某船用主机气缸压力过高故障分析与排除

杨 城

（武警士官学校，浙江杭州 311400）

随着世界科技进步，加之生态环境恶化，世界各国都大力发展新能源技术，绿色船舶、绿色航空成为未来发展的重点方向[1]～[3]。船舶因其运载量大、成本低廉，成为世界贸易的主要运输工具。船用柴油机经过两百多年的发展，技术已经取得了极大的进步，在绿色发展方面，传统柴油机存在着短板，但船舶其他类型动力装置替代传统柴油机，还需要相当长的时间。目前，发展势头强劲的燃料发动机主要以天然气-柴油为代表的双燃料发动机[4]，MAN生产的ME-C系列电喷主机，装船量较高，属于市面上的主流机型之一，通过改造亦可成为双燃料发动机[5]。ME-C主机是在MC系列主机基础上升级改造而来，增加了更多的智能化系统以及集成化控制设备，诸如液压供油单元（HPS）、液压气缸单元（HCU）、柴油机控制系统（ECS）、排气阀执行机构等[6]，在运行管理和维护使用方面，十分方便。

本文针对6S50ME-C型柴油机运行过程中出现缸压过高，产生排气阀以及FIVA 阀警报现象，对柴油机进行拆卸检查，排查、分析故障原因，提出对应措施，实现主机正常运行。

1 故障现象分析

某船用主机型号为6S50ME-C，其额定功率8330kW，额定转速为91r/min，在离码头时，负载逐步提升，过程中主机突然发出巨响，随后停车。集控室控制面板出现CCU（气缸控制单元）警报，显示#1缸FIVA阀位置不正常以及排气阀升程降低。

船上人员对主机进行停车检查，发现主机缸盖螺栓错位、垫片损坏，排气阀关闭。随后船员对该缸喷油器以及启动空气阀进行检查，喷油器经过拆卸、检查和测试，结果工作正常。拆卸启动空气阀时，启动空气阀螺栓有两根出现断裂，拆卸后观察到启动空气阀阀顶出气孔部位严重弯曲变形，如图1 所示。通过吊缸检修，发现活塞位置异常，缸盖垫片碎裂，缸盖略有提升，缸套上平面、缸盖下平面以及连杆组件一切正常。因此，将故障初步锁定为控制燃油升压器以及排气阀执行器的FIVA阀。

图1 缸启动空气阀

2 FIVA阀结构及工作原理

HCU液压控制单元属于CCU的一部分，它主要是将系统经过安全蓄压块加压后的液压油输送到排气阀执行器以及燃油升压器中，它由FIVA阀、蓄能器以及气缸注油器三大部分组成，如图2所示。蓄能器主要的作用是稳定液压油的压力，一旦FIVA阀、气缸注油器动作时，压力会呈现波动，蓄能器可以达到很好的稳压效果，维持系统液压油的稳定性；气缸注油器则是控制进入到气缸的滑油油量以及注油定时；FIVA 阀根据CCU 接收到的主机负载工况变化信号，精准控制燃油升压器以及排气阀执行器的动作，从而实现对喷油器定时、定量以及排气阀定时的控制，以达到控制燃烧反应的目的。

图2 HCU的结构组成

FIVA 阀由先导阀、控制柱塞、主阀芯以及反馈信号传感器构成，如图3 所示。其工作原理是：CCU 的控制信号传递到先导阀以后产生动作，在先导阀的作用下，液压油精确控制FIVA阀主阀芯动作，实现对燃油升压器以及排气阀执行器供油通路的控制，主阀芯端部的反馈信号传感器可以对主阀芯的位置及定时进行监控、反馈。

图3 FIVA阀内部结构

3 故障原因分析及排除

FIVA阀内不同的部件出现故障，都会对燃油升压器以及排气阀执行器产生一定影响，但所造成的现象和结果有所差异，从而主机的性能也相应发生变化。在实际使用过程中，可以结合主阀芯的运动过程以及燃油升压器和排气阀执行器的运动规律，进行分析判断，如图4 所示。对于ME 系列主机，当主机转速超过20rpm 时，一旦FIVA 阀反馈的位置超过警报上限或者下限，都将会在ECS 上显示FIVA阀位置故障警报，相反则不会显示任何警报。结合故障产生的缸压过高、排气阀处于关闭状态等现象，初步判断故障产生的原因有反馈信号传感器故障、控制柱塞故障、主阀芯故障和先导阀故障四种情况。

图4 FIVA阀主阀芯运动规律

3.1 反馈信号传感器故障

反馈信号传感器是测量和反馈FIVA 阀位置的重要电子元器件，一旦回路中检测到对安全防护有影响的缺陷时，反馈信号传感器都将快速做出反应，自动打开安全阀，释放缸内的液压油，以防止燃油升压器非定时喷射导致的气缸压力过大，从而引起爆缸事故。在实际的使用过程中，反馈信号传感器测量出现故障、反馈信号超出正常范围4～20mA 时或反馈信号显示具有较高的流量速度波动时，控制系统将停止控制回路，FIVA 阀主阀芯将会上移，促使排气阀执行器通路供油，排气阀将会打开，从而避免产生爆缸的问题。

