船机故障心莫慌，遇事不决船机帮
导读
把调速器操纵手柄固定在某一位置时，柴油机就在某一转速范围内运转。
由于柴油机扭矩的不连续性及由其驱动的工作机械阻力矩的不均衡性，柴油机的工作转速就会产生波动。
当这种转速波动超过一定的范围时，机组产生的振动和噪音不但使人感到不舒适，还影响整个机组的性能和可靠性。
通常称这种现象为游车，本文对游车产生的原因进行了分析并提出了解决方法。
一
柴油机游车的分布区
图 1 柴油机游车范围
图1 表示在不同转速和负荷下柴油机游车的分布区域:
(1) 为怠速区域，(2) 为柴油汽车窜动区， (3) 为高速游车区，(4) 为低速负荷游车区域。
二
柴油机的扭矩特性的影响
1.柴油机的扭矩特性及负荷特性(喷油泵供油特性)
柴油机工作的稳定性和柴油机的速度特性与从动机械的特性有关。
柴油机带动从动机械工作时，所发出的扭矩用于克服从动机械的阻力矩。
如果齿杆位于某一位置，柴油机扭矩随转速变化的曲线和从动机械阻力随转速变化的曲线相交于A点时( 如图2所示) ，柴油机所发出的扭矩等于从动机械的阻力矩，此时柴油机能保持在转速ŋA下的稳定。
由于某种原因，当力矩有所增加( 图中虚线) 时，若保持齿杆位置不变，则不平衡的力矩迫使柴油机转速下降，直至柴油机的扭矩等于阻力矩 (图中B点) ，达到新的平衡，于是柴油机在新的平衡转速ŋB下稳定运转。
两曲线的交点处切线的夹角(以下简称交角) α 越大越稳定。
如果柴油机的扭矩和从动机械的阻力矩曲线如图3所示，虽然两曲线能相交于A点，此时两力矩也能处于平衡状态，但这是不稳定的平衡状态。
其原因在于:
当阻力矩增加(图中虚线) 时，两曲线相交于B点，此时柴油机转速必须升高到ŋB才能在B点平衡工作，但实际上，不平衡的阻力矩迫使柴油机转速下降，直至熄火，而不可能在B点稳定工作。
即使外界阻力变化很快消除，但由于柴油机不能回复到原来的平衡位置，无法稳定工作。
两曲线的交角α越大则越不稳定。
由此可看出在(1) ，(2) ， (4) 区域中喷油泵供油量随转速增加而增加的所谓 “右上”特性，对柴油机转速稳定性是不利的。
2.低速、低负荷区域的喷油泵供油量随转速而变化的规律( 喷油量特性)
喷油泵转速、油管残余压力和油量控制杆的位置，决定喷油泵每循环供油量的大小，在(1) ，(2) ， (4) 的低速区域内，由于喷油泵的转速低，柱塞运动速度低，即柱塞运动给予燃油运动的能量低，当喷油系统存在较大有害容积时，喷油量产生异常现象，在低速区域通常可分成如图4 所示的4个区域。
a．无喷射区域
当转速很低时，柱塞运动给予燃油的能量仅使嘴端压力在针阀开启压力下波动，并无燃油喷出，为无喷油区。
b． A 区域
将油量控制杆位置固定时，把喷油泵转速从无喷射转速提高到某一值时，由于燃油的压能很小，以音速传递的压力波的第1波传到喷嘴端时，因其压力低于针阀开启压力，故针阀不开启。
当压力波反射到泵端时因柱塞仍在压送燃油，燃油又得到新的能量，反射波与新的压力波迭加后形成压力更高的第2波再传到喷嘴端，如其峰值超过针阀开启压力，则喷出燃油，通常称这种由第2波进行喷射的区域 为A区( 图5，A) 。
由于是由第2波进行喷射，所以它的喷油始点滞后很长。
c． B 区域
再进一步提高转速，提高了压力波峰值，如压力波的第1波值超过针阀开启压力，则针阀抬起，燃油喷出，但此时压力波峰值并不大，加上因针阀升起时产生的泵吸作用和喷出的燃油带走能量，所以针阀一直在很小的升程下跳动，产生“断续喷射”现象。
