MANB电喷主机排气阀油温过高故障分析

马志超

天津海运职业学院，天津 300350

在当前全球经济低迷，航运市场极度不景气的情况下，各大船东均将消减运营成本作为第一要务。另外，随着国际海事组织（IMO）日益严苛的排放标准的实施，以及国际油价不稳定性和船舶的超大型化趋势，对节能减排的要求逐渐成为船舶主机选择的重要标志。为此，MANB&W公司的ME-C型电喷主机在当今航运市场中逐步取代传统的MC-C型主机。ME-C型电喷主机的喷油、排气、空气分配、气缸注油、调速等功能全部是由柴油机本身的电控系统进行控制。同传统的MC、MC-C型主机相比优点很多，主要表现在油耗低、排放低、热负荷均匀、操纵灵活等[1]。ME-C型主机新增以下部件：液压动力单元（HPS）、液压气缸单元（HCU）、柴油机控制单元（ECU）、电控起动阀（SAV）、起动与换向程序、电子调速功能、辅助鼓风机控制、电子燃油喷射型线（EPIC）、排气阀执行机构、曲轴位置传感系统（CPS）、电控Alpha注油器（ALS）、机旁控制板（LOP），系统还可安装PMI系统及Co Co s-EDS监控系统[2]。ME-C型电喷主机具备以下主要优点[3]：

1）通过电控控制喷油及排气正时，柴油机在各种负荷情况下均能够实现气缸内的最佳燃烧效果；

2）在各种负荷下，燃油喷射压力和喷射率均可优化；

3）提高燃烧效果，改善排放性能，有效降低NOx排放，实现无烟运行；

4）机械传动系统简化，省去了凸轮轴，机械部件大大减少，便于维护；

5）电控实现精准正时，实现各缸热负荷平衡优化；

6）良好运行，合适的监控和故障诊断使维修周期延长；

7）实现更低稳定转速运行；

8）更好的加速、倒车、急停等操作性能；

9）Alpha注油系统集成的气缸注油器系统；

10）在主机的生命期内，用于控制燃油喷射，排气阀开关和液压动力单元（HPS）、液压气缸单元（HCU）、柴油机通讯控制单元（EICU）等各类软件均可以升级优化。

虽然ME-C型电喷主机在节能减排等方面具有绝对优势，但对于轮机人员也提出了更高的要求。本文以MANB&W5G60ME-C9.2型电喷主机为例，说明该电喷主机排气阀结构和工作原理，并通过对该排气阀液压驱动油的油温过高故障进行详细的分析，以期对日后管理MANB&W 5G60ME-C9.2型电喷主机的轮机人员提供一定帮助。

1 MANB&W 5G60ME-C9型主机排气阀结构及工作原理

MANB&W 5G60ME-C9.2型主机采用的是目前最先进的电喷高压共轨技术，柴油机燃油的喷射、排气阀的打开和关闭、换向启动操作等都是由电控单元ECU控制完成的，并且主机允许的各参数都可以通过Co Co S-EDS系统进行实时在线监测，因此排气阀的开启定时、开启行程以及关闭延迟时间等都可以进行在线监测。图1为MANB&W5G60ME-C9.2型主机排气阀结构图[4]。

图1 MANB&W 5G60ME-C9型主机排气阀结构

MANB&W 5G60ME-C9型主机安装了METacho系统，取代传统机型的凸轮轴来采集和确认排气阀开关定时、缸头启动阀定时、汽缸油注油定时，实现智能化控制柴油机的各种定时。在主机曲轴自由端安装有2个曲轴旋转编码器[5]，2个互为冗余。编码器的作用是获得第一缸的上止点位置，并将信号传给电控单元（ECU），当ECU收到信号后，进行电脑计算处理，可以获得排气阀开启定时，并将排气阀开启定时信号传给液压缸单元（HCU）。液压缸单元（HCU）主要执行燃油喷射、排气阀启闭以及气缸注油润滑等动作，其动作由主机电子控制单元（ECU）的程序精确控制[6]。HCU通过控制FIVA阀将启阀高压油连通到排气阀促动器（exhaust valve activator）下方，推动促动器活塞上行，此时，排气阀上方形成高压，排气阀克服空气弹簧力，排气阀打开，排气阀靠空气弹簧关闭。

