利用VCU的工作原理分析電噴主機排氣閥故障的探究

張國斌

摘 要：首先，通過對文獻的閱讀深入了解VCU的工作原理以及工作的過程，做出VCU的工作原理圖并用文字進行解說;其次，了解何為電噴主機，區別電噴主機與尋常主機的不同，以及了解電噴主機特點和優點;再次，了解主機的排氣閥的作用和其工作的環境，必須深入地了解其出現故障的原因;最后，將學到的VCU工作原理運用到實際中，找出并解決電噴主機的排氣閥故障。

關鍵詞：VCU的工作原理;電噴主機;排氣閥

中圖分類號：U644? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）03-0058-04

1研究目的和意義

主要研究目的是了解VCU的原理并用來排除電噴主機排氣閥存在的故障，保證排氣閥的正常開啟和關閉，防止主機因排氣閥不能正常作業而致使主機無法正常啟動的事件發生，保證船舶運行以及船員人身的安全。讓進行航運的船員們了解到主機的排氣閥仍有可能存在著一些難以檢查明白的故障，特別是在一般的情況下排氣閥其中一部分的節流元件，起到祛除排氣閥驅動油腔中混入的空氣、排氣閥關閉時阻尼緩沖作用、防止閥件過度交變敲擊等作用，由于節流元件滑油的流失，供給油管路會變得堵臟，當排氣閥節流元件運行時，制動管潤滑油的一部分的損失，無法給予正常的補償，制動管路中的仍有空氣存在，致使排氣閥無法正常工作[1]。當這種情況發生時，運用VCU的工作原理來分析并處理，便可以排解掉排氣閥臟堵的故障并使其恢復正常。

2 VCU工作原理

VCU是VALVE CONTROL UNIT的簡寫，即閥控單元。以WARTSILA6RT-FLEX-50主機的VCU的工作原理為例（見圖1）。當主機開始啟動運轉的時候，此主機的油壓就會保持在120bar-200bar之間，此時排氣閥的開關由WECS9520-CONTROL單元控制。每次排氣閥打開的時候（見圖2），共軌閥的上部電磁閥就會因為其電磁線圈通電，由于電磁的作用于共軌閥，打開上部導通，而與之連通的滑動閥芯上部也跟著導通，從主機上獲得高壓液壓的伺服滑油就會驅動工作活塞往上運行，液壓油中的高壓會驅動排氣閥油腔來打開排氣閥。相反地，當排氣閥關閉，共軌閥的下部電磁閥得電時，排氣閥驅動油腔通過伺服油管放油，排氣閥就會在空氣彈簧的作用力下進入關閉的狀態[1回油管有大概2bar-3bar的背壓（見圖1，共軌閥的節流元件會起背壓緩沖的作用），而還有另一路則有主伺服油通過止回閥，來供到VCU的執行活塞排氣閥液壓油腔，補償每當液壓油驅動排氣閥開啟時通過排氣閥上部節流孔溢流的潤滑油。

3 故障主要因素

3.1排氣閥的工作條件

排氣閥是組成燃燒室的運動部件之一，由于其與燃燒產物直接接觸，因此排氣閥是在高溫高壓的狀態下工作的。特別是當排氣閥開啟時，其還要承受著高溫流動氣體的腐蝕，其中包括著高溫腐蝕和低溫腐蝕。因而在主機運行期間排氣閥的都處于高溫狀態，而高溫有可能會降低金屬材料的機械性能，改變材料的形狀;如若排氣閥的閥面密封不嚴時則會導致高溫高壓的燃氣從漏氣處劇烈摩擦排氣閥使其溫度升高，從而導致漏氣加重，形成惡性循環。嚴重時會導致主機停機;排氣閥開啟是電子控制單元通過液壓系統進行控制，閥座彈簧的作用力則是用來關閉排氣閥的，因此，在排氣閥不斷的啟閉的時候密封面錐面還承受著巨大的沖擊性交變載荷。當排氣閥的密封面出現燒損時會造成密封面的接觸面積變小，使得密封面受力加大，導致接觸面的所承受沖擊性交變載荷急劇的增大。而早這種沖擊性交變載荷撞擊下，排氣閥的密封面由于受力不均勻容易使接觸面產生變形和嚴重的磨損。

