浅谈船用柴油机气缸油注油率的管理

内容提要:结合现代柴油机对气缸油注油率的要求,分析 Sulzer-7RT-flex60c型柴油机采用CLU-3气缸油控制系统的特点,提出在正常模式及应急模式下对气缸油注油率的调节方法和依据。

关键词:柴油机 气缸油 注油率 变频器 管理

某轮主机型号为:苏尔寿Sulzer-7RT-flex60c,额定转速: 114RPM,额定功率:16 520KW,是当前先进的无凸轮共轨电喷式二冲程十字头柴油机。主机遥控采用挪威KONGSBERG公司的 NORCONTROL AutoChief-4控制系统,其气缸油控制则采用CLU-3控制系统。

1. 故障简述

2009年7月30日,该轮在太平洋航行时,主机转速106RPM,气缸油控制系统的变频器突然失效,CLU-3控制系统自动进入应急模式。此时,气缸油注油泵驱动电机的供电频率,从原来变频器根据主机负荷变化输出的可变频率(主机转速106RPM时约45Hz),变为主电网的固定频率(60Hz)。通过观察气缸油测量柜的油量消耗,发现气缸油的消耗量大幅增大,每天的耗油量从 315kg增加到420kg,无论从经济上考虑,还是根据主机工况的要求,都不能长时间航行。由于船上没有变频器的备件,短期内没有备件可供更换,减少气缸油注油率是当务之急。

2. 气缸油注油率的要求

2.1 气缸的困难

当代大型船用柴油机的高强度化、燃油劣质化,对气缸提出更苛刻的要求。

a.由于活塞的往复运动,速度的大小和方向都在不断交替变化,通常不能形成液体动压,多为边界。

b.高温,通常活塞环槽表面温度为100℃~200℃,缸套上部气缸壁表面温度最高,达到180℃~220℃,上止点处缸壁表面温度最高。高温降低气缸油粘度,加快其氧化变质,且缸壁上的油膜被部分蒸发。

c. 燃油燃烧生成物;

固体颗粒,作为磨料且破坏油膜,加剧磨损;

酸性气体低温腐蚀;

残留的催化剂(钒、铬等),高温腐蚀。

所以,缸套上部磨损量最大。

2.2气缸油的作用

a. 在活塞环与缸套、活塞环与环槽之间形成油膜,减少摩擦;

b. 中和燃油燃烧产生的酸性物质,减少腐蚀;

C. 清洁活塞环、环槽和气缸壁。

2.3 气缸油的注油率

气缸油注油率是指单位时间单位功率注入气缸的气缸油的重量。

最佳注油率,应保证缸套的最小磨损、最大清洁度、最佳经济效益(例如滑油费用、备件更换费用、停航损失等)。

注油率太低,油膜形成不完整,活塞环与缸套间就会形成半干摩擦,这种情况下就增加了活塞环与缸套的过量磨损,增加漏气,而泄露的燃气又会破坏缸壁上的油膜,严重时可产生拉缸和咬缸。

注油率太大,除经济因素外,多余部分的气缸油被活塞环刮入燃烧室,且不能完全燃烧而形成油渣颗粒,存在于活塞环和缸套之间时,将在两者之间形成磨料磨损,其进入活塞环槽内时,除增加环与槽的过度磨损外,还可能致使活塞环卡死在环槽内,造成密封不良而燃气下窜,下窜的高温高压燃气又破坏了油膜的形成,进而加剧了环与缸套的过量磨损,严重时也可形成扫气箱着火、拉缸和咬缸现象。

最佳注油率的特征:

缸壁表面湿润干净;

活塞环,环面光亮,环面上下的倒角未磨平(若注油率合适,正常的使用寿命内倒角不会磨平),首环干燥,第二环半干半湿,其余环湿润。

气缸油的注油率要达到最佳状态以满足主机的正常工况,这就给其控制系统和管理人员提出了很高的要求。

3. 本轮主机CLU-3气缸油控制系统的特性

船用柴油机的汽缸油注油系统,最早都采用机械传动方式。近年来,为了减少气缸油消耗量,降低主机运行成本,各厂家都在改进和开发汽缸油注油系统。本轮苏尔寿Sulzer-7RT-flex60c型主机,则将变频技术应用到汽缸油的控制系统。

