林剛毅，鄧健星

（玉柴船舶動(dòng)力股份有限公司，珠海 519175）

新一代電子脈沖氣缸潤滑系統(tǒng)

林剛毅，鄧健星

（玉柴船舶動(dòng)力股份有限公司，珠海 519175）

介紹并分析了在W?rtsil?最新的W-X35/40系列柴油機(jī)上采用新一代電子控制的脈沖潤滑油系統(tǒng)，它由新一代柴油機(jī)控制系統(tǒng)UNIC來控制，采用最新型的CLU-5氣缸潤滑技術(shù)，在保持柴油機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)特性的同時(shí)，把氣缸潤滑油注油率的指導(dǎo)值降低到0.6g/kWh，減少了氣缸潤滑油的消耗，并降低了柴油機(jī)的運(yùn)行成本。

電子脈沖；潤滑系統(tǒng)；UNIC控制系統(tǒng)；新特點(diǎn)

0 引言

柴油機(jī)作為船舶的動(dòng)力裝置，其長期安全可靠地工作對于船舶運(yùn)行十分重要[1]。而氣缸套是船舶柴油機(jī)的重要零件之一，因其內(nèi)壁工作條件十分惡劣，如潤滑不足或潤滑不當(dāng)，將很易發(fā)生磨損，若發(fā)生磨損將直接影響氣缸套與活塞環(huán)之間的密封性能，對柴油機(jī)的啟動(dòng)、功率損耗、燃油和潤滑油的消耗、使用壽命以及排放等都有著重大的影響[2-3]。當(dāng)代柴油機(jī)正向高強(qiáng)度化、燃油劣質(zhì)化方向發(fā)展，燃用劣質(zhì)燃油所帶來的氣缸低溫腐蝕、固體顆粒磨損、積炭引起的活塞環(huán)粘著與氣口堵塞等問題，對氣缸潤滑提出了更加苛刻的要求。

隨國際市場原油價(jià)格的持續(xù)上漲，氣缸潤滑油的價(jià)格也在不斷上揚(yáng)。如何控制船舶柴油機(jī)氣缸滑油的消耗，減低船舶運(yùn)營成本，這已成為每家航運(yùn)企業(yè)非常關(guān)注的問題。經(jīng)世界多家公司計(jì)算，滑油成本約占主機(jī)整個(gè)維修保養(yǎng)成本的80%，而氣缸滑油成本又占主機(jī)滑油成本的90%以上，因此降低氣缸潤滑油的消耗，已成為繼節(jié)約燃油消耗之后，降低船舶運(yùn)營成本又一有效措施。

裝配在W?rtsil? W-X35/40系列柴油機(jī)上的最新一代電子脈沖氣缸潤滑系統(tǒng)，采用CLU-5氣缸潤滑技術(shù)，由新一代的柴油機(jī)控制系統(tǒng)“UNIC”控制，精確定時(shí)的潤滑噴射，可隨負(fù)荷變化而調(diào)節(jié)，在保持柴油機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)特性的同時(shí)，把氣缸潤滑油注油率的指導(dǎo)值降低到0.6g/kWh，減少氣缸潤滑油的消耗，以提高柴油機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

1 傳統(tǒng)機(jī)械式氣缸潤滑的技術(shù)缺陷

傳統(tǒng)機(jī)械式氣缸潤滑系統(tǒng)都是通過凸輪軸驅(qū)動(dòng)機(jī)械注油器來注油的，注油設(shè)備由注油器和注油頭組成，每缸設(shè)置一個(gè)，均由多個(gè)柱塞式油泵單元組成，各油泵單元分別將氣缸油經(jīng)氣缸周圍的注油頭供給各缸。這個(gè)注油器由鏈輪傳動(dòng)，帶動(dòng)注油器的凸輪軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由凸輪頂動(dòng)小柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且柱塞與活塞的運(yùn)動(dòng)是相對應(yīng)的，它的泵油頻率與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速同步，注油量的大小與主機(jī)轉(zhuǎn)速的變化成線性關(guān)系，它的注油量調(diào)節(jié)主要依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)每個(gè)注油小單元的柱塞行程來實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)注油壓力低，定時(shí)也比較粗放，且不能隨著柴油機(jī)的負(fù)荷變化而變化，往往從可靠性出發(fā)，根據(jù)最大負(fù)荷的需要再加上一定的系數(shù)確定噴油量，這就會(huì)使低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)柴油機(jī)的氣缸注油率偏大。過量的氣缸油，不僅浪費(fèi)了氣缸油，增加運(yùn)行成本，也增加了對環(huán)境的污染和污油處理的工作量和費(fèi)用，同時(shí)還造成活塞頂面、氣口、排氣閥處積炭，引起活塞環(huán)、排氣閥的粘著，氣流通道的不暢，多余氣缸油進(jìn)入活塞下部造成掃氣箱著火。

