基于油耗率的船用低速柴油機(jī)燃燒故障診斷

孫秀成， 譚親明， 曾向明， 周大平

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306)

長久以來，柴油機(jī)已成為貨物運(yùn)輸船舶推進(jìn)動(dòng)力裝置的主流，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系著船舶安全。因此，對(duì)柴油機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測并診斷故障，提高設(shè)備的維修效率，從而確保系統(tǒng)正常運(yùn)行和保持最佳的運(yùn)行工況，為船舶安全提供保障,又減輕船員的勞動(dòng)強(qiáng)度。[1]

柴油機(jī)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)和以往相對(duì)落后的監(jiān)控手段給故障的智能診斷帶來極大的困難。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和自動(dòng)化程度的發(fā)展，以故障信號(hào)的檢測、處理和特征提取等為基本技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者基于故障機(jī)理的研究等提供故障類型識(shí)別的智能故障診斷開展廣泛的研究。早在1985年，美國就開始研發(fā)車用柴油機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)，其功能包含有狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、性能優(yōu)化、性能監(jiān)測和預(yù)報(bào)維修等。智能專家系統(tǒng)的核心在于故障信號(hào)特征參數(shù)的提取及故障邏輯推理。隨著振動(dòng)、缸壓和油品等監(jiān)測技術(shù)在船舶上的應(yīng)用，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊診斷等理論對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，最終實(shí)現(xiàn)在線式的故障診斷。[2-4]利用船用柴油機(jī)狀態(tài)特征參數(shù)：振動(dòng)、聲響、油溫、水溫、排氣溫度、輸出功率、油壓、扭矩、轉(zhuǎn)速、油品及煙色等進(jìn)行故障的智能診斷，是今后船用柴油機(jī)的重點(diǎn)研究方向。[5-6]

隨著人們對(duì)船舶排放和能效控制措施的關(guān)注，國際海事組織制定能效管理計(jì)劃以監(jiān)控船舶能耗并進(jìn)行管理，最終實(shí)現(xiàn)減少船舶碳排放目的。船舶能效監(jiān)控系統(tǒng)可為其柴油機(jī)智能故障診斷提供更多的故障狀態(tài)參數(shù)。[7-8]本文旨在通過燃燒故障案例，闡述基于柴油機(jī)故障狀態(tài)信號(hào)特征的故障分析過程,尤其是能效監(jiān)控系統(tǒng)中的油耗率在故障診斷過程中的作用，有效地簡化故障診斷過程并提高排除故障效率，從而為船舶柴油機(jī)智能故障診斷系統(tǒng)的建立提供參考建議。

1 柴油機(jī)狀態(tài)特征參數(shù)

1.1 轉(zhuǎn)速/功率

1) 柴油機(jī)在穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)，其平均轉(zhuǎn)速基本不變，但瞬時(shí)轉(zhuǎn)速是變化的。這是由于柴油機(jī)在工作過程中，需要經(jīng)歷吸氣、壓縮、膨脹和排氣等4個(gè)階段。當(dāng)活塞處于膨脹階段時(shí)，就會(huì)有扭矩施加于曲軸上，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)有增加；而在其他3個(gè)階段，需要曲軸來推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，會(huì)降低瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。因此，柴油機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速是波動(dòng)的，在理想情況下這種轉(zhuǎn)速的波動(dòng)是穩(wěn)定的，且氣缸數(shù)目越多,轉(zhuǎn)速波動(dòng)越小。各缸燃燒及磨損的不同導(dǎo)致柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)并不穩(wěn)定。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況，可作為判斷其工作均勻性的方法，波動(dòng)較大說明各缸的工作不均勻,如單缸不發(fā)火燃燒就會(huì)明顯體現(xiàn)在轉(zhuǎn)速波動(dòng)上。[9]

2) 功率反映柴油機(jī)對(duì)外做功的能力，是柴油機(jī)的重要性能指標(biāo)。但其功率輸出大小主要由外界需要所決定，通過調(diào)整噴油量來滿足功率需求。功率本身對(duì)柴油機(jī)故障診斷并沒有實(shí)際參考價(jià)值，但據(jù)其計(jì)算所得單位功率油耗可為故障診斷提供有效地指導(dǎo)。

