導(dǎo)讀

　　全球經(jīng)濟(jì)和國(guó)際貿(mào)易的不斷發(fā)展使船舶運(yùn)輸占據(jù)超過(guò)90%的全球貿(mào)易份額，但同時(shí)面臨能源緊缺挑戰(zhàn)。

　　船舶航運(yùn)業(yè)為解決問(wèn)題積極尋求新的解決方案，如核能、太陽(yáng)能、潮汐能和風(fēng)能等新能源的研究與開(kāi)發(fā)。

　　雖然核能和風(fēng)能已在船舶上部分應(yīng)用，但普及還需時(shí)間，目前內(nèi)燃機(jī)仍是商船的主要?jiǎng)恿ρb置。

　　為提高經(jīng)濟(jì)性、機(jī)動(dòng)性，滿足國(guó)際排放標(biāo)準(zhǔn)及維護(hù)管理，船舶航運(yùn)業(yè)持續(xù)創(chuàng)新。

　　關(guān)鍵措施包括開(kāi)發(fā)新型燃料和改進(jìn)柴油機(jī)技術(shù)，如液化天然氣和酒精燃料成為重要研究方向。

　　同時(shí)，采用新型燃燒技術(shù)、絕熱材料和廢熱回收設(shè)備等是關(guān)鍵技術(shù)途徑。

　　船舶主推進(jìn)動(dòng)力裝置需要具備快速啟動(dòng)、靈活換向、可調(diào)變速和可靠制動(dòng)等能力，計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步為優(yōu)化柴油機(jī)機(jī)動(dòng)性提供支持。

　　歐洲國(guó)家限制船舶燃料油硫含量，國(guó)際海事組織(IMO)提出新排放限制，創(chuàng)新改進(jìn)柴油機(jī)以適應(yīng)不同排放要求成為必然趨勢(shì)。

　　在線監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)并自動(dòng)調(diào)節(jié)工況，是有效降低排放的關(guān)鍵手段。

　　為提高可靠性和安全性，船舶航運(yùn)業(yè)簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用電子技術(shù)進(jìn)行在線監(jiān)控和優(yōu)化柴油機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)置可靠有效的保護(hù)系統(tǒng)。

　　

　　一、智能柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　世界船用低速機(jī)有MAN、WinGD 和三菱 UE 三大品牌。

　　文章介紹MAN和WinGD兩個(gè)品牌的柴油機(jī)，選取市場(chǎng)上保有量最多的兩種型號(hào)，WinGD6X52-TierⅡ和MANB&W6G50ME-C9.5。

　　其都采用了不同的高壓燃油供應(yīng)系統(tǒng)。

　　在 WinGD6X52-Tier Ⅱ機(jī)型中，燃油供應(yīng)由曲軸帶動(dòng)的復(fù)合凸輪驅(qū)動(dòng)柱塞式油泵，將燃油輸送至高壓燃油集管(共軌)，保持 100MPa 的燃油壓力。

　　同時(shí)，通過(guò)曲軸驅(qū)動(dòng)的另一臺(tái)油泵提供 20MPa 的伺服滑油壓力。

　　控制系統(tǒng)通過(guò)電磁閥控制伺服滑油的進(jìn)出，以驅(qū)動(dòng)活塞快速上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)高壓油泵柱塞產(chǎn)生75～120MPa的高壓燃油，通過(guò)噴油嘴進(jìn)行霧化噴射。

　　在MANB&W6G50ME-C9.5機(jī)型中，高壓燃油供應(yīng)通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)高壓油泵實(shí)現(xiàn)。

　　軸帶軸向液壓泵給油軌輸入滑油，并經(jīng)主滑油濾器后分為兩路。

　　一路用于潤(rùn)滑和活塞冷卻，另一路經(jīng)細(xì)濾器后進(jìn)入柴油機(jī)自帶的增壓泵(雙頭活塞泵)增壓。

　　增壓后的滑油達(dá)到20MPa左右，高壓排至各缸高壓油泵的大儲(chǔ)存器。

　　控制系統(tǒng)同樣通過(guò)電磁閥控制液壓驅(qū)動(dòng)的高壓油泵，使其產(chǎn)生75～120MPa的高壓燃油，再通過(guò)油嘴進(jìn)行噴射霧化。