2 電子脈沖氣缸潤滑系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

電子脈沖氣缸潤滑系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)機(jī)械式的設(shè)計(jì)思想，采用電子共軌控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)全智能化控制，把傳感器、電磁閥及控制裝置有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)氣缸潤滑模塊化設(shè)計(jì)，利用脈沖功能以精確的噴射定時(shí)和精確計(jì)量的噴射劑量向氣缸壁表面噴射潤滑油，優(yōu)化和改進(jìn)了氣缸壁表面潤滑油的分布狀態(tài)和氣缸潤滑特性，精確注油率，從而減少了氣缸潤滑油的消耗。新一代電子脈沖氣缸潤滑系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)機(jī)械式注油壓力低，以及注油量不能隨柴油機(jī)工況變化等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的問題。

3 W-X35/40柴油機(jī)上的新一代電子脈沖氣缸潤滑系統(tǒng)的工作原理

如圖1所示，新一代電子脈沖氣缸潤滑系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，它通過嵌置在環(huán)繞氣缸壁四周方向上多的注油器向氣缸壁表面定向噴射加壓的潤滑油。每個(gè)注油器的噴嘴頭部有多個(gè)噴油孔，以多頭射流的脈沖方式從噴油孔各自定向向氣缸壁表面噴射潤滑油。在氣缸潤滑油的噴射過程中，潤滑油不產(chǎn)生霧化，以防止?jié)櫥蛽]發(fā)到掃氣空氣中。氣缸潤滑油注油器帶有單向止回閥，工作可靠。氣缸潤滑油通過具有電子集成監(jiān)測功能的潤滑模塊單元上的一個(gè)劑量泵，在壓力的作用下將其輸送給潤滑油注油器 。由于在每個(gè)氣缸上都設(shè)置有這樣的一個(gè)潤滑模塊單元，所以輸送潤滑油的管路可與潤滑油注油裝置以最短的距離連接，以減少管道流通損失。對注油裝置來說，不但在定時(shí)的設(shè)定上具有很大靈活性，而且容積測量法保證了在覆蓋柴油機(jī)整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)潤滑油噴射模型的不變。即使氣缸潤滑處在低進(jìn)油率時(shí)，氣缸潤油的噴射劑量仍然是一個(gè)精確的調(diào)整值。每個(gè)潤滑模塊單元都有潤滑油管路和伺服油管路，這兩條管路是相互獨(dú)立的。

圖1 新一代電子脈沖氣缸潤滑系統(tǒng)

氣缸潤滑系統(tǒng)的整個(gè)工作過程都由新一代柴油機(jī)控制系統(tǒng)“UNIC系統(tǒng)”控制，各個(gè)潤滑點(diǎn)的氣缸潤滑油供油量都可以隨負(fù)荷調(diào)節(jié)。它采用CLU-5的氣缸潤滑技術(shù)，氣缸潤滑油泵采用電氣控制，噴射壓力為50bar，噴射控制已完全整合至UNIC控制系統(tǒng)中，使用與燃油噴射和排氣閥控制同樣的曲柄轉(zhuǎn)角傳感器，不再需要使用CAN-bus延時(shí)補(bǔ)償電氣元件。每個(gè)CLU-5潤滑油泵均帶有兩個(gè)控制電磁閥，這兩個(gè)電閥處于雙保險(xiǎn)狀態(tài)，且控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換交替這兩個(gè)電磁閥。壓力反饋信號的電流強(qiáng)度為4 mA～20mA，傳感器安裝在潤滑油脈沖泵上，用于反饋是否噴射成功及自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)定時(shí)。各缸的氣缸潤滑系統(tǒng)由對應(yīng)缸的CCM-20模塊控制。CCM-20模塊控制兩個(gè)驅(qū)使?jié)櫥蛧娚涞碾姶砰y。安裝在滑油泵上的壓力傳感器反饋?zhàn)⑸涠〞r(shí)，并被UINIC系統(tǒng)用于補(bǔ)償系統(tǒng)液力的和機(jī)械的延遲。雙重的CAN-bus和電源供給確保工作冗余?？梢造`活設(shè)定氣缸滑油注射定時(shí)至需要的曲柄轉(zhuǎn)角，進(jìn)而控制氣缸滑油分配。氣缸滑油可以注射到活塞上部、下部和活塞環(huán)中間。如果一個(gè)轉(zhuǎn)換信號通過柴油機(jī)控制系統(tǒng)UNIC發(fā)給二位四通電磁閥(CLU-5潤滑油泵上的其中一個(gè))，那么電磁閥轉(zhuǎn)換的同時(shí)也會(huì)引起潤滑油泵的中間活塞發(fā)生轉(zhuǎn)換。中間活塞向四個(gè)靜態(tài)傳遞活塞的反方向運(yùn)動(dòng)。預(yù)先設(shè)定潤滑油的油量，之后通過控制活塞上的控制油槽傳送到潤滑油泵上的所有供油出口。在那里，潤滑油被動(dòng)態(tài)計(jì)量并在高壓下送到所指定的潤滑油注油器中。同時(shí)轉(zhuǎn)換操作，中間活塞的另一邊充滿了潤滑油，當(dāng)二位四通電磁閥開關(guān)重復(fù)一次，預(yù)先設(shè)定劑量的潤滑油再次計(jì)量送到泵所指定的潤滑油注油器中，中間活塞隨后回到初始位置。

