楊 城

（武警士官學(xué)校，浙江杭州 311400）

隨著世界科技進(jìn)步，加之生態(tài)環(huán)境惡化，世界各國都大力發(fā)展新能源技術(shù)，綠色船舶、綠色航空成為未來發(fā)展的重點(diǎn)方向[1]～[3]。船舶因其運(yùn)載量大、成本低廉，成為世界貿(mào)易的主要運(yùn)輸工具。船用柴油機(jī)經(jīng)過兩百多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)取得了極大的進(jìn)步，在綠色發(fā)展方面，傳統(tǒng)柴油機(jī)存在著短板，但船舶其他類型動(dòng)力裝置替代傳統(tǒng)柴油機(jī)，還需要相當(dāng)長的時(shí)間。目前，發(fā)展勢頭強(qiáng)勁的燃料發(fā)動(dòng)機(jī)主要以天然氣-柴油為代表的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)[4]，MAN生產(chǎn)的ME-C系列電噴主機(jī)，裝船量較高，屬于市面上的主流機(jī)型之一，通過改造亦可成為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)[5]。ME-C主機(jī)是在MC系列主機(jī)基礎(chǔ)上升級(jí)改造而來，增加了更多的智能化系統(tǒng)以及集成化控制設(shè)備，諸如液壓供油單元（HPS）、液壓氣缸單元（HCU）、柴油機(jī)控制系統(tǒng)（ECS）、排氣閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)等[6]，在運(yùn)行管理和維護(hù)使用方面，十分方便。

本文針對(duì)6S50ME-C型柴油機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)缸壓過高，產(chǎn)生排氣閥以及FIVA 閥警報(bào)現(xiàn)象，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行拆卸檢查，排查、分析故障原因，提出對(duì)應(yīng)措施，實(shí)現(xiàn)主機(jī)正常運(yùn)行。

1 故障現(xiàn)象分析

某船用主機(jī)型號(hào)為6S50ME-C，其額定功率8330kW，額定轉(zhuǎn)速為91r/min，在離碼頭時(shí)，負(fù)載逐步提升，過程中主機(jī)突然發(fā)出巨響，隨后停車。集控室控制面板出現(xiàn)CCU（氣缸控制單元）警報(bào)，顯示#1缸FIVA閥位置不正常以及排氣閥升程降低。

船上人員對(duì)主機(jī)進(jìn)行停車檢查，發(fā)現(xiàn)主機(jī)缸蓋螺栓錯(cuò)位、墊片損壞，排氣閥關(guān)閉。隨后船員對(duì)該缸噴油器以及啟動(dòng)空氣閥進(jìn)行檢查，噴油器經(jīng)過拆卸、檢查和測試，結(jié)果工作正常。拆卸啟動(dòng)空氣閥時(shí)，啟動(dòng)空氣閥螺栓有兩根出現(xiàn)斷裂，拆卸后觀察到啟動(dòng)空氣閥閥頂出氣孔部位嚴(yán)重彎曲變形，如圖1 所示。通過吊缸檢修，發(fā)現(xiàn)活塞位置異常，缸蓋墊片碎裂，缸蓋略有提升，缸套上平面、缸蓋下平面以及連桿組件一切正常。因此，將故障初步鎖定為控制燃油升壓器以及排氣閥執(zhí)行器的FIVA閥。

圖1 缸啟動(dòng)空氣閥

2 FIVA閥結(jié)構(gòu)及工作原理

HCU液壓控制單元屬于CCU的一部分，它主要是將系統(tǒng)經(jīng)過安全蓄壓塊加壓后的液壓油輸送到排氣閥執(zhí)行器以及燃油升壓器中，它由FIVA閥、蓄能器以及氣缸注油器三大部分組成，如圖2所示。蓄能器主要的作用是穩(wěn)定液壓油的壓力，一旦FIVA閥、氣缸注油器動(dòng)作時(shí)，壓力會(huì)呈現(xiàn)波動(dòng)，蓄能器可以達(dá)到很好的穩(wěn)壓效果，維持系統(tǒng)液壓油的穩(wěn)定性；氣缸注油器則是控制進(jìn)入到氣缸的滑油油量以及注油定時(shí)；FIVA 閥根據(jù)CCU 接收到的主機(jī)負(fù)載工況變化信號(hào)，精準(zhǔn)控制燃油升壓器以及排氣閥執(zhí)行器的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油器定時(shí)、定量以及排氣閥定時(shí)的控制，以達(dá)到控制燃燒反應(yīng)的目的。

圖2 HCU的結(jié)構(gòu)組成

FIVA 閥由先導(dǎo)閥、控制柱塞、主閥芯以及反饋信號(hào)傳感器構(gòu)成，如圖3 所示。其工作原理是：CCU 的控制信號(hào)傳遞到先導(dǎo)閥以后產(chǎn)生動(dòng)作，在先導(dǎo)閥的作用下，液壓油精確控制FIVA閥主閥芯動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油升壓器以及排氣閥執(zhí)行器供油通路的控制，主閥芯端部的反饋信號(hào)傳感器可以對(duì)主閥芯的位置及定時(shí)進(jìn)行監(jiān)控、反饋。