图2为主机排气阀升程传感器安装位置照片和示意图，左侧为实物照片，右侧为主机电脑控制系统中的示意图。角度编码器根据1缸上止点位置和主机发火顺序，确定各缸的曲轴位置，通过HCU控制FIVA阀来控制排气阀开启和关闭，FIVA阀将高压液压油连接到排气阀促动器，实现对排气阀升程的闭环控制。

图2 MANB&W 5G60ME-C9型主机排气阀升程传感器

ME-C型主机每缸配备一套FIVA阀，液压气缸单元（HCU）对该阀进行全程控制，每个FIVA阀控制该缸的喷油以及排气阀的动作，FIVA阀的三大功能为：精准执行燃油喷射定时，并通过FIVA阀为燃油升压器驱动油缸提供液压动力；精准执行排气阀定时，在排气阀开启和维持开启的不同状态，通过FIVA阀的控制，为排气阀驱动油缸提供不同的驱动力；通过控制液压动力油的流量，控制燃油喷射量的大小，以满足主机的转速、负荷以及油量之间保持稳定[7-8]。MANB&W 5G60ME-C9.2型主机的排气阀打开和关闭的过程如下。

开阀准备。随着主机的运行，在接近排气阀开启的曲轴转角时，液压气缸单元（HCU）的输出电流减小至4～8 m A，线圈产生的磁力减小，FIVA阀内部阀芯在弹簧作用力下回位，使主油路接通排气阀驱动油缸，大流量液压油进入驱动油缸，排气阀开启。同时接通燃油升压器油缸回油，确保燃油升压器不动作。

初始开阀。排气阀初始开阀时，液压气缸单元（HCU）输出的电流接近下限值4 m A，确保FIVA阀的主阀芯完全移到左端，液压油以最大流量进入排气阀驱动油缸，获得最大的开阀动力，以克服开阀时气缸内的压力以及弹簧空气的弹力。

维持开阀。开阀完成后，液压气缸单元（HCU）输出的电流接近上限值8 m A，FIVA阀主阀芯向右移动一个位移。主阀芯通道形成节流，维持少量的液压油进入排气阀驱动油缸，以克服弹簧空气的弹力，维持排气阀开启状态。此过程中油缸的滑油会有一小部分经节流阀流走，排气阀也会有一个微小的关闭动作。

关阀阶段。随着主机的运行，曲轴旋转，转过排气阀开阀的曲轴转角时，液压气缸单元（HCU）输出电流又回到8～12 m A，FIVA阀主阀芯回到中位，接通排气阀驱动油缸的回油油路，排气阀关闭。

2 故障描述

2019年8月6日，皮拉图斯轮从阿根廷港口到澳大利亚港口进行运输作业。大管轮值班时巡视主机，由于天气条件恶劣，船舶晃动加剧。大管轮在主机缸头层检查时，由于晃动，无意中用手扶了一下排气阀的驱动高压油管，发现主机2缸和5缸的排气阀驱动高压油管温度明显高于其他缸，手摸上去发烫。大管轮无法立刻判断出此故障原因，随后通知轮机长一同讨论分析故障原因。轮机长到达现场后用点温枪测量排气阀顶部温度，发现2缸和5缸温度比其他缸高10℃左右；用听诊器或者听诊棒听排气阀顶部的声音，也能听出这两个缸跟其他缸声音不一样，确定这两个缸存在故障。

当时分析该液压油管温度升高，可能的原因有以下几点：

1）故障缸燃烧不好导致排温明显高于其他缸，热量传递排气阀，经过排气阀阀杆传给滑油。但现场观察排温正常，故排除此项。

2）排气阀冷却系统出现问题，导致排气阀温度过高，如冷却水不足等原因也可能使排气阀温度升高[9]，从而导致液压油温度升高。但现场观察水温、水压均正常，故排除此项。

3）排气阀顶部油缸的活塞与油缸本体润滑不好或者活塞环状况不良，摩擦热量大。

3 故障解决过程

对上面的可能原因，进行逐个排查，先简单后复杂。前两种可能性原因已经现场排除。由于现在主机在运行，无法拆检排气阀。到锚地后，大管轮组织对排气阀的拆除，进行维护保养，着重检查排气阀顶部液压油缸的活塞和活塞环，并未发现明显异常。但是为了排除故障就把活塞环换新了。重新装复排气阀，跟船长协商在锚地进行试车，当主机转速达到HALF（一半）时，故障缸的油管温度又高出其他缸，此故障仍然存在。说明此故障并不是油缸活塞摩擦导致，此种可能性排除。在轮机长的组织下，大管轮对该主机说明书进行研究，并根据现场分析可能的原因。由于ME主机有MOP电脑，可以查看很多参数。轮机长和大管轮调取了当时6个缸的HCUEVENTS，根据HCUEVENTS的曲线发现故障缸明显异于其他4个缸。其中HCUEVENTS可以在MOP-B电脑MAINTENANCE的子目录TROUBLESHOOTING里可以找到；在主机运行时可以随时手动抓取当时的曲线，也可以固定间隔时间，例如每月做PERFORMANCE（性能）时抓取一次便于以后观察对比。

