【轮机工程专业论文：喷油器的故障探析与排除探究9100字】

引言对于航行在海上的船舶来讲，船舶航行的动力来源于船舶柴油机，它是船舶的心脏，随着国家近几年经济的发展，国家的综合实力还有科学技术水平都有所提高，与船舶相关的柴油机故障分析技术也有了巨大的进步。这种进步的提升，不仅可以提高航海运输的发展，还可以为人们的生活条件创造更多的福利。船舶柴油机的喷油器部件是柴油机的重要核心部件之一，它在工作过程中针阀偶件容易产生各种不同的故障问题，如磨损、漏油以及针阀卡紧;喷孔磨损、结炭、阻塞和裂纹等故障，这些问题会严重影响船舶柴油机的工作状态，对船舶在海上航行产生极为不利的因素。喷油器对喷射过程组织的好坏，将直接对油束与空气在燃烧室中的混合程度产生影响，不利于柴油机燃烧过程的组织与燃烧的质量，发火效果不佳，最终导致整台柴油机运行性能的下降。燃油的喷射系统必须使喷入气缸的燃油达到燃烧的雾化要求，使燃油与空气混合均匀并燃烧充分。1绪论1.1选题的目的和意义喷油器是将燃料进行细化变成雾状的装置，由喷油泵中的高压燃料在它们的作用下进行雾化，达到燃烧的要求，让柴油机正常运转。喷油器属于一种精密程度很高的机械装置，由于要求其雾化效果良好，故对其进行加工时精度有着极高的要求。由柴油机控制单位发出喷油脉冲信号至喷油器，以便根据柴油机的具体实际要求，准确地计算出燃油的喷射量，实现变量调节控制，节省燃油。因为喷油器的针阀偶件和喷油嘴距离燃烧室较近，所以会受到气缸内燃油燃烧生成高温的影响，所以这些部件较易出现故障。在实际运转情况中一般会产生以下故障:喷孔磨损、结炭、阻塞、和裂纹;针阀偶件的磨损、漏油和卡紧等故障。造成船用柴油机难易启动、无法以固定的转速稳定运行、且曲轴输出功率严重不足、燃烧不稳定等问题。因此，喷油器故障将对船舶的正常航行产生巨大影响。1.2喷油器的作用船舶柴油机喷油器的作用根据它的功能可以分为以下两点:第一点是将喷油器喷出的燃油燃油雾化成细小的油滴，增加与空气的接触面积以利于燃烧;第二点是使燃油喷柱的形状与燃烧室形状相适配，使燃油与燃烧室空气混合后形成质量良好的可燃混合气[1]。柴油机的良好运转性对于喷油器良好的工况来说要求很严格，想要使得燃油雾化的效果良好，必须需要具备特定的喷油压力、喷射距离及其所需的喷油圆锥角，并且喷油器的所需喷射压力都要配合到喷油泵上，所需要喷出的油雾才可以扩散充满整个燃烧室，且也不会导致在喷油过程中产生任何滴油现象。喷油器为柴油机的关键部件，喷油器若无法正常工作，则船舶无法正常航行。因此，喷油器故障将对船舶的正常工作产生巨大的影响[2]。2船用柴油机喷油器的工作原理2.1喷油器的种类及结构特点根据是否设有针阀，喷油器分为闭式和开式两大类。开式喷油器未加装针阀，其结构比闭式喷油器简单，开式喷油器的喷孔后大多设有止回阀，用来防止燃油燃烧时压力过大使燃气倒冲进喷油器。这种喷油器因为雾化效果不佳，质量不可靠，喷油后期容易产生滴油现象。所以现在大多数船舶的柴油机基本上不再使用开式喷油器。闭式喷油器经过了设计和完善，克服了传统开式喷油器的不足之处。闭式喷油器的针阀通过喷油泵进行加压，依靠喷油本身的一定压力打开后，燃油就会开始喷射进入气缸，因此叫它为一个液压开启阀式的喷油器，在喷油器不喷出燃油时，燃油的空间经过针阀分离而被隔开，所以也就是可以把它叫做闭式喷油器。单孔式喷油器只有一个喷孔，喷孔的位置在喷油嘴中央，小型高速柴油机使用比较广泛。多孔式喷油器具有多道喷孔，其孔道相对较窄，雾化质量也比较优良。它的喷柱结构要求与燃烧房的形态相适应，多用于大型、船舶、中、低速度的柴油机[3]。2.2喷油器的工作原理某多孔式型号船用柴油发动机喷油器的内部结构图如下图1所示，按照其工作原理，其正常状态大致分为两个阶段，一个为喷射阶段，另一个为停油阶段。柴油机在喷油阶段运转，当喷油泵启动，对于燃料传输系统就开始给予供油，高压燃料从喷油器的进油口进入，沿着喷油器内燃料油路直接流入到喷油器体内的喷嘴。到达喷嘴的压力室，随后燃料作用于承压圆锥体面而引起一个推动。