育鲲”轮主机燃油喷射系统的工作原理和故障分析

1、大连海事大学毕 业 论 文二 O 一 二 年 六 月“育鲲”轮主机燃油喷射系统的工作原理和故障分析专业班级： 轮机管理14姓 名：孙 润 哲指导教师：轮机工程学院内容摘要摘要：“育鲲”轮上主机燃油喷射系统为MAN B&W 6S35MC型高压油泵及非冷却多孔式喷油器，在运转的过程中高压油泵出现供油量减少，喷油器启发压力低导致的喷油量增多故障，结合这些故障，介绍了燃油喷射系统结构和工作原理，进一步分析了喷射系统的故障原因，并根据理论分析和实际操作最终消除了故障,最后提出科学管理的建议和改进措施.关键词：燃油喷射系统 高压油泵 喷油器 故障分析 ABSRACT：The fuel oil in

2、jection system of M/E Yukun is equipped with MAN B&W 6S35MC jerk pump and no cooling orifice nozzle injector. During operations, the fuel oil supplied by jerk pump sometimes is reduced and the fuel injector valve often has a lower open pressure , which leads to malfunctions of an increased fuel

3、oil injection . Combined with these malfunctions , the essay introduced the construction and working theory of the fuel injection system . Then I analyzed the reasons that caused the problems and how to solve them according to the theory analysis and practical operation .Finally I put forward some s

4、uggestions about scientific management and some improvement measures .Keywords ：the fuel oil injection system jerk pump fuel injector malfunction analysis目 录1燃油喷射系统的故障现象12燃油喷射系统1 2.1柱塞式燃油喷射系统22.1.1喷油泵52.1.2喷油器62.2 “育鲲”轮主机燃油喷射系统62.2.1 主机喷油泵62.2.2 主机喷油器73 故障排除73.1故障分析73.2故障排除73.3故障原因83.4管理建议84总结1“育鲲”轮

5、燃油喷射系统的故障分析及电喷技术的浅析前言 柴油机是在气缸内部形成混合气，即在活塞接近上止点时，燃油喷射系统将燃油在极短的时间内以高压喷入气缸，喷入气缸内的燃油变成雾状，实现燃油与空气的混合和燃烧。因此，无论是在制造与调整精度，还是在与整机的匹配方面对燃油喷射系统的要求都十分严格。而且能保证柴油机在动力性、经济性、排放与噪声等方面达到优良的性能，并且能产生足够高的喷油压力，以保证燃料良好的雾化混合和燃烧，使燃油油束与柴油机燃烧室和气流运动相匹配，保证油气混合均匀；能较精确控制每循环喷入气缸的燃油量，且喷油量能随工况变化而自动变化；能保证喷油正时，在柴油机运转工况范围内，尽可能保持最佳的起始喷油

6、时刻、喷油持续时间和喷油规律，以保证良好的燃烧并取得优良的综合性能。 对燃油喷射系统的管理，是轮机管理中的重要环节，但往往由于对高压油泵日常维修保养不到位或燃油使用不当等原因，在船舶燃油喷射系统工作中，喷射系统常出现各种故障，例如，喷油量不正常，喷油正时不对等故障，如果不及时排除，就会影响主机的工作性能。1燃油喷射系统的故障现象 “育鲲”轮上燃油喷射系统为MAN B&W 6S35MC型高压油泵及非冷却多孔式喷油器。2月19号，我们打算从海南洋浦港启程前往锚地。但是当我们备车完毕，大管轮启动主机后，忽然发现5号缸的排烟温度异常低，大管初步判断是喷油量不足，于是马上派人将5号缸的油门拉杆往

7、里推,以图增加其喷油量，但一开始时有卡阻现象，随后发现其排烟温度上升，但是松开拉杆主机继续加负荷后发现温度还是低,这时候2号缸高压油泵又突然出现异常的敲击声，并且二号缸的排温低，大管轮这时将2号缸的示功阀打开，发现从示功阀内有火星冒出，就这样大管反复开关了几次示功阀后，逐渐发现2号缸的敲击声消失，但排温还是低，同时还发现1号缸的排烟温度在低负荷时高。2燃油喷射系统的结构及工作原理2.1柱塞泵式喷射系统现代柴油机广泛采用柱塞泵式喷射系统，如图1所示。这种喷射系统基本组成是高压喷油泵、喷油器及高压油管，称之为泵管嘴系统。柴油机工作时，柱塞3由喷油泵凸轮1（又称燃油凸轮）经滚轮2驱动。凸轮1固定在凸

