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)和自動化程度的發(fā)展，以故障信號的檢測、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)報維修等。智能專家系統(tǒng)的核心在于故障信號特征參數(shù)的提取及故障邏輯推理。隨著振動、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、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，其平均轉(zhuǎn)速基本不變，但瞬時轉(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個階段。當(dāng)活塞處于膨脹階段時，就會有扭矩施加于曲軸上，瞬時轉(zhuǎn)速會有增加；而在其他3個階段，需要曲軸來推動活塞運(yùn)動，會降低瞬時轉(zhuǎn)速。因此，柴油機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)速是波動的，在理想情況下這種轉(zhuǎn)速的波動是穩(wěn)定的，且氣缸數(shù)目越多,轉(zhuǎn)速波動越小。各缸燃燒及磨損的不同導(dǎo)致柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的波動并不穩(wěn)定。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波動情況，可作為判斷其工作均勻性的方法，波動較大說明各缸的工作不均勻,如單缸不發(fā)火燃燒就會明顯體現(xiàn)在轉(zhuǎn)速波動上。[9]

2) 功率反映柴油機(jī)對外做功的能力，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。功率本身對柴油機(jī)故障診斷并沒有實(shí)際參考價值，但據(jù)其計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，對柴油機(jī)故障診斷有著重要的參考價值。缸內(nèi)燃燒燃油量的增加必然會導(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引起排氣溫度的異常上升；反之,會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采集柴油機(jī)工作過程中缸套內(nèi)壓力，多個工作循環(huán)壓力平均所得的壓力曲線。[11-12]壓縮壓力、燃燒時刻、燃燒爆壓和排氣時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燃燒時刻異常

壓縮壓力、圧縮溫度和燃油噴射系統(tǒng)(噴油時刻、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)致燃燒時刻變化,尤其是噴油時刻對燃燒時刻起著決定性的作用，燃燒時刻的異常也直接關(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刻對其有影響外，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)及油氣混合程度對火焰?zhèn)鞑ニ俾实挠绊憰鹑紵瑝旱漠惓?，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排氣時刻

排氣時刻異常決定柴油機(jī)膨脹階段對外做功能力大小，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)備的泄漏故障也會導(dǎo)致計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算所得)等特征參數(shù)進(jìn)行及時監(jiān)測。缸套內(nèi)壓力曲線見圖2。由圖2可知:6號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,且各缸的噴油時刻、燃燒時刻等并沒有發(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)問題會導(dǎo)致整個柴油機(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，必然會導(dǎo)致后期燃油燃燒量的增加，做功沖程壓力曲線會有一定程度的上移(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,在相同噴油時間內(nèi)，燃油噴射壓力的降低或油頭堵塞，會引起缸內(nèi)噴入的燃油量減少，且油霧濃度也會隨之變稀，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)使用多個噴油器的工作模式，如何確定哪個噴油器臟堵則更為困難，只有對其解體檢查后方可確認(rèn)。此時船舶能效監(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，會引起對應(yīng)缸內(nèi)燃油噴油量的減少，導(dǎo)致其對外做功能力的下降。在對外輸出總功率不變的情況下，柴油機(jī)其他各缸噴油量會適當(dāng)增大以滿足功率輸出要求，其并不會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降低燃油噴射壓力，在相同時間內(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)?？紤]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)燃油泄漏報警裝置。對圖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警故障沒有發(fā)出報警信號，給故障的判斷帶來一定的困難；但船舶燃油消耗率對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警故障沒有發(fā)出報警信號的情況下，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，也能夠為船舶機(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)單個特征參數(shù)判斷柴油機(jī)故障存在很大局限性，基于多個特征參數(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，通過對船用柴油機(jī)的多元信息融合分析,進(jìn)行實(shí)時在線診斷將成為柴油機(jī)故障診斷工作發(fā)展趨勢。