由于當今的油價不斷上漲，船東為了保證其利益，就會購買更加劣質的燃油，使得排氣閥的工作環境變得更加惡劣，加快著排氣閥的磨損和燒損;再加上輪機管理人員在日常管理上的一些不良的習慣讓排氣閥的壽命變得更短。因此，保證日常規范的管理以也成為了確保主機正常運行的重要因素之一，

3.2排氣閥燒損

氣閥的閥盤錐面燒損是排氣閥常見故障之一。主要原因是由于氣閥錐面密封不嚴密導致燃油燃燒時高溫高壓燃燒產物從密封不嚴的地方泄漏到排氣管路中，而因為燃油燃燒產生高溫高壓燃燒產物不停的從漏氣的地方溢出，使閥盤的漏泄處的溫度不斷的升高，當溫度達到一定的程度的時候，就會容易造成金屬材料被燒熔的現象。下面我們來分析造成排氣閥密封不良的原因有哪些：⑴由于閥盤不制造得不夠均勻以及材料的傳熱性能不良好等，還有排氣閥各個面的受熱面受熱和散熱的條件各不相同，使得排氣閥的閥盤出現熱應力，當熱應力達到一定程度時就會改變排氣閥閥盤的形狀甚至出現裂紋，影響排氣閥的密封性。⑵由于船舶主機燃用的燃油一般都是劣質的燃油，燃燒產物中會含有一定的顆粒，而排氣閥密封錐面在工作溫度下硬度會有所降低，當燃燒產物中的顆粒沉積密封錐面的時候，在氣閥的啟閉會產生沖擊性的交變負荷的撞擊下，使得密封面出現凹坑并貫穿閥面時，就會形成漏氣。

3.3 排氣閥高溫腐蝕

為了航行時候的經濟性，船東在購買燃油的時候一般都會選擇廉價的劣質燃油，然而劣質燃油中一般都會含有一定量的釩、硫等元素。當劣質燃油在燃燒室燃燒產物就會含有釩和硫等氧化物，這些氧化物彼此之間接觸后就會發生化學反應，而且這些氧化物還會和滑油中的鈣元素反應，形成硫酸鈣等，在形成的這些氧化物中，由于硫酸鈣和釩酸鹽的熔點都比較低，而且具有強烈的腐蝕性。當這些具有強烈腐蝕性的鹽類隨著主機的排氣過程經過排氣閥閥盤和閥盤錐面時，由于排氣閥的閥盤真處于高溫狀態，這些鹽類在接觸到怕發閥盤和閥盤錐面時就會熔化并附著在上面，造成排氣閥的腐蝕形成蜂窩狀的凹痕。當這些凹痕聯通的時候就會造成排氣閥密封不嚴而漏氣。上述腐蝕是高溫條件下產生的，所以稱之為高溫腐蝕。這種高溫腐蝕有害元素中以釩的危害性為最大。

3.4閥盤與閥桿斷裂

在閥盤與閥桿的過渡圓角處和閥桿裝設卡塊的凹槽處，這些部位是應力相對集中部位。當應力集中時，就會容易發生疲勞斷裂破壞[2]。造成斷裂的原因有：閥桿與導管的間隙過大;閥盤與閥座的變形使局部受力過大;氣閥間隙過大，敲擊嚴重疲勞破壞;氣閥機構的振動[2]。

3.5氣閥卡死

氣閥卡死主要是因為氣閥的閥桿和導管之間因為間隙過小，當受熱膨脹后二者間隙消失發生卡死現象。另一方面，當閥桿發生彎曲變形時也會使閥桿卡死在導管中[2]。

3.6氣閥彈簧斷裂

氣閥彈簧本身的制作材料不好、結構設計不合理，制造時有缺陷，未按規定的要求正確的使用導致彈簧扭曲變形或達到疲勞極限均會導致斷裂。氣閥彈簧斷裂直接破壞柴油機正常工作，嚴重時，氣閥可能墜入汽缸[3]。

4 如何利用VCU的工作原理解決排氣閥故障

4.1分析故障現象

以某DOOSAN WARTSILA 7RT-flex680（非定速）柴油機為主機的新船在其試航工程中，主機以低于6%額定負荷時運行出現的故障。 有時候主機中的其中一個氣缸的排氣閥出現不能正常關閉而報警，導致主機轉速降低的現象。主機停車一段時間（大概30s左右），然后按下故障的復位按鈕再啟動主機，則故障就會消失;如果船舶正正處于風浪中航行，主機不能停車，則等到船舶可以停車時再做處理。船舶正常航行時沒有其故障。