8、轮轴上，凸轮轴的转动是由曲轴通过凸轮轴传动机构 (图上未示出)带动的。凸轮按一定时刻顶动滚轮，从而保证了喷射定时要求。柱塞3上行其上端面封闭孔A时，泵腔中的燃油受到压缩；当油压升高到克服弹簧5的弹力和高压油管中的残余压力时，出油阀4开启，压力油泵入出油阀空间B，此为供油始点，即所谓喷油正时。高压燃油沿高压油管6传递至喷油器8端空间C，当其油压大于喷油器弹簧7的预紧力时针阀向上跳起，高压燃油经喷孔10喷人气缸。当柱塞3下部的斜槽边缘开启油孔A时，泵腔高压燃经斜槽回油至进油空间，出油阀相继落座，此为供油终点。此后当空间C的油压低于弹簧7预紧力时，针阀落图1典型的柱塞泵式喷射系统简图1-凸轮；2-滚

9、轮；3-柱塞；4-出油阀；5-出油阀弹簧；6-高压油管；7-喷油器弹簧；8-喷油器；9-针阀；10-喷油孔座，喷油结束。柱塞下行时泵腔内为充油过程。2.1.1喷油泵船舶柴油机使用的喷射系统大多属于柱塞泵式直接喷射系统。其主要组成部件是喷油泵与喷油器。喷油泵为柱塞泵，它是喷射系统的核心部件。它的作用除了产生喷射高压外，还有对供油量的定时与定量。其定时供油由凸轮轴上的凸轮安装位置控制，凸轮轴与柴油机曲轴的传动相位确定了整机各喷油泵的供油定时；喷油泵的定量供油取决于柱塞上行时有效供油行程的大小。此有效行程的大小可在柱塞的上行行程中借助于调节机构使一部分燃油回油，流回低压空间加以调节。柱塞式喷油泵的基

10、本组成部分有柱塞与套筒（称柱塞偶件）、凸轮与滚轮、进油阀和出油阀以及调节机构等。根据调节机构的特点可分为回油孔调节式与回油阀调节式两种喷油泵。“育鲲”轮主副机油泵均采是回油孔调节式，本文只介绍回油孔调节式喷油泵。（1）工作原理回油孔调节式喷油泵柱塞与套筒组成一对偶件。柱塞在套筒内由凸轮顶动上下往复运动。当柱塞位于凸轮基圆时位置最低，此时套筒上部进（回）油孔开启，燃油进入泵腔，见图2（a）。柱塞由凸轮顶动上行，在柱塞顶端未关闭回油孔时，泵腔内燃油经回油孔流回进油空间直到柱塞上部端面刚好关闭回油孔时，泵腔燃油开始受压缩，此即为几何供油始点，如图2（b）所示。柱塞继续上行，当柱塞头部的斜槽打开回油孔

11、时，柱塞上方的高压燃油经柱塞头部的直槽和环形槽与回油孔相通而流回进油空间，此即为几何供油终点，如图2（c）所示。从供油始点到供油终点柱塞上行的供油行程称为柱塞的有效行程。此后柱塞继续上行至最高位置，燃油一直流回进油空间。柱塞下行时泵腔经回油孔充油。图2 柱塞泵工作原理图（2）循环供油量调节原理图3为循环供油量调节过程的原理图。当供油量调节机构的调节齿杆拉动柱塞转动时，柱塞上的螺旋槽与柱塞套油孔之间的相对位置发生变化，从而改变了柱塞的有效行程。当柱塞上的直槽对正柱塞套油孔时，柱塞有效行程为零，这时喷油泵不供油，见图3（a）。按照图中箭头所指示的方向拉动调节齿杆6，则调节齿圈11按箭头方向转动，柱

12、塞有效行程增加，喷油泵循环供油量增多见图3（b、c ）。如果朝相反方向拉动调节齿杆，则柱塞有效行程减小，循环供油量减少。图3 循环供油量的调节1-柱塞套；2-柱塞；3、5-柱塞套油孔；4-柱塞腔；6-调节齿杆；7-直槽；8-螺旋槽；9-循环供油量容积；10-控制套筒；11-调节齿圈；12-调节齿圈紧固螺钉2.1.2喷油器喷油器的结构和参数决定着喷雾的质量。喷雾油束要与燃烧室形状匹配以利于形成可燃混合气。喷油器头部与高温燃气接触，工作条件极为苛刻。对喷油器的要求主要有：保证良好的雾化质量和合理的油束形状；喷油开始和结束应利落、无滴漏和二次喷射等异常喷射现象。喷油器中的主要部件是针阀偶件，它由针阀

