船舶主機(jī)汽缸注油潤(rùn)滑技術(shù)研究

賀玉海

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖北武漢 430063;2.船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430063)

柴油機(jī)作為船舶的 “心臟”,其正常、安全、可靠地工作十分重要。在影響柴油機(jī)正常工作的眾多因素中,由于汽缸工作壓力大、溫度高、工作條件惡劣,所以潤(rùn)滑困難[1-2]。在低速 2沖程十字頭柴油機(jī)中,機(jī)架上部都設(shè)有橫隔板和活塞桿填料函,把汽缸和曲柄箱隔開(kāi),這樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了活塞與汽缸套之間的劇烈摩擦必須采用注油潤(rùn)滑設(shè)備來(lái)供給適量的汽缸油[3]。

1 對(duì)汽缸注油潤(rùn)滑系統(tǒng)的要求

汽缸注油潤(rùn)滑一直是影響柴油機(jī)可靠性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的重要因素之一。對(duì)汽缸注油潤(rùn)滑的要求如下[3-4]。

1.1 汽缸油品的選擇

汽缸油品選擇主要取決于燃料油的品質(zhì) (特別是含硫量)和粘度 (影響流動(dòng)性和潤(rùn)滑效果)。船舶運(yùn)營(yíng)中燃料油品種一般不輕易改變。對(duì)定期班輪燃料油也基本上在較固定的港口添加,因此汽缸油品種一般不輕易改變。

1.2 注油定時(shí)

所謂注油定時(shí)是指汽缸油注入汽缸開(kāi)始或結(jié)束時(shí)主機(jī)活塞在缸中的位置,用對(duì)應(yīng)的曲柄角表示。理論上汽缸油應(yīng)盡可能注入環(huán)帶區(qū)域,即當(dāng)活塞上行第 1道環(huán)通過(guò)注油孔時(shí)開(kāi)始注油,最后 1道環(huán)通過(guò)注油孔時(shí)注油結(jié)束。

1)注油定時(shí)滯后:例如在活塞上行到第 3道環(huán)經(jīng)過(guò)注油孔時(shí)開(kāi)始注油,首先是第 1、第 2道環(huán)潤(rùn)滑不夠;其次是汽缸油只經(jīng)第 3、第 4道環(huán)布油形成的油膜不夠均勻,活塞下行時(shí)也將有更多的汽缸油被刮下。若滯后太多,油供到環(huán)帶下面,大部分被刮下而浪費(fèi)。

2)注油定時(shí)提前:如在活塞上行尚未到達(dá)注油孔時(shí)開(kāi)始注油,汽缸油將部分注到活塞頭上而被蒸發(fā)、燒結(jié)。此時(shí),缸套上 Z型布油槽幾乎失去布油作用,汽缸油沿著缸壁往下流而被上行的活塞環(huán)大部分刮到燃燒室燒掉。沒(méi)有完全燃燒掉的汽缸油形成油泥積在第一道環(huán)槽內(nèi)使第一道環(huán)粘滯、卡阻而失效。顯然,注油提前,被刮下的汽缸油量將減少。

1.3 注油率控制

汽缸油注油率大小由柴油機(jī)自身特點(diǎn) (如增壓度、活塞運(yùn)動(dòng)速度、掃氣方式、缸徑大小以及缸套、活塞令材料特點(diǎn)等)、燃料油的品質(zhì)和汽缸磨合狀態(tài)等多因素綜合決定。合適的注油率是保證汽缸狀態(tài)良好的重要前提,汽缸狀態(tài)又是驗(yàn)證注油率大小是否合適的必然反映。

1)汽缸注油率太小,破壞了汽缸壁上邊界潤(rùn)滑,引起缸套磨損加大,甚至引起拉缸、咬缸。

2)汽缸注油率太大,汽缸油消耗費(fèi)用將增加,同時(shí)汽缸油進(jìn)入燃燒室不完全燃燒產(chǎn)生的油泥和淤渣,容易引起活塞令的粘滯,污染氣口、氣閥、排氣格柵及增壓器噴嘴環(huán)和葉片。經(jīng)驗(yàn)證明注油率太大缸套磨損也會(huì)加劇。