4.2分析排氣閥的結構

排氣閥主要由緩沖器、雙頭活塞、測量錐塊、位置傳感器等組成。采用雙頭活塞不僅可以減少伺服油的容量，迅速打開排氣閥，能夠讓廢氣排得更干凈，而且可以減緩排氣閥關閉向下的速度而降低排氣閥錐面與底座的交變性沖擊負荷，使排氣閥的維修周期變長。采用位置傳感器能夠遠程控制排氣閥的啟閉，為了工作的可靠性以及延長使用壽命一般都會設置兩個位置傳感器，留一個備用。空氣彈簧采用蝶形彈簧組件來做為阻尼元件。采用這種彈簧組件能夠防止在排氣閥的開啟的液壓作用力和關閉的彈簧作用力不平衡時排氣閥受損。

4.3分析故障點

首先了解此排氣閥動作原理，然后在根據其工作原理來分析故障點可能在的地方。

第一種猜測故障是排氣閥的閥桿及導管發生卡阻。而據故障現象“主機停車一段時間（大概30s左右），然后再次啟動主機，則故障就會消失，”即未對排氣閥進行任何的檢修但其可以自動恢復正常，所以這個猜測不成立。當拆檢排氣閥使并未見到氣閥的閥桿及導管發生卡阻。

第二種猜測的故障是由于空氣彈簧已損壞，導致排氣閥不能夠及時關閉。據故障現象“主機停車一段時間（大概30s左右），然后再啟動主機，則故障就會消失”，即未對排氣閥進行任何的檢修但其可以自動恢復正常，所以這個猜測也不成立。再后來拆檢排氣閥時空氣彈簧正常。

第三種猜測是由于補償油太多了，而回油節流孔太小來不及把全部的補償油完全進行泄放掉，即驅動排氣閥的高壓油不能全部泄壓，阻礙排氣閥關閉。這可以從故障現象“主機停車一段時間（大概30s左右），然后再啟動主機，則故障就會消失”得到證實。主機停車一段時間后，節流孔會保持打開狀態而多余的補償油就可以通過開啟狀態的泄放孔泄放掉，控制開啟排氣閥的液壓油的壓力降低下來，排氣閥上部的空氣彈簧擁有足夠的彈力克服液壓油的向上的壓力完成關閉排氣閥的動作。由此確認故障點是由于補償油油量過多，泄放孔不能夠及時的泄放多余的補償油而導致的。

4.4分析故障機理

做好拆解排氣閥VCU的準備工作，然后對其進行拆解，發現補償油有兩條管路可以進行補償（見圖4）。認真的分析VCU的工作原理，可發現伺服油是經節流（見圖4左節流頭）進人伺服機構的。在查看主滑油系統的管路，發現主滑油經單向閥滑油系統。

5總結

通過運用VCU的工作原理以及排氣閥結構的了解，通過VCU的工作原理認真分析排氣閥故障并且找出發生故障的原因，排除故障，讓排氣閥恢復正常。而且于此事項為例，專門負責排氣閥管理的輪機人員要注意防止排氣閥再次出現此類故障。本文首先了解何為VCU、電噴主機和排氣閥，并通過對VCU的工作原理、電噴主機的運行原理和其優缺方面以及排氣閥的常見故障及其原因進行淺釋，簡單了解VCU的工作原理，深入了解電噴主機排氣閥的常見故障以及故障的原因，學會初步運用VCU的工作原理進行排除電噴主機排氣閥故障，確保不會因為排氣閥故障而影響主機的正常運作。

參考文獻：

[1]王文優. 利用VCU工作原理查找電噴主機排氣閥故障案例分析[J]. 航海，2014，02：55-56.

[2]姜世勛，孫玉濤. 船舶柴油機排氣閥常見故障的預防及處理[J]. 天津航海，2013，01：24-25.

[3]陳善能，馮玉海. MAN-B&W 6L50 MC型主機排氣閥敲擊故障分析[J]. 天津航海，2010，02：21-22.