　　兩種機(jī)型的噴油控制都是通過(guò)控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)給電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，但WinGD6X52-Tier Ⅱ機(jī)型控制的是伺服滑油，而 MANB&W6G50ME-C9.5機(jī)型控制的是動(dòng)力油，用于驅(qū)動(dòng)高壓油泵。

　　作為一種先進(jìn)的燃料供給方式，共軌系統(tǒng)給船用柴油機(jī)帶來(lái)了許多優(yōu)點(diǎn)。

　　首先，該發(fā)動(dòng)機(jī)具有可靈活調(diào)整的噴油壓力，可以根據(jù)不同的工作狀態(tài)來(lái)決定最優(yōu)的噴油壓力，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到節(jié)能降耗、節(jié)能降耗的目的。

　　本項(xiàng)目提出了一種基于電控共軌式燃料系統(tǒng)，利用電磁閥的高速響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料噴射時(shí)刻、噴射速度的精確調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料噴射過(guò)程的精確調(diào)控，進(jìn)而減少尾氣NOx含量，提升燃料經(jīng)濟(jì)性。

　　在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的節(jié)能控制方法。

　　與傳統(tǒng)的機(jī)械噴油系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以降低氮氧化物的排放。

　　為了降低機(jī)械噴油系統(tǒng)的NOx排放，必須減小噴油提前角，但這將造成長(zhǎng)時(shí)間的燃燒和嚴(yán)重的后燃，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

　　而共軌系統(tǒng)通過(guò)增加燃油噴射速率，并適當(dāng)減小燃油噴射提前角，從而縮短全燃燒時(shí)間，并減少NOx的產(chǎn)生。

　　利用電磁閥對(duì)燃油噴射進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)共軌系統(tǒng)的精確控制。

　　在高壓油管道中，沒(méi)有氣泡，沒(méi)有殘留壓力，噴油量變化很小，燃燒壓力、排煙溫度等參數(shù)比較平衡，同時(shí)降低了機(jī)械負(fù)載和熱負(fù)載，降低了柴油機(jī)的機(jī)械作用力、扭矩和振動(dòng)，從而提高了柴油機(jī)的可靠性。

　　該系統(tǒng)還具有對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)的功能。

　　采用電子噴油技術(shù)的低速大排量柴油機(jī)，其控制系統(tǒng)適用于當(dāng)前的機(jī)艙監(jiān)控，利用報(bào)警系統(tǒng)、傳感器、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，使柴油機(jī)工作在最佳狀態(tài)。

　　當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，并給出維護(hù)方案。

　　在大功率、低速的柴油機(jī)上使用共軌裝置，使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，活動(dòng)零件少，可靠性高。

　　采用共軌方式，可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的重量、體積，減少生產(chǎn)、維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)檢修時(shí)間，減少維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)使用壽命。

　　二、故障案例及分析

　　某新造船舶主機(jī)型號(hào)：

　　DMD-WinGD6X52 電噴主機(jī)，配有3臺(tái)燃油增壓泵，每缸3只噴射閥，采用 UNIC flex9520電子控制系統(tǒng)，在運(yùn)行 1000h 起錨靠泊時(shí)，遙控啟動(dòng)首次出現(xiàn)二次重復(fù)啟動(dòng)(一次啟動(dòng)失敗)，在后續(xù)的幾個(gè)航次里主機(jī)啟動(dòng)困難越發(fā)頻繁，駕控、集控，甚至機(jī)旁操縱都啟動(dòng)困難，在機(jī)旁用燃油指令模式才能啟動(dòng)成功(重啟動(dòng))，這樣不僅耗氣量大大增加，也為船舶安全航行帶來(lái)隱患，于是便開(kāi)始進(jìn)行故障排查工作。

　　造成以上故障的原因有：

　?、僦鳈C(jī)電控系統(tǒng)故障(軟件);

　?、趩?dòng)空氣系統(tǒng)故障，達(dá)不到發(fā)火轉(zhuǎn)速 ;

　?、壑鳈C(jī)燃燒室部件故障，壓縮壓力低 ;

　?、苋加拖到y(tǒng)故障。

　　先從主機(jī)電控系統(tǒng)故障(軟件)排除開(kāi)始，因船舶還處于1a 質(zhì)保期內(nèi)，船方要求工程師上船查看主機(jī)電控系統(tǒng)，工程師認(rèn)為可能是主機(jī)軟件問(wèn)題，對(duì)船上 UNIC 系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查均正常，并對(duì)各缸 CCM-20(氣缸控制單元)控制電源由原來(lái)的 24V 調(diào)高至 27V，問(wèn)題并沒(méi)有解決，遂把控制電源電壓調(diào)回到 24V。