1.4 注油壓力

注油時(shí)缸內(nèi)注油孔處壓力要保證潤(rùn)滑油膜容易形成并保持,被活塞環(huán)刮下的油應(yīng)盡可能少些。

1)注油壓力太高:超過(guò) 2.0 MPa,則不易形成油膜。

2)注油壓力太低:低于 0.2 MPa,則缸套圓周方向上布油的距離太小,布油不均勻。

2 汽缸注油系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)分析

2.1 機(jī)械式注油器

傳統(tǒng)船用主機(jī)的機(jī)械式注油器都設(shè)計(jì)為若干個(gè)泵單元,它是由曲軸通過(guò)鏈輪帶動(dòng)機(jī)械式注油器的凸輪軸旋轉(zhuǎn),再由凸輪頂動(dòng)小柱塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng),凸輪型線直接決定了汽缸油的噴射規(guī)律,這種設(shè)計(jì)的結(jié)果就是對(duì)汽缸油耗量、噴射時(shí)刻和排放污染的折中,注油壓力極低,定時(shí)也比較粗放,并且不能隨柴油機(jī)的負(fù)荷變化而變化[5]。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,而且會(huì)使低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)主機(jī)的汽缸油注油量偏大。過(guò)量的汽缸油,不僅浪費(fèi)了能源,也增加了對(duì)環(huán)境的污染和污油處理的工作量和費(fèi)用,同時(shí)還增加掃氣箱、排氣管中的積垢及缸套和活塞環(huán)的磨損量并由此引起各種故障[3]。

傳統(tǒng)機(jī)械式汽缸注油器的技術(shù)缺陷[3,6-9]。

1)汽缸注油率:注油量的大小與主機(jī)轉(zhuǎn)速的變化成線性關(guān)系 (注油頻率與主機(jī)轉(zhuǎn)速同步)。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(lái)實(shí)現(xiàn),而不能實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)每循環(huán)注油量。由于主機(jī)直聯(lián)螺旋槳時(shí),柴油機(jī)功率和轉(zhuǎn)速的三次方成正比。因此,在部分負(fù)荷工況時(shí)注油率就偏大,而且一般船舶在經(jīng)濟(jì)航速時(shí)的主機(jī)負(fù)荷大約在 50%。例如,某型主機(jī)在 100%負(fù)荷選定的注油率為 1.09 g/(kW·h),若保持柱塞行程不變,則在 60%負(fù)荷時(shí)注油率增加到 1.52 g/(kW·h),在45%負(fù)荷時(shí)注油率增加到 1.84 g/(kW·h)。

2)注油定時(shí):注油器柱塞在加壓行程中,只有當(dāng)其壓力大于汽缸內(nèi)壓力時(shí),汽缸油才會(huì)注入汽缸內(nèi),難以實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)注油。

3)注油壓力:受機(jī)械傳動(dòng)和凸輪曲面的限制,注油壓力約為 0.2 MPa,在缸套周向布油困難。

2.2 HJ SIP注油系統(tǒng)

HJ SIP(Swirl Injection Principle)注油系統(tǒng)(如圖 1)的汽缸潤(rùn)滑原理是:改造過(guò)的機(jī)械式汽缸注油器供給一定壓力的汽缸油經(jīng) SIPⅡ閥 (類似于燃油噴油器 )沿著與缸壁圓周的切向成一定角度的方向,成霧滴狀定時(shí)定量地噴向缸壁。并在掃氣漩渦離心力的作用下大面積均勻地分布在缸套內(nèi)表面上。這樣,活塞環(huán)就很容易地將汽缸油帶到缸套的全部摩擦表面,從而達(dá)到以少量的汽缸油滿足汽缸潤(rùn)滑的目的[6-7]。

圖1 HJ SIP注油系統(tǒng)

HJSIP汽缸注油系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)[10]。

1)注油壓力:使用壓力閥和噴霧嘴代替?zhèn)鹘y(tǒng)止回閥,可以沿著汽缸套臂的切線方向噴射霧狀滑油,使油滴在活塞環(huán)上行運(yùn)動(dòng)前在汽缸壁水平方向均勻分布。

2)注油定時(shí):采用機(jī)械或電動(dòng)軸與曲軸運(yùn)動(dòng)保持同步,實(shí)現(xiàn)汽缸注油的精確定時(shí)。

但 HJSIP汽缸注油系統(tǒng)注油率控制和機(jī)械式注油器一樣,與主機(jī)轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系,調(diào)節(jié)主要依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。

