某型 ME﹣C柴油机缸盖抬升故障原因分析

0    引  言

某型 ME﹣C 柴油机在主机台试过程初期偶发缸盖抬升故障 , 影响柴油机试验安全性 , 并可能导致零部件损伤 ,  因此迫切需要寻找出故障原因 , 并制 定相应的预防措施。

1   故障原因分析及检查

缸盖抬升的原因可分为两种 : 第一种是由于缸 盖螺栓拧紧力矩偏小导致缸盖抬升 , 第二种是由于 缸压过高导致缸盖抬升 。故障发生前 , 该主机已磨 合到 65% 负荷 ,  可见缸盖抬升故障不是由于缸盖 螺栓拧紧力矩偏小造成 , 应该是缸压过高导致缸盖抬升。

缸压过高的原因可分为两种 : 第一种是活塞头 有残油参与爆燃 , 第二种是由于喷油及排气阀故障 造成缸压过高。事发后验证表明 , 安保项目后活塞 头无残油参与爆燃 , 可推断是喷油和排气故障造成 缸压过高。因此 , 相应的故障检查和分析范围集中 在燃油喷射系统、控制系统、液压传动系统等部件。 

1. 1   燃油喷射系统喷油器检查

检查喷油器 ,  正常 ,  开启压力 36. 7 MPa ,  在 喷油器要求的 35. 0 (0 ~ +3. 0 ) MPa 范围内。

1. 2   控制系统 MPC 测试

为了检测故障是否是由于 MPC 板故障导致 , 对 MPC 板进行了测试 , 结果表明 :  MPC 各通道正常 , 如图 1 所示 。可见 ,  缸盖抬升不是由于 MPC 板故障引起。

图 1    MPC 板检测结果

1. 3   液压传动系统 FIVA 阀检查

电磁液压多通阀(FIVA)控制高压液压油分别 作用于燃油增压泵和排气驱动泵 , 实现燃油增压和 排气驱动的功能[1] 。故障发生后 ,  FIVA 阀模拟正 常 , 拆解 FIVA 阀本体无异常 , 但 FIVA 引导阀阀 芯存在大量磨痕 , 并发现 3 个异物 , 如图 2 所示。

①号黑色异物 , 外径约 0. 3 mm×0. 3 mm;  ②号黑 色异物 , 外径约 0. 2 mm×0. 2 mm; ③号银白色异 物 , 外径约 0. 2 mm×0. 3 mm 。拆解故障发生前更 换的用于液压油压力泄放的#310 电磁阀 ,  发现一 个黑色异物 , 外径约 3 mm×4 mm , 如图 3 所示。

1. 4   异物理化分析

为了辨别 FIVA 先导阀及#310 电磁阀中的异物 来源 , 对其进行了理化分析。

表 1 ~ 3 为 FIVA 先导阀拆检出的异物理化分析结果 :  异物①主要成分为氧化钙 ,  含有部分金 属 ; 异物②主要成分为氧化铁 ; 异物③主要成分为 铸铁 。表明三个异物的材料均非液压系统高 、低压 管材料 , 而来源于系统外部 。表 4 为#310 电磁阀 拆检出的异物理化分析结果 , 异物为加工铁屑 ,  附 着有氧化钙 、Zn 、P 等杂质 , 来源于系统外部。

2   缸盖抬升机理分析

为寻找缸盖抬升的原因 , 分析了故障状态下的 FIVA 阀动作 , 及其导致的燃油和排气阀动作异常; 同时也分析了故障状态下的缸内压力变化 , 通过这几 个方面的计算和分析 , 从机理上分析缸盖抬升的原 因。为了寻找为何缸盖抬升故障发生时主机安全措施 未起作用 , 还对主机 ECS 安全措施进行了机理分析。

2. 1   故障状态 FIVA 阀动作分析

由于某型柴油机有较完整的主机运行信息记

录 ,  因此可分析故障发生时该柴油机 FIVA 阀的动 作 。由图 4 所示 , 活塞处于下止点附近时 , 排气阀 应该处于打开时刻 ,  图中⑨点位置 , 此时 FIVA 阀 应该有一个较小移动(回移 , 从⑨移到⑩) , 使得 排气阀驱动伺服油流量减小 , 但排气阀仍然应该维 持打开 。而故障发生时 ,  活塞处于下止点附近 , FIVA 阀阀芯没有从⑨移到⑩ , 而是直接回到底(燃 油喷射位置) , 并一直停留在底部 , 使得设定点和 实际的反馈位置脱离 , 也即图 5 中线(1)和线(2) 不再重合 。后果是排气阀立即关闭 , 燃油增压活塞 运动到顶点 ,  喷油量大增。

