瓦锡兰副机排烟温度异常故障实例

作为船用发电机的原动机,瓦锡兰中速机广泛应用于各类船舶,并以自动化程度高、机型结构紧凑、运行稳定等优点而受到轮机管理人员的认可。本文分享一例瓦锡兰柴油机排烟温度异常升高的故障分析及处理过程,供同人参考。

1 故障现象

某船副机型号为瓦锡兰Auxpac 1200 W8L20,额定转速为900 r/min。航行时,单台发电机在网运行且常用负荷约为650 kW。某日航行期间,空压机和压载水泵同时运行,配电板发电机功率表稳定在720 kW。约3 min后运行副机涡轮排烟温度达450 ℃,高温报警。同时发现,各缸排烟温度及涡轮前排烟温度都呈现大幅异常升高现象。最终,涡轮后排烟温度上升到456 ℃时趋于稳定。之后,随着压载水泵的停用,功率下降到680 kW左右时,各缸及涡轮前后排烟温度又恢复到正常范围内。

2 故障原因分析

柴油机排烟温度的高低主要取决于气缸内燃油燃烧的充分程度:燃烧充分,则排烟温度处于正常值;燃烧不充分,则会出现排烟温度高现象。影响燃油燃烧是否充分的因素主要有3个:燃油雾化程度、过量空气因数c和喷油定时。c为实际进入气缸内的空气质量M与喷入气缸内的燃油充分燃烧所需要的理论空气质量M0之比,即c=M/M0。

根据分析并结合经验可知,导致排烟温度异常升高的原因大致有以下几种:

(1)喷油器喷入气缸内的燃油雾化效果差,导致燃烧不充分;

(2)扫气温度高,增压器内部组件脏污,导致c变小;

(3)喷油定时滞后,导致缸内后燃。

如果燃油喷射系统部件故障导致排烟温度异常升高,那么大多表现在单个气缸出现故障,而非所有气缸排温都异常升高,因此喷射系统部件故障可以暂时排除。而本例只有1台副机出现该故障,所以燃油(质量、油温等参数)导致雾化效果差的可能性也可以排除。检查扫气温度、空冷器前后压差、扫气压力、涡轮转速,均未发现异常情况,因此由于空冷器和增压器导致c变小的可能性也可以排除。由于本船副机总运转时间刚过8 000 h,喷油定时出现问题的可能性很小,因此未做该项检查。

仔细查看说明书,发现该机型每缸进气阀顶杆下端都存在一个VIC(Variable Inlet Closing)机构,这是瓦锡兰经典机型所没有的。说明书介绍,当柴油机处于低负荷时该机构处于工作状态,可以延迟进气阀关闭时间、增大气缸进气量,进而改善缸内燃烧质量。该机构停止工作时间点受柴油机转速和负荷2个参数的影响。因发电柴油机的转速一定,故VIC停止工作时间点只与柴油机负荷这1个变量有关。

3 VIC工作原理

VIC系统原理及内部结构见图1。当VIC工作时,控制电磁阀得电,来自系统的压力油进入供油总管1并始终保持系统滑油压力,致使控制阀2始终处于开启位置。当凸轮由图中A位转到B位时,随着滚轮及活塞4的上行,压力油进入缓冲油腔室6。由于泄油孔5被上行滚轮从动件7关闭,因此压力油始终保持在缓冲油腔室6中。当凸轮由图中B位转到C位时,由于缓冲油腔室6内的压力油无法通过止回阀3和泄油孔5泄放,随着滚轮及活塞4下行,缓冲油腔室6内的压力油起到一定的阻尼作用,进而延迟活塞4的下行时间,最终起到延后进气阀关闭定时、增大单缸进气量的作用。当凸轮转到C位置时,泄油孔5打开,缓冲油腔室6内的压力油泄放到油底壳,此时进气阀完全关闭。

如果VIC组件内部密封圈性能变差,缓冲油腔室6内的压力油经由密封圈时,一部分直接泄漏至油底壳,势必造成进气阀处于开启位置的持续时间变短(如图2所示φ0角度变小)。在VIC工作时,任意负荷下所对应的过量空气因数c都会变小,此种情况会出现排烟温度高的现象,但不会只在某一特定负荷下排烟温度迅速升高。本例为排烟温度在特定负荷下迅速升高,故怀疑VIC机构提前停止工作(即φ0=0),进而导致气缸的供气量在特定负荷下瞬间减少而出现排烟温度高报警。