1.2 排氣工況

排氣溫度是柴油機(jī)的主要特征參數(shù)，能夠有效表征缸內(nèi)燃燒情況，對(duì)柴油機(jī)故障診斷有著重要的參考價(jià)值。缸內(nèi)燃燒燃油量的增加必然會(huì)導(dǎo)致排氣溫度的上升。柴油機(jī)在某一工況穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，各缸排氣溫度的差異能夠體現(xiàn)各缸燃燒工況的差異。單缸噴油量的增加，燃油延遲噴射、燃燒不完善等引起的后燃，甚至排氣閥提前開啟等都會(huì)引起排氣溫度的異常上升；反之,會(huì)引起排氣溫度一定程度的下降。[10]

1.3 缸內(nèi)壓力曲線

缸內(nèi)壓力曲線是通過適時(shí)采集柴油機(jī)工作過程中缸套內(nèi)壓力，多個(gè)工作循環(huán)壓力平均所得的壓力曲線。[11-12]壓縮壓力、燃燒時(shí)刻、燃燒爆壓和排氣時(shí)刻等在壓力曲線都能得到體現(xiàn),見圖1。

1.3.1壓縮壓力異常

柴油機(jī)活塞上行過程中，壓縮壓力大小主要受進(jìn)氣工況、進(jìn)氣閥關(guān)閉滯后和燃燒室氣密性(氣閥密封性、活塞環(huán)與缸套氣密性等)等影響。壓縮終點(diǎn)壓力的降低會(huì)影響柴油機(jī)燃燒性能，尤其是低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷區(qū)域的發(fā)火性能。

1.3.2燃燒時(shí)刻異常

壓縮壓力、圧縮溫度和燃油噴射系統(tǒng)(噴油時(shí)刻、噴射壓力、燃油品質(zhì)等)等影響噴入缸內(nèi)燃油的霧化及油氣混合的形成，從而導(dǎo)致燃燒時(shí)刻變化,尤其是噴油時(shí)刻對(duì)燃燒時(shí)刻起著決定性的作用，燃燒時(shí)刻的異常也直接關(guān)系到燃燒爆壓和后期燃燒性能。

1.3.3燃燒爆壓

除壓縮壓力和燃燒時(shí)刻對(duì)其有影響外，燃油噴射量和燃油品質(zhì)直接決定燃油燃燒放熱量。缸內(nèi)工質(zhì)成分、工質(zhì)熱工參數(shù)及油氣混合程度對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俾实挠绊憰?huì)引起燃燒爆壓的異常，而燃燒爆壓則直接影響柴油機(jī)的做功性能及本身工作狀態(tài)。

1.3.4排氣時(shí)刻

排氣時(shí)刻異常決定柴油機(jī)膨脹階段對(duì)外做功能力大小，甚至?xí)鹩捎趽Q氣效率(排氣充分性)的變化而影響下一循環(huán)的燃燒。在穩(wěn)定工況條件下，排氣時(shí)刻的變化，將直接在排氣溫度上有所體現(xiàn)。

1.4 燃油消耗率

柴油機(jī)單位功率燃油消耗是衡量柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，可通過監(jiān)測主機(jī)燃油消耗量和曲軸扭矩計(jì)算所得。柴油機(jī)燃油的燃燒效率直接決定油耗率的大小，但并不是影響實(shí)際所測得油耗率的唯一因素。燃油流量計(jì)通常裝設(shè)在供油單元，其后還要依次通過高壓油泵和噴油器等設(shè)備后進(jìn)入柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒，這些設(shè)備的泄漏故障也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算所得燃油消耗率的上升。綜上所述，燃油消耗率能夠作為柴油機(jī)故障診斷的有效參考依據(jù)，以便及時(shí)排除故障,并保障船舶安全并提高其經(jīng)濟(jì)性能。[10]

1.5 進(jìn)氣工況

進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度影響壓縮終點(diǎn)壓力和溫度，進(jìn)而影響柴油機(jī)發(fā)火性能和燃燒性能；其壓力大小影響缸內(nèi)掃氣效率和新鮮空氣進(jìn)氣量，從而影響燃燒效率。進(jìn)氣工況參數(shù)可作為參考依據(jù)，協(xié)同排除故障。[10]