2.3 A lpha ACC注油系統(tǒng)

Alpha ACC汽缸注油系統(tǒng)是 MAN-B＆W公司推出的新型電子注油系統(tǒng)。由泵站、汽缸油注油器、主控單元、備控單元、人機(jī)界面、編碼器、轉(zhuǎn)速傳感器、油門刻度發(fā)送器、反饋部分等組成。汽缸油的注射動(dòng)力來(lái)自泵站調(diào)節(jié)的液壓通用回路,供油壓力為 4.5MPa。通過(guò)該系統(tǒng)將等量的高壓汽缸油均勻輸送到缸套上帶止回閥的各注油針閥,定時(shí)把絕大部分的汽缸油 (約 70%～80%)沿著缸套上的水平斜槽,大面積地噴在第 1至第 4道活塞環(huán)上。從而在活塞環(huán)的作用下,將汽缸油布滿整個(gè)缸套的摩擦表面。由于是電子控制,它可以根據(jù)柴油機(jī)的負(fù)荷 (油門刻度)高低做到曲軸每 4轉(zhuǎn)到 10轉(zhuǎn)噴注一次油,即變頻控制注油率。它還可以根據(jù)燃油含硫量的大小、汽缸套磨合狀態(tài)等而設(shè)定汽缸油的注油率。最終達(dá)到以少量汽缸油滿足汽缸潤(rùn)滑的要求[10-13]。

Alpha ACC汽缸注油系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)[11-13]。

1)取消傳統(tǒng)注油器的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu),設(shè)立高壓供油單元和控制單元。注油壓力從原來(lái)的 0.2～0.3MPa提高到 2.0～2.5MPa。以霧滴狀噴入。所不同的是 HJSIP系統(tǒng)是將油噴布在缸壁上,Alpha ACC系統(tǒng)是將油噴布在活塞環(huán)帶上。

2)注油定時(shí)是基于曲軸轉(zhuǎn)速的計(jì)速器反饋系統(tǒng),通過(guò)傳感器將活塞的運(yùn)動(dòng)信號(hào)反饋到注油控制裝置。這樣能夠使活塞處于最適宜的位置 (如當(dāng)?shù)?1道活塞環(huán)通過(guò)注油孔)時(shí)向活塞環(huán)帶、缸壁注射汽缸油。

3)注油率調(diào)節(jié)方式為 “隨負(fù)荷調(diào)節(jié)”而并非“隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)”,所以柴油機(jī)無(wú)論是標(biāo)準(zhǔn)工況點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)還是低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),都可獲得最低注油率。此外,電子式調(diào)節(jié)更加細(xì)化量化。機(jī)械式汽缸油調(diào)節(jié)是通過(guò)人工改變柱塞升程來(lái)實(shí)現(xiàn)的,實(shí)際運(yùn)行中輪機(jī)員為 “確保 ”良好的潤(rùn)滑,注油量往往偏多。電子式汽缸油調(diào)節(jié)在控制面板上進(jìn)行操作,數(shù)字顯示一目了然,注油量的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)精確的細(xì)化量化。

4)為了配合最大面積地噴布汽缸油,缸套上取消傳統(tǒng)的斜向布油槽,改為配合噴油方向的切槽。

但 Alpha ACC汽缸注油系統(tǒng)不適宜老機(jī)改造,需改缸套內(nèi)注油槽,且設(shè)備昂貴。

2.4 國(guó)內(nèi)電控汽缸注油系統(tǒng)研究

國(guó)內(nèi)有部分單位對(duì)電控汽缸注油潤(rùn)滑進(jìn)行研究,如中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第 711研究所申請(qǐng)的實(shí)用新型專利:內(nèi)燃機(jī)汽缸潤(rùn)滑注油裝置。但尚未見(jiàn)有自主研發(fā)電控汽缸注油器的應(yīng)用文獻(xiàn)報(bào)道。

3 武漢理工大學(xué)電控汽缸注油系統(tǒng)

從 2006年至今,武漢理工大學(xué)電控汽缸注油潤(rùn)滑系統(tǒng)項(xiàng)目組作了大量的計(jì)算論證和試驗(yàn)研究工作,成功開(kāi)發(fā)了一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型低速柴油機(jī)的電子控制式汽缸注油潤(rùn)滑系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成與技術(shù)特點(diǎn)

武漢理工大學(xué)自主開(kāi)發(fā)研制的新型電控汽缸注油潤(rùn)滑系統(tǒng)如圖 2所示。

圖2 自主開(kāi)發(fā)的電控汽缸注油潤(rùn)滑系統(tǒng)

主控制單元接受來(lái)自角度編碼器的主機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)、主機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和來(lái)自負(fù)荷指示傳感器的主機(jī)負(fù)荷信號(hào)以及燃油的含硫量等數(shù)字信號(hào),經(jīng)過(guò)計(jì)算后給出注油定時(shí)和注油量,控制步進(jìn)電機(jī)的啟停和頻率以實(shí)現(xiàn)汽缸油的注入。可根據(jù)需要,依據(jù)柴油機(jī)的工況在控制面板 (HMI)上自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)注油率。

