新一代电子脉冲气缸润滑系统

林刚毅，邓健星

（玉柴船舶动力股份有限公司，珠海 519175）

新一代电子脉冲气缸润滑系统

林刚毅，邓健星

（玉柴船舶动力股份有限公司，珠海 519175）

介绍并分析了在Wärtsilä最新的W-X35/40系列柴油机上采用新一代电子控制的脉冲润滑油系统，它由新一代柴油机控制系统UNIC来控制，采用最新型的CLU-5气缸润滑技术，在保持柴油机活塞运动特性的同时，把气缸润滑油注油率的指导值降低到0.6g/kWh，减少了气缸润滑油的消耗，并降低了柴油机的运行成本。

电子脉冲；润滑系统；UNIC控制系统；新特点

0 引言

柴油机作为船舶的动力装置，其长期安全可靠地工作对于船舶运行十分重要[1]。而气缸套是船舶柴油机的重要零件之一，因其内壁工作条件十分恶劣，如润滑不足或润滑不当，将很易发生磨损，若发生磨损将直接影响气缸套与活塞环之间的密封性能，对柴油机的启动、功率损耗、燃油和润滑油的消耗、使用寿命以及排放等都有着重大的影响[2-3]。当代柴油机正向高强度化、燃油劣质化方向发展，燃用劣质燃油所带来的气缸低温腐蚀、固体颗粒磨损、积炭引起的活塞环粘着与气口堵塞等问题，对气缸润滑提出了更加苛刻的要求。

随国际市场原油价格的持续上涨，气缸润滑油的价格也在不断上扬。如何控制船舶柴油机气缸滑油的消耗，减低船舶运营成本，这已成为每家航运企业非常关注的问题。经世界多家公司计算，滑油成本约占主机整个维修保养成本的80%，而气缸滑油成本又占主机滑油成本的90%以上，因此降低气缸润滑油的消耗，已成为继节约燃油消耗之后，降低船舶运营成本又一有效措施。

装配在Wärtsilä W-X35/40系列柴油机上的最新一代电子脉冲气缸润滑系统，采用CLU-5气缸润滑技术，由新一代的柴油机控制系统“UNIC”控制，精确定时的润滑喷射，可随负荷变化而调节，在保持柴油机活塞运动特性的同时，把气缸润滑油注油率的指导值降低到0.6g/kWh，减少气缸润滑油的消耗，以提高柴油机运行的经济性。

1 传统机械式气缸润滑的技术缺陷

传统机械式气缸润滑系统都是通过凸轮轴驱动机械注油器来注油的，注油设备由注油器和注油头组成，每缸设置一个，均由多个柱塞式油泵单元组成，各油泵单元分别将气缸油经气缸周围的注油头供给各缸。这个注油器由链轮传动，带动注油器的凸轮轴做旋转运动，由凸轮顶动小柱塞做往复运动，且柱塞与活塞的运动是相对应的，它的泵油频率与柴油机转速同步，注油量的大小与主机转速的变化成线性关系，它的注油量调节主要依靠手动调节每个注油小单元的柱塞行程来实现。这种设计注油压力低，定时也比较粗放，且不能随着柴油机的负荷变化而变化，往往从可靠性出发，根据最大负荷的需要再加上一定的系数确定喷油量，这就会使低负荷运行时柴油机的气缸注油率偏大。过量的气缸油，不仅浪费了气缸油，增加运行成本，也增加了对环境的污染和污油处理的工作量和费用，同时还造成活塞顶面、气口、排气阀处积炭，引起活塞环、排气阀的粘着，气流通道的不畅，多余气缸油进入活塞下部造成扫气箱着火。

2 电子脉冲气缸润滑系统的优点

电子脉冲气缸润滑系统摒弃了传统机械式的设计思想，采用电子共轨控制技术实现全智能化控制，把传感器、电磁阀及控制装置有机地结合在一起，实现气缸润滑模块化设计，利用脉冲功能以精确的喷射定时和精确计量的喷射剂量向气缸壁表面喷射润滑油，优化和改进了气缸壁表面润滑油的分布状态和气缸润滑特性，精确注油率，从而减少了气缸润滑油的消耗。新一代电子脉冲气缸润滑系统解决了传统机械式注油压力低，以及注油量不能随柴油机工况变化等参数进行调节的问题。