13、和针阀体组成。针阀由弹簧预紧。当作用在喷油器针阀承压锥面上的油压超过喷油器弹簧预紧力时，针阀开启，高压燃油从喷孔中喷入气缸雾化，此燃油压力称启阀压力。当作用在喷油器针阀承压锥面上的油压低于启阀压力时，针阀关闭。喷油器针阀密封座面以下的容积称之为压力室容积。喷油结束时，针阀座关闭，但压力室中存有燃油，且此部分燃油靠高温蒸发在无喷射状态下进入燃烧室内燃烧，燃烧不完全，使经济性、排放指针恶化。因此，压力室容积应尽量小。图4 针阀结构示意图a）单孔式 b）多孔式 c）轴针式针阀结构如图4所示。图4（a）为单孔式喷油器针阀，图4（c）为单孔轴针式喷油器针阀。单孔式喷油器因雾化质量较差，油束分布不均，一般

14、只用于对喷射质量要求不高的涡流室式和分隔式燃烧室中。图4（b）为多孔式喷油器针阀，所有开式燃烧室柴油机均采用多孔喷油器。对于强化程度较高的中、低速柴油机，大多使用冷却式喷油嘴。这种喷油嘴在针阀体内部布置有冷却液信道用以冷却，这种冷却方式称为内部冷却。冷却液通常采用淡水或燃油。淡水导热系数大，冷却效果好。用燃油冷却无需专门密封，系统较为简单。目前，新型大中型柴油机普遍采用燃油冷却。2.2育鲲轮主机燃油喷射系统MAN B&W6S35型柴油机燃油喷射系统如图5所示 图5 6S35型柴油机燃油喷射系统图每个气缸安装一个高压油泵、两个喷油器。高压油泵从燃油进口管吸入燃油，通过高压油管向两个喷油器

15、同时供油，喷油器向气缸喷入燃油，供主机燃烧。油泵和喷油器均带有回油管路，回油管均汇总到燃油出口管，出口管连接到燃油单元混油桶。当单缸不工作或主机停止时，来自主机燃油单元的高压燃油流经油泵、喷油器，通过回油管回到燃油单元，能够实现燃油的不停流动循环。这样，当船舶进出港或停泊时，主机都不用换用轻油。燃油进口管及出口管之间，安装背压阀。通过调整背压阀的设定值，使燃油进口压力为7-8bar。进口管末端，装有减震器，起到维持进机燃油压力稳定的作用。高压油泵头部有放残通道，如双层高压油管内部管壁破损漏油，燃油会通过放残管路流经主机漏油报警装置，进入燃油放残柜。2.2.1主机高压油泵图6为MAN B&

16、;W 6S35MC型柴油机的高压油泵，其组成包括油泵本体、上盖、柱塞、套筒、吸油阀和泄压阀等。主机每个气缸安装一个油泵。油泵本体由螺栓紧固在凸轮轴箱上部，油泵上盖和油泵本体由螺栓紧固在一起。上盖上部安装有吸油阀、泄压阀和高压油管，下部和油泵套筒紧固在一起。这样，吸油阀、上盖、套筒和柱塞上平面形成燃油密封空间。油泵底角插在滚轮导套内，凸轮轴箱内的凸轮驱动滚轮导套，滚轮导套带动柱塞上下运动。套筒底部安装调节齿圈，齿圈与油门齿条啮合。油泵不工作时，来自油泵燃油进口管8bar压力的燃油克服吸油阀弹簧的压力，将吸油阀打开，进入油泵燃油空间。一部分燃油进入高压油管和喷油器，然后进入喷油器燃油回油管；一部分

17、燃油通过套筒上的回油孔进入喷油泵回油管，这样燃油可以在油泵和喷油器内循环。在使用和停车状态下，燃油都可以在油泵和喷油器内循环，柴油机停车和机动航行时都不需换油油泵工作时，柱塞在凸轮作用下向上运动，关闭套筒上回油孔，燃油被柱塞压缩产生高压，吸油阀在油压作用下关闭，燃油进入喷油器喷入气缸雾化燃烧。当拉动油门齿条时，齿圈转动带动柱塞转动，改变柱塞斜槽和套筒回油孔相对位置，改变喷油量。油泵上盖的泄压阀作用是将燃油泄压。泄压阀上部通入压缩空气管，当主机应急停车或停车时，空气管内通入压缩空气，泄压阀将吸入阀顶开，从而使油泵柱塞无法压缩燃油，主机停车。 图6 6S35MC型柴油机喷油泵2.2.2主机喷油器图