故障发生时，虽产生爆缸现象，但是排气阀处于关闭状态，与反馈信号传感器失效时产生的排气阀打开现象相矛盾，故可排除此故障原因。

3.2 控制柱塞故障

当控制柱塞出现卡阻或抱死时，FIVA阀自带的安全螺钉将会自动进行泄放，以控制柱塞内的液压油。由于FIVA阀控制柱塞无法自由运动，则主阀芯的运动也相应受限，燃油升压器以及排气阀执行器通路不再受先导阀控制，无法建立油压，该缸表现为缸内不喷油，排气阀状态保持不变；当控制柱塞表面因为磨损出现漏泄，则主阀芯受到液压油的影响发生运动，排气阀执行器油压较低，排气阀将重新关闭，缸内燃烧情况变差，发动机的负荷将会逐渐下降，直到扫气压力减小到预设的安全等级。

故障发生时，排气阀处于关闭状态，如果故障是控制柱塞出现卡阻或抱死所致，则该缸不喷油，不会造成缸压过高现象；如果故障是控制柱塞表面因为磨损出现漏泄所致，缸内燃烧情况变差，负荷逐渐下降，也不会产生缸压过高现象，故可排除此故障原因。

3.3 主阀芯故障

主阀芯常见的故障是阀面磨损或附着颗粒物，导致主阀芯无法关闭而漏泄。当主阀芯表面过度磨损后，液压油油压难以建立，一旦FIVA 阀接收到关闭命令后，阀芯的启闭不严，导致燃油增压器内的油压较低，燃油升压器中的燃油压力建立将会变缓，喷油定时延迟，同时喷射持续期延长，将会导致喷油器喷射燃油雾化效果不好，燃烧恶化。此外，排气阀的启闭也不受控制，将会进一步恶化缸内的燃烧情况，无法达到规定的压缩压力和爆发压力，主机运行异常。

故障发生时，排气阀处于关闭状态，如果故障是主阀芯阀面磨损或附着颗粒物导致主阀芯无法关闭而漏泄，燃油压力建立迟缓，燃烧效果不好，将不会出现缸压过高的现象，故排除此类故障原因。

3.4 先导阀故障

先导阀是FIVA阀的控制中心，通过先导阀阀芯的运动，控制液压油驱动FIVA 阀主阀芯，改变输送到燃油升压器以及排气阀执行器的液压油通路，如图5所示，先导阀常见的故障是漏泄，分两种情况：

图5 先导阀内部结构

第一种是先导阀阀芯磨损、颗粒物卡滞而内漏。先导阀流向控制柱塞的油压难以建立，无法有效对燃油升压器以及排气阀执行器进行控制。如果向燃油升压器供油，主阀芯复位迟缓，则供油未切断，流入燃油升压器的燃油量将会增加，导致缸内喷射大量燃油，活塞上行时喷入的大量燃油，与新扫入的空气和残留在缸内废气中的氧气发生燃烧，从而导致缸压过高；如果向排气阀执行器供油，主阀芯复位迟缓，则排气阀处于开启状态，将会延迟关闭。

第二种则是由于弹簧疲劳失效、复位不严导致先导阀无法正常复位出现的内漏。先导阀内部弹簧以及阀芯的卡阻，导致阀芯无法运动，则会影响FIVA 阀内控制柱塞的运动，油压难以建立，主机自始无法启动。

故障发生时，排气阀处于关闭状态，如果故障是弹簧疲劳失效、复位不严导致先导阀无法正常复位出现的内漏，燃油升压器油压难以建立，主机自始无法启动，不会造成缸压过高的现象，故可排除；如果故障是先导阀阀芯磨损、颗粒物卡滞而内漏，此时向燃油升压器供油，且供油未切断，将会导致喷射油量增加，出现缸压过高的现象。因此，发生此类故障的概率最大。

通过对先导阀拆卸检查，发现先导阀内存在颗粒物堵塞。先导阀阀芯磨损、颗粒物卡滞引起的先导阀漏泄的问题，往往是由于使用的油品质量太差或先导阀过度使用磨损所致，除了更换先导阀外，通常采取在先导阀前加装过滤器，对液压油进行过滤；或定期对液压油进行化验取样，检查液压油的油品质量，及时更换，从而减少先导阀磨损漏泄带来的隐患。必要时，可以检查先导阀阀芯表面的粗糙度。船员更换#1缸先导阀，主机装配运行后，故障排除，主机正常工作。

4 结论

本文主要对某船主机FIVA 阀及排气阀发生警报后，主机缸压过高导致主机无法正常运行进行分析，通过对故障现象进行排查，确定为FIVA 阀故障。FIVA 阀控制燃油升压器和排气阀执行器的动作，对喷油定量、定时以及排气阀启闭起着决定性作用。结合故障产生的缸压过高、排气阀处于关闭状态等现象，初步判断故障产生的原因有反馈信号传感器故障、控制柱塞故障、主阀芯故障和先导阀故障，对四种情况逐一分析和排除，确定故障原因为先导阀阀芯磨损、颗粒物卡滞引起的漏泄，后通过拆检、更换故障先导阀，故障排除，主机正常工作。结合主机故障以及FIVA 阀不同部位故障表现的现象不同，对查找、分析和解决故障起着重要作用。