淺談船用柴油機氣缸油注油率的管理

陳志平

內容提要:結合現代柴油機對氣缸油注油率的要求,分析 Sulzer-7RT-flex60c型柴油機采用CLU-3氣缸油控制系統的特點,提出在正常模式及應急模式下對氣缸油注油率的調節方法和依據。

關鍵詞:柴油機 氣缸油 注油率 變頻器 管理

某輪主機型號為:蘇爾壽Sulzer-7RT-flex60c,額定轉速: 114RPM,額定功率:16 520KW,是當前先進的無凸輪共軌電噴式二沖程十字頭柴油機。主機遙控采用挪威KONGSBERG公司的 NORCONTROL AutoChief-4控制系統,其氣缸油控制則采用CLU-3控制系統。

1. 故障簡述

2009年7月30日,該輪在太平洋航行時,主機轉速106RPM,氣缸油控制系統的變頻器突然失效,CLU-3控制系統自動進入應急模式。此時,氣缸油注油泵驅動電機的供電頻率,從原來變頻器根據主機負荷變化輸出的可變頻率(主機轉速106RPM時約45Hz),變為主電網的固定頻率(60Hz)。通過觀察氣缸油測量柜的油量消耗,發現氣缸油的消耗量大幅增大,每天的耗油量從 315kg增加到420kg,無論從經濟上考慮,還是根據主機工況的要求,都不能長時間航行。由于船上沒有變頻器的備件,短期內沒有備件可供更換,減少氣缸油注油率是當務之急。

2. 氣缸油注油率的要求

2.1 氣缸潤滑的困難

當代大型船用柴油機的高強度化、燃油劣質化,對氣缸潤滑提出更苛刻的要求。

a.由于活塞的往復運動,速度的大小和方向都在不斷交替變化,通常不能形成液體動壓潤滑,多為邊界潤滑。

b.高溫,通常活塞環槽表面溫度為100℃~200℃,缸套上部氣缸壁表面溫度最高,達到180℃~220℃,上止點處缸壁表面溫度最高。高溫降低氣缸油粘度,加快其氧化變質,且缸壁上的油膜被部分蒸發。

c. 燃油燃燒生成物;

固體顆粒,作為磨料且破壞油膜,加劇磨損;

●酸性氣體低溫腐蝕;

●殘留的催化劑(釩、鉻等),高溫腐蝕。

所以,缸套上部磨損量最大。

2.2氣缸油的作用

a. 在活塞環與缸套、活塞環與環槽之間形成油膜,減少摩擦;

b. 中和燃油燃燒產生的酸性物質,減少腐蝕;

C. 清潔活塞環、環槽和氣缸壁。

2.3 氣缸油的注油率

氣缸油注油率是指單位時間單位功率注入氣缸的氣缸油的重量。

最佳注油率,應保證缸套的最小磨損、最大清潔度、最佳經濟效益(例如滑油費用、備件更換費用、停航損失等)。

注油率太低,油膜形成不完整,活塞環與缸套間就會形成半干摩擦,這種情況下就增加了活塞環與缸套的過量磨損,增加漏氣,而泄露的燃氣又會破壞缸壁上的油膜,嚴重時可產生拉缸和咬缸。

注油率太大,除經濟因素外,多余部分的氣缸油被活塞環刮入燃燒室,且不能完全燃燒而形成油渣顆粒,存在于活塞環和缸套之間時,將在兩者之間形成磨料磨損,其進入活塞環槽內時,除增加環與槽的過度磨損外,還可能致使活塞環卡死在環槽內,造成密封不良而燃氣下竄,下竄的高溫高壓燃氣又破壞了潤滑油膜的形成,進而加劇了環與缸套的過量磨損,嚴重時也可形成掃氣箱著火、拉缸和咬缸現象。

最佳注油率的特征:

●缸壁表面濕潤干凈;

●活塞環,環面光亮,環面上下的倒角未磨平(若注油率合適,正常的使用壽命內倒角不會磨平),首環干燥,第二環半干半濕,其余環濕潤。

氣缸油的注油率要達到最佳狀態以滿足主機的正常工況,這就給其控制系統和管理人員提出了很高的要求。

3. 本輪主機CLU-3氣缸油控制系統的特性

船用柴油機的汽缸油注油系統,最早都采用機械傳動方式。近年來,為了減少氣缸油消耗量,降低主機運行成本,各廠家都在改進和開發汽缸油注油系統。本輪蘇爾壽Sulzer-7RT-flex60c型主機,則將變頻技術應用到汽缸油的控制系統。

