21/31型发电柴油机燃油供给系统优化设计与实现

潘学义 赵富国 谭 鹏

（中国卫星海上测控部，江苏无锡214431）

0 引言

某船动力机舱的布置满足国际海事组织最新船舶规范，分为前后主、辅机舱，以保证更高的船舶安全性。在前后辅机舱各安装有3台5 L 21/31型主发电柴油机，额定功率1 000 kW，完全能够满足某船特装设备和通用设备的用电需求。针对后辅机舱频繁出现的燃油进机压力低、启动失败报警现象，岗位人员结合机舱布局进行系统排查，最终提出了改造方案，有效解决了无法启机的设计缺陷。

1 系统描述

1.1 故障情况

位于前后辅机舱的6台主发电柴油机在运行过程中总体状态平稳，但后辅机舱3台柴油机频繁出现启动失败报警。经排查，燃油进机压力低、燃油系统进气是导致启动失败的直接原因。对比前后辅机舱的设备状态后发现，前辅机舱燃油系统均无进气和低压现象。

5 L 21/31型柴油机各缸均有独立的喷油装置，包括高压油泵、高压油管和喷油器等。柱塞式高压油泵安装在滚轮导筒上方，滚轮导筒座直接安装于喷油凸轮轴上。高压油泵是由凸轮轴凸轮通过装在滚轮导筒内的滚轮导筒驱动的。如果高压油泵前端的燃油系统进入空气（空气的密度比燃油小），高压油泵在工作时就会一直吸前端的空气，并将空气压缩后送入喷油器，此时喷油器无法喷油，而是将前端的空气压缩后送入气缸，从而使柴油机无法正常发火，导致启动失败。

1.2 原因分析

经过相关技术分析排查和现场勘验，发现后辅机舱燃油日用柜的高度比前辅机舱低一层（一层高度大约2 m），而压力是指垂直作用在物体表面的力，压强表示压力的作用效果，是指单位面积上受到的压力。压强公式：P=ρgh，与高度成正比；压力公式：F=PS=ρghS（ρ≈0.815 kg/m3，S≈0.001 m2）。由此可见，后辅机舱的柴油机燃油进机压力要比前辅机舱大约低16 kPa（0.16 bar），由于某船5 L 21/31型柴油机燃油系统管路上没有供给泵，在停机状态下，由燃油日用柜相对于柴油机的高度产生的压差提供燃油进机压力；在柴油机启动运行后，依靠机带燃油泵提供稳定的燃油进机压力。启动统计情况如表1所示。

1.3 设计缺陷

现场勘验发现，前辅机舱燃油日用柜位于平台甲板，柴油机位于底舱，而后辅机舱燃油日用柜和柴油机均位于平台甲板，因此，后辅机舱日用柜无法在停机状态下保证足够的燃油进机压力。燃油系统部件无法保证绝对密封，从而引起燃油系统进气，在柴油机启动时引发燃油进机压力低和启动失败的报警。

表1 系泊试验期间启动统计表

2 优化设计方案

2.1 优化方案一

针对上述故障及原因分析，结合机舱设计布局，岗位人员结合自身经验，提出在原有的燃油系统管路上加装一台预供泵，为后辅机舱4、5、6号发电柴油机提供稳定可靠的进机压力，并在原有的燃油管路上加装截止阀，防止燃油倒流回燃油日用柜。

系统优化设计方案如图1所示。

图1 系统优化设计方案一

此方案能够为燃油系统提供稳定的进机压力，但是存在改造困难、工程量大、费用高、泵部可靠性差等原因，与下面的方案二相比较不确定性因素过多，故本文不推荐采用此方案。

2.2 优化方案二

方案二对现有燃油系统管路的改造措施如下：首先利用锅炉燃油柜位于上甲板，高出后辅机舱2层的高度优势（大约4 m），对后柴油机形成足够的压差，再进一步合理设计管路。在停机状态下，通过锅炉燃油柜提供燃油进机压力，将管路中空气排出，保证管路中充满燃油。当柴油机启动运行后，再由机带燃油泵提供进机油压。

具体方案如下：在锅炉燃油柜上引出三路管系（本文称其为“注油管路”）分别接入4、5、6号发电柴油机的燃油进机管路，保证柴油机停机时的燃油压力。

系统优化设计方案如图2所示。

图2 系统优化设计方案二

由于锅炉燃油柜容量有限，柴油机运行时必须消耗燃油日用柜的燃油，本文设计在锅炉油柜引出的三路管系和燃油日用柜至柴油机的供油管路上分别加装VCSF11FEB型控制电磁阀，并将该型控制电磁阀的开关信号采集点接入柴油机滑油预供泵的启停开关。

在柴油机停机过程中，当滑油压力低于110 kPa（1.1 bar）时，滑油预供泵自动启动运行，此时，注油管路上的电磁阀自动打开，而供油管路上的电磁阀自动关闭，在柴油机停机状态下确保燃油系统压力正常，为下一次启动提供良好的状态。在启机过程中，当滑油压力超过110 kPa（1.1 bar）时，滑油预供泵自动停止运行，此时，注油管路上的电磁阀自动关闭，而供油管路上的电磁阀自动打开，此时，柴油机转速不断升高，机带燃油泵已逐步建立油压，完全能够为柴油机运行提供稳定的燃油供给。

3 效果验证

在坞修过程中，经岗位人员积极要求，已按照本文的优化思路对燃油管路系统重新进行设计改造，采用油路加装电磁阀控制与柴油机预润滑系统联控方案，消除了燃油日用柜相对于柴油机的高度产生的压差太小的缺陷，提高了燃油进机压力；在柴油机启动运行后，再依靠机带燃油泵提供稳定的燃油进机压力。彻底解决了后辅机舱3台柴油发电机长期出现启动困难和启机失败现象，经设备运行验证，4、5、6号发电柴油机在停机状态下燃油进机压力均正常，数值为40 kPa（0.4 bar），如图3所示；在启机状态下，燃油进机压力如图4所示。

图3 优化设计后柴油机燃油进机压力

图4 优化设计后柴油机动态燃油进机压力

通过柴油机静态与实际运行参数图及表2启动情况统计表可以看出，优化设计后，静态燃油压力与动态燃油进机压力有了明显的优化提高，燃油进机压力低导致启动失败故障彻底消除，且未引发任何新的故障隐患。由此可见，本文提出的系统改造设计方案是正确可靠的，柴油机启动失败这一故障得到了有效解决。

表2 优化设计后启动统计表

4 结语

本文针对某船柴油机出现的启动失败这一现象进行分析，归纳出了其发生的原因，提出了优化解决思路。通过验证，优化设计方案有效提高了某船主发电柴油机的稳定性和实用性，对于类似问题的解决有一定的借鉴意义，能够更经济、更实用、更简便地解决此类问题。