18、7所示是MAN/B&W6S35MC型柴油机使用的一种非冷却多孔式喷油器。这种喷油器的特点是可以使燃油系统中的燃油经喷油泵进入喷油器本体内循环冷却，最后排至混油柜。当该缸喷射期间，高压的燃油首先使燃油循环回路中断，然后高压燃油进入针阀的油腔内，待达到启阀压力时针阀开启进行喷油。供油结束，油压降低，针阀落座。当油压降低至某规定值，上述燃油循环回路重新接通，喷油器本体的燃油循环重新恢复。这种结构不但省略了单独的冷却系统，而且这种燃油循环在柴油机备车期间可对喷油器进行预热,在运转期间对喷油器冷却并兼有驱气作用。喷油器内有两个阀，上部是止回阀，由止回阀体D、止回阀E、止推座F和压力弹簧G组成。下

19、部是喷油针阀，由由针阀体A、针阀B组成。针阀B压力弹簧C压紧在针阀体A上，针阀下端长切断杆插入喷嘴H中。燃油由喷油器顶部进入。当柴油机不喷射时，燃油由输油泵供给，如图7（1）所示，此时由于燃油压力较低，止回阀关闭，即其止回阀E封闭燃油下行信道，在止回阀上部有一个旁通孔开启，燃油经此旁通孔在喷油器体内循环后排出。在喷油期间, 如图7（2），燃油由高压喷油泵供给，油压大于1MPa时，止回阀被油压抬起D1，旁通孔关闭，燃油向下进入下部针阀的油腔内。在燃油压力达到启阀压力时，针阀B被油压抬起D2，燃油通过喷嘴喷入气缸，见图7（3）。喷油器启阀压力由弹簧的安装预紧力和有关零件尺寸预先确定，使用中不能进行

20、调节。如需调节则应解体喷油器并加减调压弹簧与针阀凸肩间的专用弹簧垫片。图2-27 MAN B&W MC型柴油机喷油器工作排原理图A-针阀;B-针阀体;C-调压弹簧;D-止回阀体;E-止回阀;F-止推座;G-压力弹簧;H-喷嘴3故障排除3.1故障分析2号缸和5号缸故障现象分析可知其主要原因应是其供油量减少导致燃烧负荷降低并且排烟温度降低导致的，经简略分析供油量减少的原因有以下几方面：（1）高压油泵的滚轮和凸轮磨损严重，导致其凸轮的工作段变化，柱塞的有效工作段减少从而导致喷油量减少。（2）高压油泵柱塞和套筒磨损严重，导致其燃油从两者的配合面泄露，喷油压力下降，进而导致供油量减少，或是柱塞在

21、套筒内有卡阻现象的存在导致柱塞的有效行程减少，进而使供油量减少。(3)高压油泵的齿条的锁紧片松动导致齿条的位置发生变化,进而柱塞与套筒的相对位置发生变化，压缩终点经回油孔泄掉的燃油增多，进而导致供油量减少。(4)高压油泵的进油阀卡死或磨损导致闭合不严，在柱塞上行压缩燃油时，燃油经吸油阀泄走，导致燃油不能进行有效压缩，进而导致喷油压力下降，供油量减少。（5）高压油管漏油从而经喷油器进入气缸的燃油量减少。(6)喷油器针阀咬死，针阀不能及时启闭或不能启闭，导致燃油从旁通阀循环后流走，导致供油量减少。1号缸在低负荷时排烟温度明显高，分析可知其主要原因应是其喷油量明显比其它缸多造成的，经简略分析其可能原

22、因有以下几个原因：（1）高压油泵的齿条的锁紧片松动导致齿条的位置发生变化,进而柱塞与套筒的相对位置发生变化, 压缩终点经回油孔泄掉的燃油减少，导致其喷油量明显增加。（2）喷油器的调压垫片磨损或穴蚀，进而导致其启阀压力明显降低，喷油量增多。（3）喷油器的调压弹簧刚度下降或断裂，导致的启阀压力降低，喷油量增多。（4）喷油器的针阀在开启位卡死，导致燃油不用顶开针阀即可进入气缸，从而使喷油量增多。（5）喷油器针阀柱面或密封锥面磨损导致的喷油压力降低，雾化不良，燃油滴漏，进而导致的低负荷排温的升高。(6)喷油器喷孔部分堵塞导致喷油泵供油结束喷油器针阀落座后又第二次开启形成二次喷射，从而使喷油持续期延长，