3 W-X35/40柴油机上的新一代电子脉冲气缸润滑系统的工作原理

如图1所示，新一代电子脉冲气缸润滑系统是一个独立系统，它通过嵌置在环绕气缸壁四周方向上多的注油器向气缸壁表面定向喷射加压的润滑油。每个注油器的喷嘴头部有多个喷油孔，以多头射流的脉冲方式从喷油孔各自定向向气缸壁表面喷射润滑油。在气缸润滑油的喷射过程中，润滑油不产生雾化，以防止润滑油挥发到扫气空气中。气缸润滑油注油器带有单向止回阀，工作可靠。气缸润滑油通过具有电子集成监测功能的润滑模块单元上的一个剂量泵，在压力的作用下将其输送给润滑油注油器 。由于在每个气缸上都设置有这样的一个润滑模块单元，所以输送润滑油的管路可与润滑油注油装置以最短的距离连接，以减少管道流通损失。对注油装置来说，不但在定时的设定上具有很大灵活性，而且容积测量法保证了在覆盖柴油机整个负荷范围内润滑油喷射模型的不变。即使气缸润滑处在低进油率时，气缸润油的喷射剂量仍然是一个精确的调整值。每个润滑模块单元都有润滑油管路和伺服油管路，这两条管路是相互独立的。

图1 新一代电子脉冲气缸润滑系统

气缸润滑系统的整个工作过程都由新一代柴油机控制系统“UNIC系统”控制，各个润滑点的气缸润滑油供油量都可以随负荷调节。它采用CLU-5的气缸润滑技术，气缸润滑油泵采用电气控制，喷射压力为50bar，喷射控制已完全整合至UNIC控制系统中，使用与燃油喷射和排气阀控制同样的曲柄转角传感器，不再需要使用CAN-bus延时补偿电气元件。每个CLU-5润滑油泵均带有两个控制电磁阀，这两个电阀处于双保险状态，且控制系统会自动切换交替这两个电磁阀。压力反馈信号的电流强度为4 mA～20mA，传感器安装在润滑油脉冲泵上，用于反馈是否喷射成功及自动补偿系统定时。各缸的气缸润滑系统由对应缸的CCM-20模块控制。CCM-20模块控制两个驱使润滑油喷射的电磁阀。安装在滑油泵上的压力传感器反馈注射定时，并被UINIC系统用于补偿系统液力的和机械的延迟。双重的CAN-bus和电源供给确保工作冗余。可以灵活设定气缸滑油注射定时至需要的曲柄转角，进而控制气缸滑油分配。气缸滑油可以注射到活塞上部、下部和活塞环中间。如果一个转换信号通过柴油机控制系统UNIC发给二位四通电磁阀(CLU-5润滑油泵上的其中一个)，那么电磁阀转换的同时也会引起润滑油泵的中间活塞发生转换。中间活塞向四个静态传递活塞的反方向运动。预先设定润滑油的油量，之后通过控制活塞上的控制油槽传送到润滑油泵上的所有供油出口。在那里，润滑油被动态计量并在高压下送到所指定的润滑油注油器中。同时转换操作，中间活塞的另一边充满了润滑油，当二位四通电磁阀开关重复一次，预先设定剂量的润滑油再次计量送到泵所指定的润滑油注油器中，中间活塞随后回到初始位置。

4 W-X35/40柴油机上的新一代电子脉冲润滑系统的新特点

整个工作过程由新一代柴油机控制系统“UNIC系统”控制。UNIC控制系统是一款嵌入式柴油机控制系统。此系统采用模块模块化设计。UNIC系统设计中考虑了苛刻的主机使用环境，在整个设计过程中专门对使用温度和振动耐久性做了努力。两块机旁显示单元LDU-20，一块安装在自由端机旁操纵箱，另一块安装在集控室。至外部推进控制系统和船舶报警和检测系统使用可靠的总线技术，外部系统充当人机交换界面。UNIC系统结构设计是这样的，一块气缸控制模块（CCM-20）控制一个气缸，当一块CCM-20模块、电磁阀或压力传感器发生故障时，UNIC手动控制板上会有故障指示。故障信息也会传到报警和监测系统。一块CCM-20模块或电磁阀发生故障时，柴油机将降低输出功率（减速运行）。