当作用于承压锥体表面的燃油压力大于喷油器调压弹簧的预紧力，则针阀打开，高压燃油由喷孔喷射而来，进入气缸雾化，该喷油压力被称为启动阀压力。喷油工作完毕后，喷油泵的供给系统停止，在调压弹簧力的作用下，出油阀被关闭，压力室外的油压将随着减压环带发挥极大的减压效应而下降，作用在针阀承压锥面上的推力也会因油压下降在短时间内快速降低，一次燃油雾化过程结束。2.3喷油器的冷却喷油器在运转过程中都会产生一定的温度，因此就需要不断将其从内部散发出来，以此才能够确保喷油器的可靠性。非冷却型喷油器主要是依托于喷油器本身和气缸盖之间的贴合连接来实现热量的传递，将其进行强制带走。但是另一种通过冷却介质进行冷却的喷油器称为冷却式喷油器，这样的喷油器一般另外设有柴油或淡水系统来进行的冷却，目前冷却的方式向便于管理的燃油循环冷却方式的方向发展。开式燃烧室结构的柴油机均应用多孔式的喷油器，来配合燃烧室，形成良好的发火燃烧。多孔式的喷油器有很多种不同的结构形式，按弹簧在喷油器中的位置，可分为弹簧上置式和弹簧下置式，按冷却的形式可分为冷却式和非冷却式。例如SulzerRTA型和MAN—B&WMC型这两种机型上面所使用的喷油器，它们在自身具体的结构上存在差异，但在系统燃油喷射方面，共同的特点是:在燃油不喷射期间，燃油就在喷油器本体内循环冷却，最终排到加压回油柜。燃油在气缸内喷射阶段，在喷油泵高压燃油的作用下燃油循环回路会在喷油泵高压燃油的作用下提前截止中断，让高压燃油从油道流到针阀的燃油空腔内，启阀压力高于时喷油器针阀开启压力时，进行喷油，当喷油完成后，燃油压力降低。3喷油器故障的表象特征、故障诊断方法3.1喷油器故障的表象特征1)敲击声：当柴油机喷油器出现故障时，可能会导致气缸喷油量过大，最高燃烧压力异常突增，类似敲击的声音就会在运转时出现。2)当喷油器出现雾化不良、喷油孔堵塞等故障时，各缸喷油就会不均匀，产生起动困难或运转不稳定。3)针阀偶件磨损，燃油泄漏，造成雾化不良，导致冒黑烟。4)燃油消耗量急剧增加：喷油器发生磨损、漏油、喷孔堵塞、喷孔内外结炭等故障时，都会导致燃烧不充分，燃油的热效率变差，发出相同的功率消耗的燃油量就会增加[4]。3.2故障诊断方法1)用手触摸在柴油机怠速时的高压油管，脉动小为针阀卡死。2)用气缸断油方法检查，断油后喷油器高压油管接头处有气泡与高压油管的油一起喷出，而柴油机运转变化不大，排气黑烟消失，则可诊断为针阀在开启位置卡死;断油后，有油喷出，柴油机转速和排气烟色、声响均无变化，则可确诊为针阀在关闭位置被卡死。在故障现场排除时，首先要确认上述故障是何种喷油器的故障问题引起的，才能够正确做出判断，做出结论。(1)从柴油机直接观察的排烟情况，来判断喷油器存在的问题。(2)直接观察法:将排气的管子拆下，起动柴油机在低速状态下运转，可以直接从排气烟色看出各缸的运行是否存在问题，即可初步判断该缸喷油器或是柱塞有问题[5]。4常见故障原因分析与排除4.1喷油器针阀偶件的磨损，漏油和卡紧4.1.1针阀偶件的磨损，漏油结构分析:针阀偶件是一种精密度要求很高的偶件，其加工精度要求高，在喷油器喷油工作过程中起着至关重要的作用。在高压下，在针阀套中的针阀做来回多次的往复重复运动，并同时保持针阀偶件良好的密封性能。针阀与针阀座之间的密封性，取决于密封环带的选取是否正确。如果针阀在刚开始升起时燃油经过狭缝才能喷出，就会增大节流损失，造成燃油雾化不良。故障原因分析:对燃油的清洁程度低，过滤效果差，高压油管内的杂质，加速了喷油器针阀偶件的磨损；机温太高，喷油器冷却不好，造成针阀偶件卡死；供给燃油时间太晚、发动机长时间超负荷等情况又可能导致发动机过热;零部件在制作中存在着诸多问题，比如汽缸盖上的喷油器安装孔和喷油器的配套过紧，针阀体和汽缸盖上的安装孔之间的缝隙太大。在管理中可通过喷油器对燃油的雾化程度加以判断;冷却水腐蚀会引起针阀体与喷油器本体端平面密封不良，此时高压燃油会泄露，流进冷却水通道，引起喷油压力下降引起雾化不良，对其柴油机的发火性能产生影响。