　　繼續(xù)查找故障原因，研究主機(jī)啟動(dòng)空氣系統(tǒng)。

　　啟動(dòng)空氣系統(tǒng)原因造成主機(jī)達(dá)不到發(fā)火轉(zhuǎn)速可能是因?yàn)橹鲉?dòng)閥打開(kāi)時(shí)間不夠，或單缸氣缸啟動(dòng)閥打不開(kāi)、關(guān)閉不嚴(yán)引起。

　　輪機(jī)人員利用拋錨時(shí)間，全面檢查空氣系統(tǒng)，主機(jī)備車(chē)，手動(dòng)停止鼓風(fēng)機(jī)，打開(kāi)示功考克。

　　手動(dòng)打開(kāi)主啟動(dòng)閥(由于電噴主機(jī)氣缸啟動(dòng)閥由電磁閥控制，因此只要沒(méi)有啟動(dòng)指令，氣缸啟動(dòng)閥應(yīng)是關(guān)閉的)，各缸示功考克均未有氣體沖出，說(shuō)明各缸的啟動(dòng)閥關(guān)閉良好。

　　隨后盤(pán)車(chē)至各缸發(fā)火角度沖車(chē)，主機(jī)都能轉(zhuǎn)動(dòng)且能達(dá)到發(fā)火轉(zhuǎn)速。

　　至此可以排除啟動(dòng)空氣系統(tǒng)故障。

　　繼續(xù)查看主機(jī)燃燒室部件工況，輪機(jī)人員通過(guò)掃氣口檢查活塞、活塞環(huán)和缸套狀況，未發(fā)現(xiàn)拉缸及斷環(huán)現(xiàn)象，也沒(méi)有明顯竄氣痕跡。

　　開(kāi)啟滑油泵以及伺服油泵在 LDU(本地顯示單元)的排氣閥菜單中，手動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉排氣閥，從排氣閥行程傳感器反饋的數(shù)據(jù)看排氣閥均能正常啟閉，航行時(shí)檢查壓縮壓力正常，因此燃燒室部件故障原因也排除。

　　問(wèn)題始終未解決，決定逐幀查看主機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中各項(xiàng)工況參數(shù)。

　　多次試車(chē)后最終發(fā)現(xiàn)在主機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，在DCM(柴油機(jī)數(shù)據(jù)采集顯示器)的氣缸壓力數(shù)據(jù)界面觀察到 2#、6# 缸發(fā)火壓力明顯低于壓縮壓力，如圖1所示。

　　

　　▲圖1 氣缸壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

　　由此基本判定該故障的主要原因是燃油系統(tǒng)產(chǎn)生的。

　　單缸爆發(fā)壓力低，對(duì)于電噴主機(jī)來(lái)說(shuō)可能是流量限制閥、噴射閥造成。

　　因正常航行時(shí)排溫、爆壓均正常，可以排除流量限制閥故障。

　　輪機(jī)人員對(duì) 2#、6# 缸噴射閥(共6只)進(jìn)行拆解，在試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行噴油試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)泵壓壓力達(dá)到 600bar 時(shí)噴射閥還是無(wú)法噴油(說(shuō)明書(shū)要求噴油壓力 350～450bar)。

　　把6只噴射閥解體發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)閥的閥芯都存在重油粘連現(xiàn)象，導(dǎo)致噴射閥無(wú)法正常噴油，對(duì)該閥清洗活絡(luò)裝復(fù)后泵壓試驗(yàn)400bar左右噴油。

　　裝妥后試車(chē)啟動(dòng)恢復(fù)正常，至此啟動(dòng)困難現(xiàn)象消除。

　　在后面的運(yùn)行中主機(jī)其他缸噴射閥也先后出現(xiàn)噴射閥先導(dǎo)閥粘連問(wèn)題。

　　對(duì)于運(yùn)行 1000h 新造主機(jī)來(lái)說(shuō)，噴射閥出現(xiàn)先導(dǎo)閥閥芯粘連問(wèn)題是不應(yīng)該的(說(shuō)明書(shū)要求噴射閥噴油試驗(yàn) 4000h，更換備件 8000h)。