采用最新的CLU-5气缸润滑技术。在RTA柴油机上，从液压机械控制的CLU-1气缸润滑技术，到后来以电子控制形式的CLU-3气缸润滑技术，无不都是利用蓄压注油器和扫气压力之间的压力差，由驱动机构通过每缸的注油器向气缸壁油槽注入润滑油以达到润滑的目的。在RT-flex柴油机上，采用CLU-4和CLU-4C的电子脉冲气缸润滑技术，摒弃了传统的设计思想，实现了气缸润滑模块化设计，利用脉冲功能，精确喷油定时和精确喷油量，改进了气缸壁表面润滑油的分布状态和气缸润滑特性。W-X35/40柴油机上采用的新一代CLU-5气缸润滑技术，是对电子脉冲气缸润滑技术的进一步优化。无论CLU-4还是CLU-4C，工作动力都来自于伺服油，都带有一个蓄压器，用以避免伺服油管压力油较大的波动，保持伺服油压力稳定。蓄压器充满一定压力的氮气，在起动蓄压器后一周内，至少检查一次充气压力，三个月后再检查一次，并建议每三个月检查一次。在每次检查过程中少量的气体可能泄放到大气中，因此，检查前必须准备一个氮气瓶，以便于补充可能的气体流失。而CLU-5润滑油泵不是依靠伺服油来驱动，供油泵将润滑油加压到大约50bar，当柴油机控制系统UNIC 发出相应的信号时，润滑油就会驱动CLU-5润滑油泵。所有润滑油泵都被连接到供油管，供油管不断地预紧，充当外部的蓄压器并向润滑油泵提供驱动需要的液压，安全阀用于调节需要的运行压力。因此，CLU-5不需要蓄压器，也不需要连接伺服油管，整个结构更加简洁，这就省去了对蓄压器定期检查的维护工作，也避免了运行过程中因蓄压器压漏气而影响气缸润滑的风险。

图2 CLU-4、CLU-4C和CLU-5的实物图

图3为可靠的高压供油单元。供油单元中的两个高压齿轮泵互为备用，在正常运行中，一个高压泵提供必需的润滑油压力。如果一个高压泵有故障，另一个泵保证能驱动润滑油泵必需的润滑油压力，后者通过柴油机控制系统自动转换到开或关。如果没有供油压力或者供油压力太低，相对应的高压泵必须选择关闭，备用泵通过柴油机控制系统由压力开关启动，供油泵润滑油进口压力低压报警就会启动。安全阀保护润滑油系统抵抗过高的压力，当压力大于60bar时安全阀就会打开，润滑油就会通过回油管泄放压力。滤器单元由一个双联滤器组成，其中的一个滤器作为备用，如在运行中的一个滤器故障，可以不用停机直接更换过滤器。

图3 高压供油单元

新一代电子脉冲润滑系统可以灵活设定气缸滑油注射定时至需要的曲柄转角，进而控制气缸滑油分配。气缸滑油可以垂直注射到活塞上部、下部和活塞环中间，也可径向注射到气缸壁上，这样可以确保润滑油更好地分布在活塞的整个工作行程中，使活塞在整个工作过程中都得到良好的润滑作用。喷油时间取决于润滑油的垂直分布，润滑油注油器喷嘴上的喷射孔取决于滑油的径向分布，如图4示。

图4 润滑油垂直喷射和润滑油径向喷射图示

良好的润滑油注油率。气缸润滑油注油率的指导值降低到0.6g/kWh。润滑油供油量可在0g/kWh～10g/kWh调节，变化幅度为每次0.1g/kWh，这些调节可通过UNIC手动控制面板来调节实现。精确的注油率和喷油量，可减少润滑油的消耗，提高柴油机的运行经济性。

5 结论

Wärtsilä最新一代W-X35/40系列柴油机上采用UNIC控制系统的新一代电子脉冲气缸润滑系统， 实现了对注油量、注油压力和喷油定时的全共轨智能电子控制。喷油量可以随着柴油机负荷而调节，气缸润滑油注油率的指导值降低到0.6g/kWh，在既满足柴油机活塞运动特性的前提下，又可减少润滑油的消耗，提高柴油机运行的经济性。新一代电子脉冲气缸润滑系统必将成为气缸润滑系统的主流之一。

[1] 孙建新. 船舶柴油机[M]. 北京: 人民交通出版社,2006.

[2] 李玉林. 脉冲气缸润滑系统的技术特点[J]. 上海造船,2009 (2): 21-23.

[3] 贺玉海. 大型低速船用柴油机新型电控气缸注油润滑系统研究[J]. 内燃机工程, 2010 (4): 69-74.

New Generation of Electric Impulse Cylinder Lubrication System

LING Gang-yi, DENG Jian-xing
(Yuchai Marine Power Co., Ltd., Zhuhai 519175, China)

A new electronic control cylinder pulse lubricating system is introduced to W-X35/40 diesel engine，which is the latest model diesel engine in Wärtsilä. It uses the new UNIC control system and CLU-5 cylinder lubrication technology. While maintaining the good performance of the piston, the guideline values of the cylinder lubricating oil oiling rate are reduced to 0.6g/kWh, which can reduce the cylinder oil consumption and the running costs of diesel engine.

electronic pulse; lubrication system; UNIC control system; new features

U677

A

林刚毅（1984-），男，产品设计工程师。主要从事船用低速柴油机产品开发研究。