某船用主機氣缸壓力過高故障分析與排除

楊 城

（武警士官學校，浙江杭州 311400）

隨著世界科技進步，加之生態環境惡化，世界各國都大力發展新能源技術，綠色船舶、綠色航空成為未來發展的重點方向[1]～[3]。船舶因其運載量大、成本低廉，成為世界貿易的主要運輸工具。船用柴油機經過兩百多年的發展，技術已經取得了極大的進步，在綠色發展方面，傳統柴油機存在著短板，但船舶其他類型動力裝置替代傳統柴油機，還需要相當長的時間。目前，發展勢頭強勁的燃料發動機主要以天然氣-柴油為代表的雙燃料發動機[4]，MAN生產的ME-C系列電噴主機，裝船量較高，屬于市面上的主流機型之一，通過改造亦可成為雙燃料發動機[5]。ME-C主機是在MC系列主機基礎上升級改造而來，增加了更多的智能化系統以及集成化控制設備，諸如液壓供油單元（HPS）、液壓氣缸單元（HCU）、柴油機控制系統（ECS）、排氣閥執行機構等[6]，在運行管理和維護使用方面，十分方便。

本文針對6S50ME-C型柴油機運行過程中出現缸壓過高，產生排氣閥以及FIVA 閥警報現象，對柴油機進行拆卸檢查，排查、分析故障原因，提出對應措施，實現主機正常運行。

1 故障現象分析

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

船上人員對主機進行停車檢查，發現主機缸蓋螺栓錯位、墊片損壞，排氣閥關閉。隨后船員對該缸噴油器以及啟動空氣閥進行檢查，噴油器經過拆卸、檢查和測試，結果工作正常。拆卸啟動空氣閥時，啟動空氣閥螺栓有兩根出現斷裂，拆卸后觀察到啟動空氣閥閥頂出氣孔部位嚴重彎曲變形，如圖1 所示。通過吊缸檢修，發現活塞位置異常，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行器的FIVA閥。

圖1 缸啟動空氣閥

2 FIVA閥結構及工作原理

HCU液壓控制單元屬于CCU的一部分，它主要是將系統經過安全蓄壓塊加壓后的液壓油輸送到排氣閥執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定液壓油的壓力，一旦FIVA閥、氣缸注油器動作時，壓力會呈現波動，蓄能器可以達到很好的穩壓效果，維持系統液壓油的穩定性；氣缸注油器則是控制進入到氣缸的滑油油量以及注油定時；FIVA 閥根據CCU 接收到的主機負載工況變化信號，精準控制燃油升壓器以及排氣閥執行器的動作，從而實現對噴油器定時、定量以及排氣閥定時的控制，以達到控制燃燒反應的目的。

圖2 HCU的結構組成

FIVA 閥由先導閥、控制柱塞、主閥芯以及反饋信號傳感器構成，如圖3 所示。其工作原理是：CCU 的控制信號傳遞到先導閥以后產生動作，在先導閥的作用下，液壓油精確控制FIVA閥主閥芯動作，實現對燃油升壓器以及排氣閥執行器供油通路的控制，主閥芯端部的反饋信號傳感器可以對主閥芯的位置及定時進行監控、反饋。

圖3 FIVA閥內部結構

3 故障原因分析及排除

FIVA閥內不同的部件出現故障，都會對燃油升壓器以及排氣閥執行器產生一定影響，但所造成的現象和結果有所差異，從而主機的性能也相應發生變化。在實際使用過程中，可以結合主閥芯的運動過程以及燃油升壓器和排氣閥執行器的運動規律，進行分析判斷，如圖4 所示。對于ME 系列主機，當主機轉速超過20rpm 時，一旦FIVA 閥反饋的位置超過警報上限或者下限，都將會在ECS 上顯示FIVA閥位置故障警報，相反則不會顯示任何警報。結合故障產生的缸壓過高、排氣閥處于關閉狀態等現象，初步判斷故障產生的原因有反饋信號傳感器故障、控制柱塞故障、主閥芯故障和先導閥故障四種情況。

圖4 FIVA閥主閥芯運動規律

3.1 反饋信號傳感器故障

反饋信號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安全防護有影響的缺陷時，反饋信號傳感器都將快速做出反應，自動打開安全閥，釋放缸內的液壓油，以防止燃油升壓器非定時噴射導致的氣缸壓力過大，從而引起爆缸事故。在實際的使用過程中，反饋信號傳感器測量出現故障、反饋信號超出正常范圍4～20mA 時或反饋信號顯示具有較高的流量速度波動時，控制系統將停止控制回路，FIVA 閥主閥芯將會上移，促使排氣閥執行器通路供油，排氣閥將會打開，從而避免產生爆缸的問題。