3.1 气缸注油泵由电动机驱动,电动机的转速则通过控制其输入电源的频率而实现

以主机功率为依据,通过CLU-3气缸油控制系统的一个变频器进行控制调节。根据实测的主机负荷和转速,结合注油泵供油系数等参数,AutoChief-4计算出此工况时主机所需气缸油的注油率,并发出一个与此注油率相对应的模拟量信号(4~20mA)给变频器,再由变频器输出一个确切的频率给电动机,而电动机又经过齿轮变比驱动气缸注油泵。这样,气缸注油泵的转速,与变频器输出的频率之间就形成了一一对应关系:注油泵转速= C x 电动机的供给频率(本轮Sulzer-7RT-flex60c机型的C=0.763)。也就是通过变频器输出频率的变化来实现对气缸注油率的调节。

3.2注油泵调整盘的调节

本轮主机每一缸设置有上、下两排注油器,由两个独立的注油泵分别供油,注油量分别占总注油量的30%~50%和70%~50%。 每个注油泵设有调整盘,调整盘上有6个设定位置(图1),根据需要可对注油泵进行单独调节,其对应的每冲程注油量如下:

3.3 注油泵供给系数的调节

在AutoChief-4 系统中,还可调节注油泵的供给系数(pump feed factor),其调整范围是0.85~1.15,这是影响AC-4输送给变频器模拟信号的参数之一,对注油率在一定范围内可进行微调,通常设定在“1.00”。

3.4CLU-3控制系统,能在主机负荷2%~100%范围内进行调节,大大降低了气缸油消耗量,并改善活塞在缸内的运行状况。

3.5在应急模式下为恒速率控制

当变频器发生故障、正常的控制系统失效时,自动启动应急模式,以确保主机能够正常运转。此时,以负载为依据对注油率的调节也随之失效,电动机的供给频率为船舶主电网的频率(60Hz)。这时的注油率所对应的是100%负载,因此,在部分负载(如经济航速和机动航行)时的注油率是远远过量的。

3.6具有电子检测器检测的安保功能

当注油量因故达不到设定值或断油时,电子检测器能发出断流警报和主机减速(Slow down)的信号,以实现对主机的安全保护功能。

4. 本轮在正常模式下气缸注油率的确定

由上述分析可以看出,本轮气缸油的注油率由以下三个因素确定:

a. 在AutoChief-4注油泵的供给系数。因为本轮设定为1.00,这个因素可忽略。

b. 注油泵调整盘的所在位置。在正常模式时,本轮注油泵调整盘设定在上2、下4的位置,注油泵与之相对应的每个冲程的泵油量为:0.36 + 0.63 = 0.99 ml/stroke。

c. 变频器根据AutoChief-4实测的主机负荷、转速和供给系数所输出的频率。

例如:当主机转速为106rpm时,测得的单缸输出功率为1800kw,变频器对应输出的频率为45Hz。这时,气缸注油泵每小时的泵油冲程数为: 0.763×45×60=2 060 stoke/h。

24小时7只气缸共消耗的气缸油为:(0.36+0.63)×2060×7×24=342619ml/day。

如气缸油在40℃时的密度为0.92kg/L,那么,气缸油每天的消耗量为315.2 kg/day,注油率为1.042 g/kwh。

5. 本轮在应急模式下对气缸注油率的调节

根据本轮气缸油控制系统的工作原理,当变频器出现故障转为应急模式时,还可以通过调节注油泵调整盘刻度的方法来进行调节,以尽量接近在正常模式时的注油率。

如主机转速在106RPM,在正常模式时,变频器输出频率为45Hz,注油泵单缸每冲程的泵油量为0.99ml/stroke。而在应急模式时,由于注油泵电机的电源频率增大了4/3倍(60Hz),注油泵的泵油量则相应增大了4/3倍。这时,我们只需把单缸每个冲程的泵油量调小3/4倍,即:0.99× 3/4 = 0.7425 ml/stoke,就能接近在正常模式时的泵油量。

于是,把注油泵的调整盘调至上1、下3的位置,与之相对应的每个冲程的泵油量为:0.27+0.47=0.74ml/stroke。这时,可以计算出气缸油每天的消耗量为314.2kg/day,注油率为1.039g/kwh,与正常模式时基本持平。

调整后,通过对气缸油测量柜的油量消耗进行测算,发现气缸油的实际消耗量与理论计算的结果相符。航行三天后进行停车检查,发现活塞环、活塞、缸套及扫气口等部件工况正常。但是,在应急模式时,无论主机是在全速航行,还是机动航行,气缸注油泵电机都是以固定的转速运行,在机动航行时的注油率将大大超出正常值。因此,必须应急申请变频器备件,并尽早更换。

6. 结论

当新的控制系统出现后,管理人员应认真阅读说明书,联系设备本身,对设备各运行参数进行分析研究。如主机在各种运行工况时,变频器所输出的频率数值、主机相对应的输出功率以及此时的气缸油日消耗量,必要时还可以计算出此工况的注油率,以提高自己的管理水平和排除故障的应变能力。