图1 VIC系统原理及内部结构

1—供油总管;2—控制阀;3—止回阀;4—活塞;5—泄油孔;6—缓冲油腔室;7—滚轮从动件

图2 进气阀正时圆 

为证明此判断,在排烟温度出现异常时对图1中的控制电磁阀进行测量,发现该电磁阀已停止工作。至此,可以判定排烟温度异常升高的原因就是VIC机构提前停止工作。

VIC控制电磁阀的断电信号与柴油机负荷有关,而柴油机负荷信号来源于调速器的输出信号,所以VIC控制电磁阀的断电信号取决于调速器的输出信号。当柴油机处于停止状态、高压油泵齿条在零位时,检查调速器的输出指示,发现该指示并不在零位,而是在3%的位置,所以调速器输出的负荷信号永远比柴油机实际输出的负荷大3%。因为系统检测到的负荷信号偏大,所以VIC机构才会在负荷达到680 kW以上时提前停止工作,进而导致排烟温度异常升高。

4 故障排除

根据分析,检查从调速器至高压油泵齿条间的控制机构,并未发现有任何滑动或移位的现象。查阅副机检修记录簿,发现该台副机自出厂以来共检修过5次喷油器,常用负荷下测量爆压并调节部分气缸高压油泵油门齿条不下10次,而且每次都是将排烟温度高或爆压高的气缸油门调小,经过多次重复这样的操作,致使所有8个缸的高压油泵齿条先后都被调小了一些,导致整个油门控制杆向调速器输出增大方向旋转,即同样负荷下对应调速器的输出信号变大(见表1),最终造成VIC机构提前关闭,排烟温度异常升高。

表1 故障前后各参数对比图表

工况	高压油泵 齿条/格	调速器 输出/%	发电机 负荷/kW	VIC工作 状态
正常情况	23	52	720	工作
齿条调小后	21	52	675	工作
	23	55	720	停止

此次排烟温度异常升高的原因最终确认,是人为因素多次调小气缸油门,导致相同负荷下调速器输出信号偏大,即负荷达到680 kW以上时,调速器输出信号值就已经达到VIC机构停止工作的条件,从而触发VIC机构停止工作,最终造成排烟温度异常升高。对此,将8个缸的油门全部调大相同刻度,使停机状态调速器输出指示在零位附近,然后试车并将负荷调至720 kW,发现VIC机构还处在工作状态,各缸排温正常,故障现象消失。

5 结束语

在柴油机低负荷时,VIC机构对缸内燃烧工况起到决定性作用。影响VIC机构工作状态的因素有很多,除本文案例中由于调速器在同等负荷下输出值偏大造成VIC机构提前停止工作外,VIC机构内部的密封件老化、系统滑油脏污导致的密封件磨损等,都会不同程度地恶化VIC机构的工作状态,进而影响柴油机缸内燃烧质量。因此,除平时多注意柴油机的各项运行参数,确保柴油机运行在最佳工况外,还须严格按照说明书推荐的使用时间进行解体清洁,检查或更换密封件,并定期送检系统滑油至实验室，确保滑油各项指标在正常范围内，减少出现因VIC机构故障而导致柴油机工况变差的现象发生。

随着科技的进步、船舶设备更新换代迅速，为满足日益严苛的各种法规要求，设备控制系统也越来越复杂。作为现代化船舶的轮机管理人员，平时要多翻阅设备说明书，仔细研究各部件的原理，了解设备的整体性能，出现问题时不能仅凭经验主义，必须客观对待每个故障，根据说明书系统分析故障原因，切不可单一、片面地采取措施。对一些需要调节的参数，更要提前做好调节方案，反复推敲后实施，并做好详细的操作记录，供后续轮机管理人员参考。

参考文献：

[1]米晓东.瓦锡兰副机排烟温度异常故障实例[J].航海技术,2020(02):32-34.

作者简介：

米晓东，轮机长，中波轮船股份公司