23、后燃严重，排温升高。3.2故障排除根据故障原因的分析，我们便开始了故障的排查,首先分析2号缸和5号缸：(1)检查高压油管，外部无漏泄口，且主机舱底部的测量高压油管内部漏油的主机漏油报警装置未报警，故可以排除高压油管的故障。可附图。（2）高压油泵的滚轮与凸轮机构工作可靠,一般不会出现大的磨损，且打开凸轮轴道门后检查发现凸轮与滚轮未发现异常磨损。（3）高压油泵齿条在上次拆解高压油泵安装调试后使用中并未出现异常，且检查齿条发现锁紧片未发生松动且刻度无异常,所以故障原因不可能是齿条。（3）拆解高压油头，做启阀压力实验如图 ,发现压力值在正常范围内（370-390bar）故可排除是喷油器的故障。(4)最

24、终我们认定应该是高压油泵的原因，按照拆装说明书拆解高压油泵，经我们查验发现2号缸和5号缸的高压油泵内大量结碳，且发现5号缸的吸油阀如图由于大量结碳卡死在开启位，进而分析得出5号缸高压油泵柱塞在上行时，不能有效压缩燃油导致燃油经吸油阀泄走，使喷入5缸的燃油量降低，排烟温度降低。另外由于柱塞套筒大量结碳，导致了一开始油门齿条的卡阻现象。2号缸的高压油泵的发现其柱塞磨损严重，附图其表面有严重的拉伤现象，经大管轮鉴定，2号缸的柱塞和套筒报废。并且由此可推断2号缸的排烟温度低的原因是柱塞和套筒的磨损严重导致的漏泄量增多，另外由于柱塞套筒大量的结碳导致柱塞与套筒有卡阻，使柱塞不能及时下落，从而导致滚轮导套

25、与凸轮的撞击(这也就解释了为何2缸高压油泵一开始有敲击声),而且柱塞的有效行程减少从而使喷入气缸的燃油量减少。然后分析1号缸：1, 高压油泵齿条在上次拆解高压油泵安装调试后使用中并未出现异常，且检查齿条锁紧片未松动且刻度没有异常,所以故障原因不可能是齿条.2、喷油器的原因。将1号缸的两喷油器拆下，进行启阀压力的检查，检查时接上实验的喷油器，先排除空气，然后观察开始喷油的压力结果发现1号缸右侧喷油器的启阀压力远低于标准值。然后按照拆解说明书拆解了该喷油器，结果发现，其中的调压弹簧（207）断裂，附图，导致启发压力降低，燃油喷射持续角增大，导致喷油量的增多及低负荷时排温的升高。最终在锚地我们将5号

26、缸拆解后清洁干净，2号缸高压油泵柱塞套筒换新，1号缸的喷油器换新（拆下油头换弹簧后检查启阀压力正常），最终在我们从锚地驶回大连时，过程中运转正常,上述故障得到排除。3.3故障原因这次故障解决后，大管轮等人分析这次故障的原因是因为加装的燃油的油质不良的原因回到大连后将燃油样本化验分析可得：附图由此可见燃油中固体杂质的含量为 远远超出正常的值范围 这也就不难解释这次故障的原因了，柱塞与套筒本是一对精密偶件。此偶件不能互换，如需更换应成对换新。柱塞应在套筒中自由往复运动并在高压下保持良好的密封性，但允许有微量的漏油以润滑其配合面。在工作中柱塞偶件收到燃油的腐蚀作用及燃油中所含杂质的擦伤。所以要求制造

27、柱塞偶件的材料硬度高，耐磨、耐腐蚀，加工尺寸稳定性高。这些要求通过正确选用材料（镍钢，镍铬钢）、进行热处理（如淬火，表面氮化、表面渗碳等）以及精密的加工工艺（配合间隙可达到0.0020.003mm，表面粗糙度）等来保证。然而当燃油中含有过量的催化剂残留物，铝、硅化合物（ SiO2等）及Ca3(PO4)2组成的坚硬固体，以及沥青质等机械杂质时，当这些杂质进入偶件配合面试，容易造成偶件拉毛和磨损，过度磨损使偶件密封性下降，造成偶件漏油，喷油压力下降，雾化不良，以致各缸供油不均，转速不稳等。此外燃油中含有大量的杂质导致油泵内大量结碳，从而导致了进油阀的卡阻闭合不严，以及柱塞在套筒中的卡阻。喷油器弹簧的断裂也是由于其在喷油器中的积碳卡阻失去弹性导致断裂。3.4管理建议(1)在拆解喷油系统的时候，首先要熟悉说明书中的操作要求，当遇到很难拆解的部件时，不能依靠增大力量来达到目的，往往会造成损害设备的后果。拆下的部件依次摆放好，以便安装。（2）对于易损件要加强监视，尤其是密封圈及精密偶件配合面，喷油系统内部的压力很高，因此密封性十分重要。同时密封圈在高