故障發生時，雖產生爆缸現象，但是排氣閥處于關閉狀態，與反饋信號傳感器失效時產生的排氣閥打開現象相矛盾，故可排除此故障原因。

3.2 控制柱塞故障

當控制柱塞出現卡阻或抱死時，FIVA閥自帶的安全螺釘將會自動進行泄放，以控制柱塞內的液壓油。由于FIVA閥控制柱塞無法自由運動，則主閥芯的運動也相應受限，燃油升壓器以及排氣閥執行器通路不再受先導閥控制，無法建立油壓，該缸表現為缸內不噴油，排氣閥狀態保持不變；當控制柱塞表面因為磨損出現漏泄，則主閥芯受到液壓油的影響發生運動，排氣閥執行器油壓較低，排氣閥將重新關閉，缸內燃燒情況變差，發動機的負荷將會逐漸下降，直到掃氣壓力減小到預設的安全等級。

故障發生時，排氣閥處于關閉狀態，如果故障是控制柱塞出現卡阻或抱死所致，則該缸不噴油，不會造成缸壓過高現象；如果故障是控制柱塞表面因為磨損出現漏泄所致，缸內燃燒情況變差，負荷逐漸下降，也不會產生缸壓過高現象，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，導致主閥芯無法關閉而漏泄。當主閥芯表面過度磨損后，液壓油油壓難以建立，一旦FIVA 閥接收到關閉命令后，閥芯的啟閉不嚴，導致燃油增壓器內的油壓較低，燃油升壓器中的燃油壓力建立將會變緩，噴油定時延遲，同時噴射持續期延長，將會導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，將會進一步惡化缸內的燃燒情況，無法達到規定的壓縮壓力和爆發壓力，主機運行異常。

故障發生時，排氣閥處于關閉狀態，如果故障是主閥芯閥面磨損或附著顆粒物導致主閥芯無法關閉而漏泄，燃油壓力建立遲緩，燃燒效果不好，將不會出現缸壓過高的現象，故排除此類故障原因。

3.4 先導閥故障

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

圖5 先導閥內部結構

第一種是先導閥閥芯磨損、顆粒物卡滯而內漏。先導閥流向控制柱塞的油壓難以建立，無法有效對燃油升壓器以及排氣閥執行器進行控制。如果向燃油升壓器供油，主閥芯復位遲緩，則供油未切斷，流入燃油升壓器的燃油量將會增加，導致缸內噴射大量燃油，活塞上行時噴入的大量燃油，與新掃入的空氣和殘留在缸內廢氣中的氧氣發生燃燒，從而導致缸壓過高；如果向排氣閥執行器供油，主閥芯復位遲緩，則排氣閥處于開啟狀態，將會延遲關閉。

第二種則是由于彈簧疲勞失效、復位不嚴導致先導閥無法正常復位出現的內漏。先導閥內部彈簧以及閥芯的卡阻，導致閥芯無法運動，則會影響FIVA 閥內控制柱塞的運動，油壓難以建立，主機自始無法啟動。

故障發生時，排氣閥處于關閉狀態，如果故障是彈簧疲勞失效、復位不嚴導致先導閥無法正常復位出現的內漏，燃油升壓器油壓難以建立，主機自始無法啟動，不會造成缸壓過高的現象，故可排除；如果故障是先導閥閥芯磨損、顆粒物卡滯而內漏，此時向燃油升壓器供油，且供油未切斷，將會導致噴射油量增加，出現缸壓過高的現象。因此，發生此類故障的概率最大。

通過對先導閥拆卸檢查，發現先導閥內存在顆粒物堵塞。先導閥閥芯磨損、顆粒物卡滯引起的先導閥漏泄的問題，往往是由于使用的油品質量太差或先導閥過度使用磨損所致，除了更換先導閥外，通常采取在先導閥前加裝過濾器，對液壓油進行過濾；或定期對液壓油進行化驗取樣，檢查液壓油的油品質量，及時更換，從而減少先導閥磨損漏泄帶來的隱患。必要時，可以檢查先導閥閥芯表面的粗糙度。船員更換#1缸先導閥，主機裝配運行后，故障排除，主機正常工作。

4 結論

本文主要對某船主機FIVA 閥及排氣閥發生警報后，主機缸壓過高導致主機無法正常運行進行分析，通過對故障現象進行排查，確定為FIVA 閥故障。FIVA 閥控制燃油升壓器和排氣閥執行器的動作，對噴油定量、定時以及排氣閥啟閉起著決定性作用。結合故障產生的缸壓過高、排氣閥處于關閉狀態等現象，初步判斷故障產生的原因有反饋信號傳感器故障、控制柱塞故障、主閥芯故障和先導閥故障，對四種情況逐一分析和排除，確定故障原因為先導閥閥芯磨損、顆粒物卡滯引起的漏泄，后通過拆檢、更換故障先導閥，故障排除，主機正常工作。結合主機故障以及FIVA 閥不同部位故障表現的現象不同，對查找、分析和解決故障起著重要作用。