　　輪機(jī)人員根據(jù)使用情況研究判斷導(dǎo)致先導(dǎo)閥閥芯粘連的主要原因是啟動(dòng)初期重油油溫過(guò)低，最終引起主機(jī)在啟動(dòng)時(shí)困難，而在航行中各參數(shù)正常，是因?yàn)檎＿\(yùn)行后，重油油溫恢復(fù)到 120℃左右。

　　為了防止因重油溫度偏低導(dǎo)致先導(dǎo)閥粘連，采取以下措施。

　　(1)在停車(chē)狀態(tài)下，缸套冷卻水溫度應(yīng)保持在 80℃以上，以保持噴射閥控制元件的溫度。

　　(2)高壓油管、共軌油管采用電加熱保持溫度，在錨泊時(shí)電加熱應(yīng)保持在 110℃左右(天冷時(shí)可以點(diǎn)鍋爐用蒸汽伴行管加熱)以便噴射閥入口有較高的重油溫度。

　　(3)該型號(hào)噴射閥是由4 ～ 5bar 主潤(rùn)滑油來(lái)潤(rùn)滑和冷卻的，40 ～ 50℃的潤(rùn)滑油溫度會(huì)增加噴射閥控制元件中重油凝固。

　　在錨泊靠泊期間，可以關(guān)閉噴射閥潤(rùn)滑油管路上的截止閥。

　　該船在故障發(fā)生以后錨泊時(shí)關(guān)閉冷卻潤(rùn)滑油，先導(dǎo)閥粘連問(wèn)題得到明顯改善。

　　(4)在運(yùn)行期間，燃油的黏度必須保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，如本船加裝180燃料油，黏度應(yīng)控制在13～17cst。

　　但無(wú)論哪種情況重油溫度都不允許超過(guò) 150℃，因?yàn)槌瑴貢?huì)損害材料的機(jī)械性能。

　　三、結(jié) 論

　　這兩種柴油機(jī)應(yīng)該都有相應(yīng)的功率和效率規(guī)格。

　　功率通常用來(lái)衡量發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力大小，而效率指的是發(fā)動(dòng)機(jī)在特定負(fù)荷下的燃料消耗情況。

　　這些柴油機(jī)通常符合IMO 的排放標(biāo)準(zhǔn)。

　　現(xiàn)代的智能船舶柴油機(jī)設(shè)計(jì)注重可靠性和減少維護(hù)工作量，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可用性和可靠性。

　　這些柴油機(jī)通常用于大型商船，如集裝箱船和油輪，因?yàn)樗鼈兊脑O(shè)計(jì)目標(biāo)是在長(zhǎng)途航行和高負(fù)荷條件下運(yùn)行。

　　在船舶行業(yè)中，智能柴油機(jī)的發(fā)展已經(jīng)取得重大進(jìn)展，成為推動(dòng)船舶性能和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　通過(guò)引入先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)和自動(dòng)化系統(tǒng)，智能柴油機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和性能，提高燃燒效率和能源利用率，降低燃油消耗和排放物排放。

　　船舶智能柴油機(jī)的比較研究對(duì)船舶行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展具有重要意義。

　　通過(guò)比較不同制造商的智能柴油機(jī)的性能和功能，可以為船主和船舶設(shè)計(jì)師提供選型和優(yōu)化方案，以滿足不同船舶的需求和應(yīng)用場(chǎng)景。

　　然而，船舶智能柴油機(jī)的比較研究也面臨一些挑戰(zhàn)和限制。

　　首先，不同制造商的智能柴油機(jī)可能采用不同的技術(shù)和系統(tǒng)架構(gòu)，導(dǎo)致比較結(jié)果的不一致性。

　　其次，智能柴油機(jī)的性能和效果受到船舶操作和維護(hù)的影響，需要考慮到實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和條件的差異。

　　此外，智能柴油機(jī)的發(fā)展仍處于不斷演進(jìn)和改進(jìn)的階段，可能存在一定的技術(shù)局限性和成本挑戰(zhàn)。

　　然而，在面對(duì)這些挑戰(zhàn)和限制的同時(shí)，船舶智能柴油機(jī)的比較研究依然具有重要的意義。

　　只有通過(guò)深入的研究和比較分析，才能更好地了解和評(píng)估智能柴油機(jī)的性能和效果，為船舶行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的依據(jù)和指導(dǎo)。

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　　原創(chuàng)作者系：

　　寧波海運(yùn)股份有限公司

　　蔣譯葦、劉士光、趙國(guó)寶