該電控汽缸注油潤(rùn)滑系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上用步進(jìn)電機(jī)和準(zhǔn)確的電子控制單元取代靠鏈條傳動(dòng)的機(jī)械式注油器,將注油壓力由 0.2 MPa提高到 2.0 MPa左右,同時(shí)在噴入時(shí)借助柴油機(jī)在掃氣、壓縮沖程中形成的空氣旋渦氣流,使噴入的汽缸油油滴霧化,促使汽缸油均勻布置,形成理想潤(rùn)滑油膜,因此在潤(rùn)滑效果上遠(yuǎn)好于機(jī)械式注油器,同時(shí)對(duì)汽缸油的需要量也大大減少。

自主開(kāi)發(fā)的電控汽缸注油系統(tǒng)綜合了傳統(tǒng)機(jī)械式注油器 (運(yùn)行安全可靠)、HJSIP注油系統(tǒng) (注油壓力高、布油均勻)、Alpha ACC注油系統(tǒng) (電控定時(shí)精確、注油量隨負(fù)荷等參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié))的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)具有以下特點(diǎn)。

1)注油定時(shí):基于角度編碼器系統(tǒng),通過(guò)傳感器將活塞的運(yùn)動(dòng)信號(hào)反饋到注油器系統(tǒng)控制單元。這樣能夠使在活塞處于最適宜的位置時(shí)向汽缸注油潤(rùn)滑。

2)汽缸注油率:注油量是由注油器系統(tǒng)控制單元?jiǎng)討B(tài)控制的,在綜合考慮了燃油含硫量、柴油機(jī)負(fù)荷和汽缸狀態(tài)等參數(shù)后,確定出最佳注油率。

3)注油壓力:最高 2.0 MPa左右,借助空氣旋渦氣流,使噴入的汽缸油油滴霧,促使汽缸油均勻布置,形成理想潤(rùn)滑油膜。

4)運(yùn)行安全可靠:系統(tǒng)可由機(jī)械式注油器系統(tǒng)和電控注油器系統(tǒng)并聯(lián)而成,即使電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障,機(jī)械式注油器系統(tǒng)可自動(dòng)投入工作。

5)改造安裝方便:原有柴油機(jī)注油系統(tǒng)保持不變,直接加裝電控注油系統(tǒng)。

3.2 實(shí)船測(cè)試結(jié)果

由武漢理工大學(xué)研制的上述電控汽缸注油潤(rùn)滑系統(tǒng),在 2008年通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn),證明能夠完美實(shí)現(xiàn)原定的控制要求,并于 2009年 9月在中遠(yuǎn) (香港)航運(yùn)有限公司 “益佳”輪實(shí)船上進(jìn)行了實(shí)船測(cè)試。 “益佳”輪是一艘 23年船齡的老齡船,主機(jī)型號(hào):MAN B＆W 6L60MC,額定功率 8 235.3 kW,額定轉(zhuǎn)速 100 r/min,服務(wù)轉(zhuǎn)速 76 r/min;缸徑 0.6m,活塞行程 1.944 m,屬于長(zhǎng)沖程主機(jī)。試驗(yàn)期間主機(jī)各項(xiàng)工作參數(shù)正常,主機(jī)停機(jī)期間,打開(kāi)排氣閥對(duì)缸壁進(jìn)行拍照,未發(fā)現(xiàn)異常劃痕。

“益佳”輪主機(jī)原采用機(jī)械式汽缸油注油器,據(jù)航海日志記錄統(tǒng)計(jì),每天 (24 h)消耗汽缸油164 kg;目前安裝電控汽缸注油潤(rùn)滑系統(tǒng)后平均日耗汽缸油量 110 kg,每天可節(jié)約汽缸油 54 kg。按每年航行 260天,可節(jié)約汽缸油 14 040 kg。按2 000美元/t,一年可節(jié)約人民幣約 22萬(wàn)元。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),只要調(diào)整基本參數(shù),還有 20%以上的節(jié)油潛力。

4 小結(jié)

Alpha ACC電控汽缸注油系統(tǒng)和自主開(kāi)發(fā)的電控汽缸注油系統(tǒng)的應(yīng)用表明,電控汽缸注油系統(tǒng)在改善汽缸潤(rùn)滑效果、降低汽缸磨損率、降低汽缸油的消耗、降低柴油機(jī)微粒排放以及提高柴油機(jī)的工作可靠性等方面有很好的效果,因此對(duì)其應(yīng)用前景非常看好,是船用主機(jī)汽缸潤(rùn)滑設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。

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