3.1 氣缸注油泵由電動機驅動,電動機的轉速則通過控制其輸入電源的頻率而實現

以主機功率為依據,通過CLU-3氣缸油控制系統的一個變頻器進行控制調節。根據實測的主機負荷和轉速,結合注油泵供油系數等參數,AutoChief-4計算出此工況時主機所需氣缸油的注油率,并發出一個與此注油率相對應的模擬量信號(4~20mA)給變頻器,再由變頻器輸出一個確切的頻率給電動機,而電動機又經過齒輪變比驅動氣缸注油泵。這樣,氣缸注油泵的轉速,與變頻器輸出的頻率之間就形成了一一對應關系:注油泵轉速= C x 電動機的供給頻率(本輪Sulzer-7RT-flex60c機型的C=0.763)。也就是通過變頻器輸出頻率的變化來實現對氣缸注油率的調節。

3.2注油泵調整盤的調節

本輪主機每一缸設置有上、下兩排注油器,由兩個獨立的注油泵分別供油,注油量分別占總注油量的30%~50%和70%~50%。 每個注油泵設有調整盤,調整盤上有6個設定位置(圖1),根據需要可對注油泵進行單獨調節,其對應的每沖程注油量如下:

3.3 注油泵供給系數的調節

在AutoChief-4 系統中,還可調節注油泵的供給系數(pump feed factor),其調整范圍是0.85~1.15,這是影響AC-4輸送給變頻器模擬信號的參數之一,對注油率在一定范圍內可進行微調,通常設定在“1.00”。

3.4CLU-3控制系統,能在主機負荷2%~100%范圍內進行調節,大大降低了氣缸油消耗量,并改善活塞在缸內的運行狀況。

3.5在應急模式下為恒速率控制

當變頻器發生故障、正常的控制系統失效時,自動啟動應急模式,以確保主機能夠正常運轉。此時,以負載為依據對注油率的調節也隨之失效,電動機的供給頻率為船舶主電網的頻率(60Hz)。這時的注油率所對應的是100%負載,因此,在部分負載(如經濟航速和機動航行)時的注油率是遠遠過量的。

3.6具有電子檢測器檢測的安保功能

當注油量因故達不到設定值或斷油時,電子檢測器能發出斷流警報和主機減速(Slow down)的信號,以實現對主機的安全保護功能。

4. 本輪在正常模式下氣缸注油率的確定

由上述分析可以看出,本輪氣缸油的注油率由以下三個因素確定:

a. 在AutoChief-4注油泵的供給系數。因為本輪設定為1.00,這個因素可忽略。

b. 注油泵調整盤的所在位置。在正常模式時,本輪注油泵調整盤設定在上2、下4的位置,注油泵與之相對應的每個沖程的泵油量為:0.36 + 0.63 = 0.99 ml/stroke。

c. 變頻器根據AutoChief-4實測的主機負荷、轉速和供給系數所輸出的頻率。

例如:當主機轉速為106rpm時,測得的單缸輸出功率為1800kw,變頻器對應輸出的頻率為45Hz。這時,氣缸注油泵每小時的泵油沖程數為: 0.763×45×60=2 060 stoke/h。

24小時7只氣缸共消耗的氣缸油為:(0.36+0.63)×2060×7×24=342619ml/day。

如氣缸油在40℃時的密度為0.92kg/L,那么,氣缸油每天的消耗量為315.2 kg/day,注油率為1.042 g/kwh。

5. 本輪在應急模式下對氣缸注油率的調節

根據本輪氣缸油控制系統的工作原理,當變頻器出現故障轉為應急模式時,還可以通過調節注油泵調整盤刻度的方法來進行調節,以盡量接近在正常模式時的注油率。

如主機轉速在106RPM,在正常模式時,變頻器輸出頻率為45Hz,注油泵單缸每沖程的泵油量為0.99ml/stroke。而在應急模式時,由于注油泵電機的電源頻率增大了4/3倍(60Hz),注油泵的泵油量則相應增大了4/3倍。這時,我們只需把單缸每個沖程的泵油量調小3/4倍,即:0.99× 3/4 = 0.7425 ml/stoke,就能接近在正常模式時的泵油量。

于是,把注油泵的調整盤調至上1、下3的位置,與之相對應的每個沖程的泵油量為:0.27+0.47=0.74ml/stroke。這時,可以計算出氣缸油每天的消耗量為314.2kg/day,注油率為1.039g/kwh,與正常模式時基本持平。

調整后,通過對氣缸油測量柜的油量消耗進行測算,發現氣缸油的實際消耗量與理論計算的結果相符。航行三天后進行停車檢查,發現活塞環、活塞、缸套及掃氣口等部件工況正常。但是,在應急模式時,無論主機是在全速航行,還是機動航行,氣缸注油泵電機都是以固定的轉速運行,在機動航行時的注油率將大大超出正常值。因此,必須應急申請變頻器備件,并盡早更換。

6. 結論

當新的控制系統出現后,管理人員應認真閱讀說明書,聯系設備本身,對設備各運行參數進行分析研究。如主機在各種運行工況時,變頻器所輸出的頻率數值、主機相對應的輸出功率以及此時的氣缸油日消耗量,必要時還可以計算出此工況的注油率,以提高自己的管理水平和排除故障的應變能力。◆