除以上柴油機(jī)特征參數(shù)外，還可通過柴油機(jī)排放氣體成分及濃度分析、柴油機(jī)振動(dòng)分析和燃油供給系統(tǒng)的壓力監(jiān)測等，為柴油機(jī)故障診斷提供更充分的依據(jù)。[9-12]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更多監(jiān)測技術(shù)將在船舶上得到應(yīng)用，為船舶安全提供更為有利的保障。

2 柴油機(jī)燃燒故障案例分析

基于上述特征參數(shù)分析，以B&W 6S35ME-B9型船用低速二沖程柴油機(jī)(技術(shù)參數(shù)見表1)為研究對(duì)象，通過實(shí)例分析柴油機(jī)故障，闡述船舶能效管理中柴油機(jī)油耗率對(duì)故障診斷的有效性。

表1 B&W 6S35ME-B9型船用低速二沖程柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.1 故障特征參數(shù)及分析

B&W 6S35ME-B9型船用柴油機(jī)在142 r/min和3 250 kW工況下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)其進(jìn)氣工況、各缸套內(nèi)壓力、各缸排氣溫度、各缸冷卻水溫度、燃油消耗率(燃油消耗量和扭矩計(jì)算所得)等特征參數(shù)進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測。缸套內(nèi)壓力曲線見圖2。由圖2可知:6號(hào)缸的燃燒爆壓明顯低于其他各缸，引起柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的不均勻性;6號(hào)缸的最高壓縮壓力略低于其他各缸，根據(jù)燃燒理論和經(jīng)驗(yàn)可知,其最高壓縮壓力的下降不足以引起燃燒爆壓的明顯下降,且各缸的噴油時(shí)刻、燃燒時(shí)刻等并沒有發(fā)生明顯的改變，由此可確定燃燒爆壓的降低主要是前期燃燒的燃料減少所引起，主要可能有以下兩方面原因[13-15]：

1) 噴入缸內(nèi)的燃油總量不變，由于燃油品質(zhì)、噴油器噴孔損壞變大等引起燃油霧化不良，導(dǎo)致前期燃燒不充分，缸內(nèi)壓力上升幅度減少。燃油品質(zhì)問題會(huì)導(dǎo)致整個(gè)柴油機(jī)燃燒惡化和缸壓曲線的異常，且不僅僅局限于單缸。如噴油器噴孔損壞引起燃油噴射壓力過低，引起燃油霧化效果不良、前期燃油燃燒量少和放熱量少的同時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致后期燃油燃燒量的增加，做功沖程壓力曲線會(huì)有一定程度的上移(見圖3)，且排氣溫度有所上升。但圖3和表2表明:其膨脹過程壓力曲線并沒有上移，且排氣溫度反而降低，不符合上述故障所對(duì)應(yīng)的柴油機(jī)狀態(tài)特征參數(shù)變化。

2) 缸內(nèi)的燃油噴入總量減少,在相同噴油時(shí)間內(nèi)，燃油噴射壓力的降低或油頭堵塞，會(huì)引起缸內(nèi)噴入的燃油量減少，且油霧濃度也會(huì)隨之變稀，不利于缸內(nèi)燃燒火焰?zhèn)鞑?。因?燃燒爆發(fā)壓力降低，且膨脹做功沖程缸內(nèi)壓力曲線下移，與缸內(nèi)壓力監(jiān)控所得曲線特征一致,如圖3所示。且噴油量的減少必然導(dǎo)致排氣溫度的下降，這與各缸排氣溫度監(jiān)測結(jié)果保持一致(見表2)。由此可判定柴油機(jī)此燃燒異?，F(xiàn)象必然是缸內(nèi)燃油噴射量減少所引起的。

