机运转,所以若只有单个传感器故障且只有故障报警,可先不做处理,等船到港后再盘车检查,看是否接头或接线松动、皮带松弛、0度角偏移0度线或者传感器损坏。

若单个传感器故障且导致柴油机SLOW DOWN (有时还会导致柴油机工作无规律,且伴随着很吓人的声音) ,应先将柴油机停车 ,关闭控制系统电源,将有故障的传感器插头拔出,维持航行等到港后再做检查。

若两个传感器同时出现故障,柴油机必然会 SHUT DOWN。

这时只能停车更换。

一般情况下,一眼就能看出损坏的曲轴转角传感器。

通常是轴承损坏,皮带轮移位或卡住等。

有关专家分析认为是皮带拉力太大所致，将皮带拉力从设计的4.5kg减少到4.0kg后,至今运转情况正常。 

3.气缸电子单元 CLY-EU故障

气缸电子单元各有两块电子模板,装在各缸旁共轨箱下的铁箱中:

一块为气缸控制器板CCM;另一块为共轨阀驱动器板VDM。

它们工作在振动、高温、没有通风的环境,容易损坏。

到目前为止已更换了三块CCM板和十块 VDM板。

故障时,会出现柴油机SLOW DOWN。

曾出现: 

某气缸故障; 

某缸排气阀关闭太晚或没关闭; 

某缸排气阀打开太晚或没打开,等。

出现这些故障时,应先检查电源供应是否正常 (有时电源开关跳开或没合上)、接线是否完好、以及插头中插脚是否接触不良 (出现过 ,比较难查)。

一切都正常的话就只能将CCM板或VDM板更换了。

还有很多次在W9A显示屏上的On time injection 和On time return框中会显示 25.5ms的红色数字 (正常约 2ms)对柴油机工作没影响也没有警报,只要将VDM板更换就能恢复正常显示。

估计是检测共轨阀工作的反馈信号错误所致。

4.共轨油压管系的泄漏问题

燃油共轨油压通常是70MPa左右,滑油共轨油压也有20MPa,泄漏问题很难避免,至今不少于30 处。

可以说报警时常发生,但大多数情况对柴油机的工作没有造成影响,只要处理掉积油便可。

经常出现泄漏的地方有:

阀件的密封;

截止阀阀杆的密封;

管路接头;

管子接头焊接处;

管子弯头薄弱处;

喷油器前高压油管内管和接头等。

最严重的两次泄漏,出现在伺服油供油单元。 

由于伺服油分配块的闷板螺丝松动和油泵出口管螺丝断裂,造成大量滑油外漏,还需停车才能解决。

但较难判断和处理的是喷油系统泄漏。

系统中装有漏油收集柜和监测开关,但它所监测的是所有21根高压油管和7个喷油单元的总的泄漏。

正常时,有少量燃油从这些部件泄漏到漏油收集柜;泄漏量大于收集柜泄放孔的泄漏量时,监测开关才动作报警。

比较麻烦的是同时更换几个缸的喷油器后出现泄漏量增加,经常有报警,但又没有较明显的排气温差,很难判别。

当某缸的泄漏量大到使该缸的排温有明显降低时,由于排气温差大,柴油机安全系统会自 动使柴油机SLOW DOWN,则只需判断是喷油单元漏油还是高压油管漏油,以及哪一根高压油管漏油。

几乎所有的泄漏,都出现在喷油单元接头之后的部件。

随着工作时间的延长,将来喷油单元内漏就会使问题更难解决。

为了减少泄漏故障的发生,并尽快地消除泄漏, 航行时,坚持每天至少四次检查供油单元和共轨箱, 清除共轨箱内的积油以便及时发现和解决异常泄漏, 避免高压高温油喷出造成危险和损失;平时在主机低速运行时要特别注意各缸的排温,因低速运行时三个喷油器轮流工作,便于判断各个喷油器工况的好坏, 也便于判断那根高压油管出现泄漏的可能性最大。

拆装高压油管时,要特别小心,不要碰伤接触面,有伤的接触面要进行仔细研磨。

5.控制系统助手 (W9A)故障 

W9A是工业用的PC机,用于对柴油机控制系统的监测、趋向显示、参数设定、报警和记录、故障诊断等。

它独立于柴油机控制系统,没有它柴油机照样能工作,但对管理工作带来很多不便。

接船后, PC机故障已发生好几次,有3次更换PC机。

软件也存在问题,还在不断升级完善。

W9A曾经出现的故障有:

在显示屏上所有数字显示框均显示“####”;

操作无反应;

不停地依次显示将某数据写入某标签;

程序运行明显变慢 (指示灯闪烁很慢) ,有时甚至错乱造成柴油机无法工作。

END