当反射波到达泵端时因柱塞在继续压送燃油，故产生第2个更强的压力波，再次反射到喷嘴端，此时有较多的燃油喷出。
该区域的特点是压力波的第1波和第2波均使针阀开启，喷油始点滞后缩短，喷油波形呈现“前平后高”的“双峰”喷射状态(图5，B) 。
这样的喷油特性对柴油机的稳定运转带来不利的影响。
从A区域过渡到B区域的临界转速N大致与 针阀开启压力、油管直径、柱塞直径、柱塞速度、出油阀结构参数等有关。
d． C 区域
再提高喷油泵转速，则压力波峰值也增加，由第1波喷出的油量也增加，第1波反射到泵端时，因喷油泵转速提高使柱塞压送燃油时间缩短，泵端处于开口状态，故再次反射到喷嘴端时压力较低，第2波不能使针阀开启，喷油波形成为由第1波喷射的正常喷射( 图5，C) 。
在从B区域过渡到C区域时，随着转速的增加针阀从部分升起急增到全部升起，故喷油量也很快增加，同样呈现“右上”特性，但比 B 区域稍为平缓(图4，C)
3.解决 B，C 区域异常喷射的措施
B，C 区域的“右上”特性问题，如简单用调速器控制特性是无法解决的。
在低速、低负荷范围内发生异常喷射的主要原因是由于在该范围内喷嘴端压力过低，要解决这类问题可采用限制B区域范围的方法，具体有以下2个措施:
a．用等压出油阀取代等容出油阀
对等容出油阀而言，其减压容积值是根据在标定转速、全负荷条件下不发生二次喷射现象而选定的，而该值在喷油泵低速、小油量时则对油管压力进行过渡减压，导致残余压力过低，喷嘴端压力随之降低。
而等压出油阀在理论上可保证所有转速和负荷条件下油管残余压力不变( 实际上由于燃油的泄漏和压缩损失，在低速、低负荷时油管残余压力有不同程度的下降) ，这样就可限制缩小B区域的范围。
笔者在相同的试验条件下，对在喷油泵试验台上记录的等容出油阀和等压出油阀的喷油量特性数据进行了曲线的制作，如图6所示。
图6 喷油量特性比较
可以看出，采用等压出油阀时无论是在低速区域还是高速区域的喷油量都得到加大，喷油特性得到改善。
b．使用提高低速、低负荷时柱塞速度的凸轮型线
图 7 B 型泵凸轮速度-升程曲线示意图
提高低速、低负荷时的柱塞速度就可增加该范围内的喷嘴端压力，如图7所示(本公司生产的B型泵凸轮特征) 是现有直列式喷油泵广泛使用的较小凸轮升程及较小预行程的所谓T型凸轮，它的柱塞平均供油速度随着负荷减小而逐渐降低，在低速低负荷时，特别在怠速时，柱塞速度很低，喷油量特性容易出现较强烈的“右上”倾向，特别当它与较大的柱塞直径相匹配时，由于大柱塞直径在低速时的大的燃油泄漏损失，使喷油量特性的“右上”倾向更为强烈。
图 8 NP 泵凸轮特征
而采用如图 8 图所示大升程+大预行程+小柱塞直径，由于它与较大的预行程相匹配，在怠速时柱塞速度得到较大的提高，特别当增加凸轮升程时，柱塞速度可成比例增加。
当它进一步与较小的柱塞相匹配时，高的柱塞速度和小的柱塞直径可大幅度减小燃油的泄漏损失，从而可从根本上改善喷油量特 性的“右上”倾向。
本公司生产的NP型喷油泵的凸轮升程为 14.0mm，预行程达到7.4mm，而最大配套柱塞直径只有11.0 mm，但是其匹配的柴油机功率达到了500 kW(12V柴油机) 以上，和发电机组配套的调速率也不大于5%。
三
调速器的静态特性的影响
1.调速器静态特性对高速游车区域的影响
机械调速器大多装在喷油泵的一端，由喷油泵凸轮轴驱动，其工作原理就是调速器的飞锤安装在凸轮轴上随凸轮轴作旋转，飞锤在离心力的作用下向外张开，推动调速套筒的移动，柴油机转速的稳定决定于飞锤所产生的离心力与调速弹簧的弹簧力的平衡，只要移动操纵手柄的位置改变弹簧的预紧力，即可使柴油机在最低或最高转速范围内的任一转速下平稳运转。