圖3 FIVA閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 故障原因分析及排除

FIVA閥內(nèi)不同的部件出現(xiàn)故障，都會(huì)對(duì)燃油升壓器以及排氣閥執(zhí)行器產(chǎn)生一定影響，但所造成的現(xiàn)象和結(jié)果有所差異，從而主機(jī)的性能也相應(yīng)發(fā)生變化。在實(shí)際使用過程中，可以結(jié)合主閥芯的運(yùn)動(dòng)過程以及燃油升壓器和排氣閥執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)行分析判斷，如圖4 所示。對(duì)于ME 系列主機(jī)，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速超過20rpm 時(shí)，一旦FIVA 閥反饋的位置超過警報(bào)上限或者下限，都將會(huì)在ECS 上顯示FIVA閥位置故障警報(bào)，相反則不會(huì)顯示任何警報(bào)。結(jié)合故障產(chǎn)生的缸壓過高、排氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)等現(xiàn)象，初步判斷故障產(chǎn)生的原因有反饋信號(hào)傳感器故障、控制柱塞故障、主閥芯故障和先導(dǎo)閥故障四種情況。

圖4 FIVA閥主閥芯運(yùn)動(dòng)規(guī)律

3.1 反饋信號(hào)傳感器故障

反饋信號(hào)傳感器是測量和反饋FIVA 閥位置的重要電子元器件，一旦回路中檢測到對(duì)安全防護(hù)有影響的缺陷時(shí)，反饋信號(hào)傳感器都將快速做出反應(yīng)，自動(dòng)打開安全閥，釋放缸內(nèi)的液壓油，以防止燃油升壓器非定時(shí)噴射導(dǎo)致的氣缸壓力過大，從而引起爆缸事故。在實(shí)際的使用過程中，反饋信號(hào)傳感器測量出現(xiàn)故障、反饋信號(hào)超出正常范圍4～20mA 時(shí)或反饋信號(hào)顯示具有較高的流量速度波動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)將停止控制回路，F(xiàn)IVA 閥主閥芯將會(huì)上移，促使排氣閥執(zhí)行器通路供油，排氣閥將會(huì)打開，從而避免產(chǎn)生爆缸的問題。

故障發(fā)生時(shí)，雖產(chǎn)生爆缸現(xiàn)象，但是排氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，與反饋信號(hào)傳感器失效時(shí)產(chǎn)生的排氣閥打開現(xiàn)象相矛盾，故可排除此故障原因。

3.2 控制柱塞故障

當(dāng)控制柱塞出現(xiàn)卡阻或抱死時(shí)，F(xiàn)IVA閥自帶的安全螺釘將會(huì)自動(dòng)進(jìn)行泄放，以控制柱塞內(nèi)的液壓油。由于FIVA閥控制柱塞無法自由運(yùn)動(dòng)，則主閥芯的運(yùn)動(dòng)也相應(yīng)受限，燃油升壓器以及排氣閥執(zhí)行器通路不再受先導(dǎo)閥控制，無法建立油壓，該缸表現(xiàn)為缸內(nèi)不噴油，排氣閥狀態(tài)保持不變；當(dāng)控制柱塞表面因?yàn)槟p出現(xiàn)漏泄，則主閥芯受到液壓油的影響發(fā)生運(yùn)動(dòng)，排氣閥執(zhí)行器油壓較低，排氣閥將重新關(guān)閉，缸內(nèi)燃燒情況變差，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷將會(huì)逐漸下降，直到掃氣壓力減小到預(yù)設(shè)的安全等級(jí)。

故障發(fā)生時(shí)，排氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，如果故障是控制柱塞出現(xiàn)卡阻或抱死所致，則該缸不噴油，不會(huì)造成缸壓過高現(xiàn)象；如果故障是控制柱塞表面因?yàn)槟p出現(xiàn)漏泄所致，缸內(nèi)燃燒情況變差，負(fù)荷逐漸下降，也不會(huì)產(chǎn)生缸壓過高現(xiàn)象，故可排除此故障原因。

3.3 主閥芯故障

主閥芯常見的故障是閥面磨損或附著顆粒物，導(dǎo)致主閥芯無法關(guān)閉而漏泄。當(dāng)主閥芯表面過度磨損后，液壓油油壓難以建立，一旦FIVA 閥接收到關(guān)閉命令后，閥芯的啟閉不嚴(yán)，導(dǎo)致燃油增壓器內(nèi)的油壓較低，燃油升壓器中的燃油壓力建立將會(huì)變緩，噴油定時(shí)延遲，同時(shí)噴射持續(xù)期延長，將會(huì)導(dǎo)致噴油器噴射燃油霧化效果不好，燃燒惡化。此外，排氣閥的啟閉也不受控制，將會(huì)進(jìn)一步惡化缸內(nèi)的燃燒情況，無法達(dá)到規(guī)定的壓縮壓力和爆發(fā)壓力，主機(jī)運(yùn)行異常。