4 W-X35/40柴油機(jī)上的新一代電子脈沖潤滑系統(tǒng)的新特點(diǎn)

整個(gè)工作過程由新一代柴油機(jī)控制系統(tǒng)“UNIC系統(tǒng)”控制。UNIC控制系統(tǒng)是一款嵌入式柴油機(jī)控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用模塊模塊化設(shè)計(jì)。UNIC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮了苛刻的主機(jī)使用環(huán)境，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中專門對使用溫度和振動(dòng)耐久性做了努力。兩塊機(jī)旁顯示單元LDU-20，一塊安裝在自由端機(jī)旁操縱箱，另一塊安裝在集控室。至外部推進(jìn)控制系統(tǒng)和船舶報(bào)警和檢測系統(tǒng)使用可靠的總線技術(shù)，外部系統(tǒng)充當(dāng)人機(jī)交換界面。UNIC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是這樣的，一塊氣缸控制模塊（CCM-20）控制一個(gè)氣缸，當(dāng)一塊CCM-20模塊、電磁閥或壓力傳感器發(fā)生故障時(shí)，UNIC手動(dòng)控制板上會(huì)有故障指示。故障信息也會(huì)傳到報(bào)警和監(jiān)測系統(tǒng)。一塊CCM-20模塊或電磁閥發(fā)生故障時(shí)，柴油機(jī)將降低輸出功率（減速運(yùn)行）。

采用最新的CLU-5氣缸潤滑技術(shù)。在RTA柴油機(jī)上，從液壓機(jī)械控制的CLU-1氣缸潤滑技術(shù)，到后來以電子控制形式的CLU-3氣缸潤滑技術(shù)，無不都是利用蓄壓注油器和掃氣壓力之間的壓力差，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過每缸的注油器向氣缸壁油槽注入潤滑油以達(dá)到潤滑的目的。在RT-flex柴油機(jī)上，采用CLU-4和CLU-4C的電子脈沖氣缸潤滑技術(shù)，摒棄了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了氣缸潤滑模塊化設(shè)計(jì)，利用脈沖功能，精確噴油定時(shí)和精確噴油量，改進(jìn)了氣缸壁表面潤滑油的分布狀態(tài)和氣缸潤滑特性。W-X35/40柴油機(jī)上采用的新一代CLU-5氣缸潤滑技術(shù)，是對電子脈沖氣缸潤滑技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化。無論CLU-4還是CLU-4C，工作動(dòng)力都來自于伺服油，都帶有一個(gè)蓄壓器，用以避免伺服油管壓力油較大的波動(dòng)，保持伺服油壓力穩(wěn)定。蓄壓器充滿一定壓力的氮?dú)?，在起?dòng)蓄壓器后一周內(nèi)，至少檢查一次充氣壓力，三個(gè)月后再檢查一次，并建議每三個(gè)月檢查一次。在每次檢查過程中少量的氣體可能泄放到大氣中，因此，檢查前必須準(zhǔn)備一個(gè)氮?dú)馄?，以便于補(bǔ)充可能的氣體流失。而CLU-5潤滑油泵不是依靠伺服油來驅(qū)動(dòng)，供油泵將潤滑油加壓到大約50bar，當(dāng)柴油機(jī)控制系統(tǒng)UNIC 發(fā)出相應(yīng)的信號時(shí)，潤滑油就會(huì)驅(qū)動(dòng)CLU-5潤滑油泵。所有潤滑油泵都被連接到供油管，供油管不斷地預(yù)緊，充當(dāng)外部的蓄壓器并向潤滑油泵提供驅(qū)動(dòng)需要的液壓，安全閥用于調(diào)節(jié)需要的運(yùn)行壓力。因此，CLU-5不需要蓄壓器，也不需要連接伺服油管，整個(gè)結(jié)構(gòu)更加簡潔，這就省去了對蓄壓器定期檢查的維護(hù)工作，也避免了運(yùn)行過程中因蓄壓器壓漏氣而影響氣缸潤滑的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 CLU-4、CLU-4C和CLU-5的實(shí)物圖