图9表示调速器静态特性决定的柴油机的状况。
图9a表示支持力(飞锤离心力) 随滑套位移而变化的规律，即表示柴油机的稳定状态，并且两特性的交角α越大越稳定，这就意味着在支持力不变的情况下，增加弹簧刚度则曲线1变得陡峭，α 角变大，则静态特性变得稳定。
图9b表示恢复力(弹簧力) 随滑套位移而变化的规律，同时表示柴油机的不稳定状态，(2) ，(3) ，(4) 区域中的调速器静态特性形状会对该区域内的柴油机转速稳定性带来很大的影响。
如前所述，调速器的静态特性也即支持力和恢复力随着调速器滑套位移而变化的规律，对调速器的动态稳定性影响很大，进而对柴油机转速稳定性有很大的影响。
以下分别予以叙述。
如图9a所示，要提高飞锤——弹簧机构稳定性有2个途径:
一是使飞锤部件的重量、形状、飞锤脚的设计，使飞锤力随滑套位移的变化规律较为平坦。
二是提高调速弹簧的刚度，但对发电机组而言，因受到调速率的限制只能选用较软的弹簧故其稳定性较差，考虑到调速机构的惯性力、摩擦力、传动间隙等因素对转速稳定性的影响，对于机械式调速器而言极限调速率为3%。
2.调速器静态特性对低速高负荷时游车的影响
在图1中(4) 区域中所产生的游车也称“加载 游车”，在渔轮柴油机上合上离合器，加上螺旋浆负载时往往会因为调速器静态特性不良产生游车。
对于船用、工程机械等柴油机往往采用全程式调速器，如 RSV，RSUV 和本公司生产的B型泵调速器。
这类调速器的调速弹簧与调速器滑套间的倾斜角度随着操纵手柄角度即转速高低而变。
从而使用1个调速弹簧的情况下，使调速率在较广的转速范围内保持在一定的数值范围。
当发动机转速增加时此角度较小，调速弹簧换算到滑套方向的刚度就增加，而当发动机转速降低时，此角度就增大，调速弹簧换算刚度就减小，在怠速时换算刚度最小。
但是，对于船用和工程机械用柴油机如在怠速状况下增加载荷，就容易发生如图9b 所示的不稳定状况。
解决低、怠速时的“加载游车”现象，就要增加此时的静态调速率，就要求增加此时的操纵手柄的角度。
对于RSUV和B型泵类增速调速器还可通过 增加调速齿轮传动比来增加飞锤力，调速弹簧刚度也可相应增加。
四
解决柴油机游车问题的综合对策
如上所述，喷油泵异常喷射现象和调速器的静态特性不良是造成柴油机游车的主要原因，应采用以下措施解决:
a．采用等压出油阀特别是采用能大幅度提高低速时喷油能量的“大凸轮升程+大预行程 + 小柱塞直径”的组合，来消除喷油特性中的“右上”程度。
b．增加调速弹簧的行程，增大弹簧刚度，也即是在选择调速弹簧刚度，飞锤重量或增加调速齿轮的传动比的方法来增大飞锤的离心力，从而提高调速器的响应性。
c．当电站用柴油机的调速率较小时可采用电子调速器来消除游车的现象。
五
结束语
本文论述了柴油机产生游车的原因及其解决对策，从对喷油量特性的异常现象及调速器的静态特性的分析阐明了它们对柴油机游车特性的影响，在怠、低速的中、高负荷范围内因喷油泵的动能不足而产生的异常喷射是产生柴油机在(1) ，(2) ，(4) 区域内游车现象的重要原因。
同样通过选择合理的调速器飞锤重量、弹簧刚度等参数来提高低、怠速时的调速器静态特性的稳定性也十分重要。
本文原创作者系：
江苏南通通力油泵有限公司 季建伟
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