另外，对该主机说明书进行研究发现，排气阀顶部存在一个节流阀（如图1中的C所示），节流阀详细结构如图3所示。

图3 节流阀结构

节流阀在排气阀顶部工作情况如图4所示。驱动排气阀打开的高压油由高压油管进入排气阀顶部，油路分为2路，主油路驱动排气阀阀杆，打开排气阀；另外一路油经节流阀中间的小阻尼孔流入C空间，经泄油口回油。经分析，该节流阀阻尼孔的主要作用是卸荷作用。另外，该机构通过阻尼孔的孔径对排气阀的升程进行控制，孔径变大，排气阀升程变小（卸荷作用增强）；孔径变小，排气阀升程变大。如果此节流阀堵塞会导致泄油不畅，排气阀开启后一直保持在最大升程位置，因此，也会导致排气阀驱动液压油反复压缩而致使高压管发热。

图4 节流阀工作情况

通过调取当时6个缸的HCUEVENTS，发现故障缸的曲线与正常工作缸的曲线存在差别，如图5所示。正常工作时（图5-a曲线），排气阀打开后，会慢慢下降，即节流阀阻尼孔起作用；而故障缸的曲线（图5-b曲线），排气阀打开后，升程保持不变，即节流阀阻尼孔未起作用。

图5 主机MOP中的排气阀工作曲线

因此，根据上述分析，可能节流阀堵塞导致排气阀升程变大，高压油温度上升。大管轮即刻组织人员对故障缸的节流阀进行拆除，发现这两个故障缸排气阀上的节流阀堵塞。清通后试车故障现象消失，HCUEVENTS也恢复正常。此节流阀的孔径很小，堵塞物为微小的金属磨粒物质，说明液压系统里有磨损。问题解决后大管轮将液压油的反冲滤器解体清洁。根据本次故障现象以及解决过程的分析，笔者认为，陈明兴所诉在管理ME-C型主机过程中遇到的故障与本次故障现象有相同之处，ME-C型主机排气阀行程报警应该与该节流阀堵塞有一定关系[10]。

4 结论

本次故障的排除，为公司节约了更换排气阀的成本，保证主机的正常运行。HCUEVENTS正常的排气阀曲线在开启后应该有一个稍微倾斜向下的趋势，是因为节流阀会卸荷掉一部分高压油，以防止排气阀升程过大。ME-C型主机伺服液压油引用10%的主机系统滑油，经过滤器过滤（过滤精度6μ）后，进入液压动力单元（HPS）。因此要特别加强滑油的管理，一旦主机系统滑油产生变质，液压元件易损坏，严重时会造成主机无法正常工作。因此，建议轮机管理人员注意以下几点：

1）在船舶航行过程中，遇故障时，应根据说明书，将故障部位的结构和工作原理搞明白，然后再进行有目的的拆解，可收到“事半功倍”的效果。经过故障现象和故障解决过程，以及对主机说明书的分析，ME-C型主机排气阀上方的节流阀的主要作用是卸荷作用，以防止排气阀升程过大。

2）在排气阀的维护保养和拆装过程中，以及主机滑油系统拆装过程中一定要根据说明书要求进行冲洗，注意保持清洁，以防止污染物进入滑油系统。主机滑油定期进行送岸化验，确保滑油的质量，包括滤器前后取样化验，确保精滤器的效用。

3）ME 机型都配有CoCoS-EDS 系统和MOP电脑，智能程度都很高，主机所有参数和运行状况都能从这两台电脑里看到，比如案例里提到的HCUEVENTS，这个要定期保存以便以后观察对比。不同的工况下，定期保存HUCEVEN和HPSEVEN，以方便出现故障时分析对比，建议轮机管理人员加强对CoCoS-EDS 和MOP的学习。