故障状态下 , FIVA 阀中增压活塞行程达到机械 限位的最大值 , 供油量相应达到最大。经计算 , 燃油 喷射量为正常状态下的 200% , 为额定喷油量的 139% (65% 负荷下正常工作时喷油量为 14 995. 7 mm3 , 100%负荷下额定喷油量为 21 250 mm3 , 故障状态下满 量程喷油量为29 612. 5 mm3 )。65%负荷下正常喷射时 的喷油持续期约 8°CA , 故障状态下喷油持续期约15°CA。图 6 为正常状态和故障状态下的喷油率。

2. 2   故障状态气缸压力分析

以某型柴油机 65% 负荷时排气正时异常及喷 油异 常 状 态 为 边 界 条 件 ,  即 排 气 阀 在 下 止 点 后 4°CA关闭 , 下止点后 6°CA 开始喷油 ,  喷油量为额 定喷油量的 139% ,  喷油 持 续 期 由 8° CA 延 长 到 15°CA为边界条件 , 经过一维和三维仿真计算得到 缸内压力曲线如图 7 所示 。可见在曲轴转角为上止 点前 44°CA 时 , 缸内压力达到 1. 82MPa 后急剧上 升 , 此时开始燃烧过程 。燃烧开始后 , 缸内压力急 剧升到 22. 0 MPa(冷态爆缸压力)时曲轴转角约为 上止点前 21°CA 。当缸内压力达到 28. 0 MPa(热态 爆缸压力)时发生缸盖提升现象 , 此时曲轴转角约 为上止点前 18°CA 。若缸盖没有提升 , 缸内压力继 续升高 , 最高燃烧压力最大可达到 65. 2 MPa。

为了分析仅排气阀异常而喷油正常状态下 , 是 否会发生缸盖抬升故障 , 进一步以柴油机起动过程 转速 11 ( r·min- 1 ) 、排气阀常闭 、正常喷油 、起动 油门 40% (21. 4 (g ·rev- 1 ))为边界条件 , 经过一维 仿真计算得到缸内压力曲线如图 8 所示 。可见 , 在 起动过程中 , 排气阀常闭 , 正常喷油的状态下 , 缸 内最高燃烧压力小于缸盖抬升压力(22. 0 MPa) ,

不足以抬升缸盖 。因此 , 可以断定起动过程中仅排 气阀故障不足以抬升缸盖。

2. 3    ECS 系统安全措施

ECS 系 统 的 安 全 措 施 是[2 ]  :  当 失 电 状 态 时 , 弹簧自动将 FIVA 推至排气阀打开位置 。排气阀控 制若失效 ,  主机降速 , 直到扫气压力低于预设定值 (0. 09 MPa G ) 。主机转速 大 于 20 ( r ·min-1 ) 时 , FIVA喷油窗口监控 : 如发现异常(正时错误 、油量 过大) ,  系统强制 FIVA 打开排气阀 ; FIVA 反馈信号监控 : 超出 4 ~ 20 mA 范围 ,  系统强制 FIVA 打 开排气阀 ; FIVA 阀芯速度监控 : 若过快 ,  系统强 制 FIVA 打开排气阀 。如图 9 所示 ,  为 ESC 系统 简图。

而某型柴油机缸盖抬升故障发生时 ,  主机转速 小于 20 ( r ·min-1 ) , 此时 FIVA 相关安全措施不起 作用 ; 另型柴油机缸盖抬升故障发生时 ,  FIVA 先 导阀受颗粒物影响卡滞 ,  导致 FIVA 相关安全措施 失效。

3   结  论

综上所述 , 故障的直接原因是由于系统清洁问 题引起先导阀卡滞 , 燃油异常喷射 , 排气阀动作异 常 , 导致缸内压力过高 , 缸盖抬升 。但故障的根本 原因是由于先导阀卡滞条件下 , ECS 系统 FIVA 安 全控制策略(强制排气阀开启)失效 ,  造成缸盖抬 升故障。

参考文献

[ 1 ]  MAN B&W Diesel A/S 公 司. MAN B&W Diesel A/S ,Service Experience ,ME and MC Engines [ R] .  2006.

[2 ]  MAN B&W Diesel A/S 公司. MAN B&W Diesel A/S ,ME﹣C Project Guide [ R] . 2005.

来源：柴油机，作者夏倩，朱骏，刘锋华