故障發(fā)生時(shí)，排氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，如果故障是主閥芯閥面磨損或附著顆粒物導(dǎo)致主閥芯無法關(guān)閉而漏泄，燃油壓力建立遲緩，燃燒效果不好，將不會(huì)出現(xiàn)缸壓過高的現(xiàn)象，故排除此類故障原因。

3.4 先導(dǎo)閥故障

先導(dǎo)閥是FIVA閥的控制中心，通過先導(dǎo)閥閥芯的運(yùn)動(dòng)，控制液壓油驅(qū)動(dòng)FIVA 閥主閥芯，改變輸送到燃油升壓器以及排氣閥執(zhí)行器的液壓油通路，如圖5所示，先導(dǎo)閥常見的故障是漏泄，分兩種情況：

圖5 先導(dǎo)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

第一種是先導(dǎo)閥閥芯磨損、顆粒物卡滯而內(nèi)漏。先導(dǎo)閥流向控制柱塞的油壓難以建立，無法有效對(duì)燃油升壓器以及排氣閥執(zhí)行器進(jìn)行控制。如果向燃油升壓器供油，主閥芯復(fù)位遲緩，則供油未切斷，流入燃油升壓器的燃油量將會(huì)增加，導(dǎo)致缸內(nèi)噴射大量燃油，活塞上行時(shí)噴入的大量燃油，與新掃入的空氣和殘留在缸內(nèi)廢氣中的氧氣發(fā)生燃燒，從而導(dǎo)致缸壓過高；如果向排氣閥執(zhí)行器供油，主閥芯復(fù)位遲緩，則排氣閥處于開啟狀態(tài)，將會(huì)延遲關(guān)閉。

第二種則是由于彈簧疲勞失效、復(fù)位不嚴(yán)導(dǎo)致先導(dǎo)閥無法正常復(fù)位出現(xiàn)的內(nèi)漏。先導(dǎo)閥內(nèi)部彈簧以及閥芯的卡阻，導(dǎo)致閥芯無法運(yùn)動(dòng)，則會(huì)影響FIVA 閥內(nèi)控制柱塞的運(yùn)動(dòng)，油壓難以建立，主機(jī)自始無法啟動(dòng)。

故障發(fā)生時(shí)，排氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，如果故障是彈簧疲勞失效、復(fù)位不嚴(yán)導(dǎo)致先導(dǎo)閥無法正常復(fù)位出現(xiàn)的內(nèi)漏，燃油升壓器油壓難以建立，主機(jī)自始無法啟動(dòng)，不會(huì)造成缸壓過高的現(xiàn)象，故可排除；如果故障是先導(dǎo)閥閥芯磨損、顆粒物卡滯而內(nèi)漏，此時(shí)向燃油升壓器供油，且供油未切斷，將會(huì)導(dǎo)致噴射油量增加，出現(xiàn)缸壓過高的現(xiàn)象。因此，發(fā)生此類故障的概率最大。

通過對(duì)先導(dǎo)閥拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)閥內(nèi)存在顆粒物堵塞。先導(dǎo)閥閥芯磨損、顆粒物卡滯引起的先導(dǎo)閥漏泄的問題，往往是由于使用的油品質(zhì)量太差或先導(dǎo)閥過度使用磨損所致，除了更換先導(dǎo)閥外，通常采取在先導(dǎo)閥前加裝過濾器，對(duì)液壓油進(jìn)行過濾；或定期對(duì)液壓油進(jìn)行化驗(yàn)取樣，檢查液壓油的油品質(zhì)量，及時(shí)更換，從而減少先導(dǎo)閥磨損漏泄帶來的隱患。必要時(shí)，可以檢查先導(dǎo)閥閥芯表面的粗糙度。船員更換#1缸先導(dǎo)閥，主機(jī)裝配運(yùn)行后，故障排除，主機(jī)正常工作。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)某船主機(jī)FIVA 閥及排氣閥發(fā)生警報(bào)后，主機(jī)缸壓過高導(dǎo)致主機(jī)無法正常運(yùn)行進(jìn)行分析，通過對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行排查，確定為FIVA 閥故障。FIVA 閥控制燃油升壓器和排氣閥執(zhí)行器的動(dòng)作，對(duì)噴油定量、定時(shí)以及排氣閥啟閉起著決定性作用。結(jié)合故障產(chǎn)生的缸壓過高、排氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)等現(xiàn)象，初步判斷故障產(chǎn)生的原因有反饋信號(hào)傳感器故障、控制柱塞故障、主閥芯故障和先導(dǎo)閥故障，對(duì)四種情況逐一分析和排除，確定故障原因?yàn)橄葘?dǎo)閥閥芯磨損、顆粒物卡滯引起的漏泄，后通過拆檢、更換故障先導(dǎo)閥，故障排除，主機(jī)正常工作。結(jié)合主機(jī)故障以及FIVA 閥不同部位故障表現(xiàn)的現(xiàn)象不同，對(duì)查找、分析和解決故障起著重要作用。