圖3為可靠的高壓供油單元。供油單元中的兩個(gè)高壓齒輪泵互為備用，在正常運(yùn)行中，一個(gè)高壓泵提供必需的潤滑油壓力。如果一個(gè)高壓泵有故障，另一個(gè)泵保證能驅(qū)動(dòng)潤滑油泵必需的潤滑油壓力，后者通過柴油機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到開或關(guān)。如果沒有供油壓力或者供油壓力太低，相對應(yīng)的高壓泵必須選擇關(guān)閉，備用泵通過柴油機(jī)控制系統(tǒng)由壓力開關(guān)啟動(dòng)，供油泵潤滑油進(jìn)口壓力低壓報(bào)警就會(huì)啟動(dòng)。安全閥保護(hù)潤滑油系統(tǒng)抵抗過高的壓力，當(dāng)壓力大于60bar時(shí)安全閥就會(huì)打開，潤滑油就會(huì)通過回油管泄放壓力。濾器單元由一個(gè)雙聯(lián)濾器組成，其中的一個(gè)濾器作為備用，如在運(yùn)行中的一個(gè)濾器故障，可以不用停機(jī)直接更換過濾器。

圖3 高壓供油單元

新一代電子脈沖潤滑系統(tǒng)可以靈活設(shè)定氣缸滑油注射定時(shí)至需要的曲柄轉(zhuǎn)角，進(jìn)而控制氣缸滑油分配。氣缸滑油可以垂直注射到活塞上部、下部和活塞環(huán)中間，也可徑向注射到氣缸壁上，這樣可以確保潤滑油更好地分布在活塞的整個(gè)工作行程中，使活塞在整個(gè)工作過程中都得到良好的潤滑作用。噴油時(shí)間取決于潤滑油的垂直分布，潤滑油注油器噴嘴上的噴射孔取決于滑油的徑向分布，如圖4示。

圖4 潤滑油垂直噴射和潤滑油徑向噴射圖示

良好的潤滑油注油率。氣缸潤滑油注油率的指導(dǎo)值降低到0.6g/kWh。潤滑油供油量可在0g/kWh～10g/kWh調(diào)節(jié)，變化幅度為每次0.1g/kWh，這些調(diào)節(jié)可通過UNIC手動(dòng)控制面板來調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。精確的注油率和噴油量，可減少潤滑油的消耗，提高柴油機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

W?rtsil?最新一代W-X35/40系列柴油機(jī)上采用UNIC控制系統(tǒng)的新一代電子脈沖氣缸潤滑系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了對注油量、注油壓力和噴油定時(shí)的全共軌智能電子控制。噴油量可以隨著柴油機(jī)負(fù)荷而調(diào)節(jié)，氣缸潤滑油注油率的指導(dǎo)值降低到0.6g/kWh，在既滿足柴油機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)特性的前提下，又可減少潤滑油的消耗，提高柴油機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。新一代電子脈沖氣缸潤滑系統(tǒng)必將成為氣缸潤滑系統(tǒng)的主流之一。

[1] 孫建新. 船舶柴油機(jī)[M]. 北京: 人民交通出版社,2006.

[2] 李玉林. 脈沖氣缸潤滑系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)[J]. 上海造船,2009 (2): 21-23.

[3] 賀玉海. 大型低速船用柴油機(jī)新型電控氣缸注油潤滑系統(tǒng)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程, 2010 (4): 69-74.

New Generation of Electric Impulse Cylinder Lubrication System

LING Gang-yi, DENG Jian-xing
(Yuchai Marine Power Co., Ltd., Zhuhai 519175, China)

A new electronic control cylinder pulse lubricating system is introduced to W-X35/40 diesel engine，which is the latest model diesel engine in W?rtsil?. It uses the new UNIC control system and CLU-5 cylinder lubrication technology. While maintaining the good performance of the piston, the guideline values of the cylinder lubricating oil oiling rate are reduced to 0.6g/kWh, which can reduce the cylinder oil consumption and the running costs of diesel engine.

electronic pulse; lubrication system; UNIC control system; new features

U677

A

林剛毅（1984-），男，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師。主要從事船用低速柴油機(jī)產(chǎn)品開發(fā)研究。