由于船用柴油機(jī)燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，燃油噴射量減少的直接原因也是多方面的。如：噴油孔臟堵、高壓油泵泄漏、高壓燃油系統(tǒng)外泄等。故障原因的多樣性對(duì)故障的排除非常不利，尤其是船用二沖程柴油機(jī)使用多個(gè)噴油器的工作模式，如何確定哪個(gè)噴油器臟堵則更為困難，只有對(duì)其解體檢查后方可確認(rèn)。此時(shí)船舶能效監(jiān)控系統(tǒng)的柴油機(jī)油耗率起到關(guān)鍵性作用，當(dāng)前柴油機(jī)工況下的油耗率顯示為220 g/(kW·h)，明顯高于正常工況下的190 g/(kW·h)。如是噴油嘴的臟堵，會(huì)引起對(duì)應(yīng)缸內(nèi)燃油噴油量的減少，導(dǎo)致其對(duì)外做功能力的下降。在對(duì)外輸出總功率不變的情況下，柴油機(jī)其他各缸噴油量會(huì)適當(dāng)增大以滿足功率輸出要求，其并不會(huì)引起油耗率的大幅增加，因此必然是高壓燃油系統(tǒng)發(fā)生泄漏，柴油機(jī)功率輸出不變，耗油量明顯增加而引起油耗率明顯上升。經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)，高壓燃油系統(tǒng)沒有發(fā)生外泄現(xiàn)象，只能是高壓燃油系統(tǒng)內(nèi)部泄漏。

2.2 故障排除

基于以上分析可知，高壓油泵柱塞套筒泄漏或高壓油泵出口與高壓油管接口泄漏等都會(huì)降低燃油噴射壓力，在相同時(shí)間內(nèi)噴入缸內(nèi)的燃油量減少，從而導(dǎo)致柴油機(jī)產(chǎn)生上述異常工作狀態(tài)。考慮到高壓油泵燃油泄漏的可能性，在其結(jié)構(gòu)上專門設(shè)置有泄油回油接口(見圖4)，并匹配有柴油機(jī)燃油泄漏報(bào)警裝置。對(duì)圖4中高壓油泵出口回油口拆檢發(fā)現(xiàn)有燃油漏出，由此確定高壓油泵出口與高壓油泵接口處有泄漏。經(jīng)短時(shí)間停車，更換高壓油管后，故障現(xiàn)象得以消除，各特征參數(shù)回歸正常：排其溫度為290 ℃，油耗為190 g/(kW·h)，缸內(nèi)壓力曲線見圖5。由圖5所知:6號(hào)缸套內(nèi)壓縮終點(diǎn)壓力低并不是導(dǎo)致其燃燒爆壓明顯偏低的原因。本次故障的燃油泄漏報(bào)警故障沒有發(fā)出報(bào)警信號(hào)，給故障的判斷帶來一定的困難；但船舶燃油消耗率對(duì)故障的排除卻起到關(guān)鍵性作用。

圖4 B&W 6S35ME-B9型船用柴油機(jī)高壓燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5 柴油機(jī)90%工況下正常狀態(tài)各缸缸壓曲線

3 結(jié)束語

經(jīng)過對(duì)MAN B&W 6S35ME-B9型船用二沖程低速柴油機(jī)特征參數(shù)的采集分析和故障的診斷和排除，得出以下結(jié)論。

1) 此故障診斷過程中在燃油泄漏報(bào)警故障沒有發(fā)出報(bào)警信號(hào)的情況下，柴油機(jī)油耗率起到關(guān)鍵性作用，極大地縮小故障診斷范圍，有效地提高故障診斷效率。因此，船舶能效管理系統(tǒng)中的柴油機(jī)燃油消耗率能夠在指導(dǎo)優(yōu)化船舶能耗的同時(shí)，也能夠?yàn)榇皺C(jī)械設(shè)備故障診斷提供有效依據(jù)。

2) 高壓油泵等高壓燃油系統(tǒng)泄漏引起燃油噴射壓力降低，噴入缸內(nèi)燃油量減少，前期燃燒放熱量下降，燃燒爆壓降低，膨脹沖程壓力曲線下移，影響柴油機(jī)的做功性能和工作平穩(wěn)性。

3) 基于船用柴油機(jī)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的復(fù)雜性，根據(jù)單個(gè)特征參數(shù)判斷柴油機(jī)故障存在很大局限性，基于多個(gè)特征參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，縮小甚至確診故障所在是船舶故障診斷的手段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特征狀態(tài)參數(shù)的多樣化將給船舶智能故障診斷帶來新的發(fā)展機(jī)遇，通過對(duì)船用柴油機(jī)的多元信息融合分析,進(jìn)行實(shí)時(shí)在線診斷將成為柴油機(jī)故障診斷工作發(fā)展趨勢。