管理中可通过检查喷油器冷却水箱中有无燃油加以判断。在上述磨损的故障中，除针阀柱面磨损外，其他各处磨损均可用研磨法进行修复。4.1.2喷油嘴的滴漏如果柴油机的喷油嘴滴油，则喷油就会断断续续、使燃油达不到雾化效果，启动性较差、积炭严重，导致发动机基本功率持续下降、油耗增多、磨损严重[6]。对滴漏产生的原因做出如下几点分析:第一点是针阀和针阀体封闭锥面出现面积较大的划痕积累，磨损已到严重程度，表面产生变形，导致喷油嘴出现滴油现象。第二点是当高压油管在喷油嘴发生连续喷油间隙的压力越高，喷油嘴滴油就越严重。喷油嘴滴油故障和出油阀偶件的封闭性有着极为密切的关系，并不仅只是发生在喷油嘴上。出油阀的过度磨损，会导致喷油嘴发生滴油状况[7]。最后，喷油嘴的针阀和针阀体之间的导向面摩擦性较重，或针阀与针阀体导向面发生严重磨损、针阀体和喷油嘴体过度接触，或针阀和针阀体密封锥面含有大量杂质，致使其高度升高，封闭性降低，也会使喷油嘴发生滴油[8]。4.1.3喷油器的雾化问题来自燃油的杂质固体颗粒由于堵塞喷孔而在针尖和喷嘴表面磨损，在喷嘴内部造成问题。这些故障影响燃料的雾化，因为喷嘴内部通道的恶化干扰了喷雾的形成和流体的最终通道[9]。喷油器的开启压力严重低于调制标准压力值，这是导致喷油器雾化不好的主要原因。当喷油嘴的小喷孔受到磨损，或者是出现了一定数量的积碳，就可以直接影响到雾化的效果。当雾化很差时，造成了燃油无法在燃烧室内进行正常燃烧。由于无法燃烧的柴油将顺着缸壁流动至下部曲轴箱，使得机油油面积增大，黏度减小，造成润滑效果的恶化，严重情况下还可能导致轴瓦烧蚀和拉缸等严重的机械事件[10]。故障排除:喷油器的调定压力在它安装时就应严格按照技术指导手册给定的标准压力值去调节设定。此外，根据工作状况，定期测量弹簧自由长度和调整弹簧预紧力。如无法调整，及时换新调节弹簧，来排除喷油器雾化不良的出现的故障。4.1.4针阀偶件的卡紧或咬死当前船用一般柴油机的喷油器结构如图2所示。分析故障可能产生的各种原因，做出如下分析:燃油不够清洁，针阀与气体配合的间隙内部进入的杂质，引起针阀被卡死;喷油器中的针阀偶件与喷油时的配合间隙仅为0.002～0.003mm，杂质造成了针阀卡滞，油液不能被雾化，燃烧状态改变，排气管往外排出的是很浓的白烟。在喷油器中会有少量的燃油从针阀和针阀体配合面间的缝隙中流出，对针阀体起到润滑作用，然后通过回油道螺栓内孔进入回油管，重新流回燃油箱[11]。故障分析:针阀在针阀体中出现卡紧或咬死故障时，针阀会出现不能及时启闭或不能启闭的状况，发火表现就会异常，出现缸内燃烧极度不稳，可能造成某一气缸熄火的风险。若针阀在关闭状态不能开启，出现咬死，将同时会使喷射系统中的油压剧增，高压油管强烈脉动，损坏高压油管。如果针阀在开启状态咬死，燃油在低压下喷入气缸，不会产生良好的雾化。图2船用柴油机喷油器结构排除措施:可以对柴油机的喷油器从零到点进行一次系统性的检查，其中所需要检查的主体就是把喷油器上的各个零件逐块拆开，查看针阀的零部件有无损伤，若针阀有轻度损伤就可以做出研磨和修复，若针阀烧伤较为严重则直接替换新产品。4.2喷油器喷孔磨损、结炭、阻塞和裂纹4.2.1磨损故障分析:伸入燃烧室内的部分是喷油器的喷油嘴，也可称为雾化头。当喷油器运行时，喷孔中高压燃油持续冲刷着喷嘴，磨损后的直径会变大，使得喷油压力降低，雾化较差，造成燃烧不充分。当喷孔孔径增大10%时，该喷油嘴应予以换新。4.2.2结碳、阻塞故障原因：喷孔堵塞大多由结碳引起。喷孔堵塞后，燃油喷射的射程变短，引起燃烧火焰移近喷孔，加剧结炭的速度，形成恶性的不利循环。其次喷孔堵塞还会改变油束形状、数目、和分布情况，会让喷射持续时间不稳定。喷油嘴温度过高，当燃油在流经喷孔时就会在孔的内壁生成结碳，影响喷油器的喷油效果。喷孔外喷油嘴表面结碳的主要原因大多与针阀密封锥面密封不良有关。阻塞分析:燃油不干净，在喷孔周围形成积碳积结。防止方法:一方面是对于进入喷油器的燃油要经过严格的过滤;另一方面通过改善燃烧，防止因积碳过多而阻塞喷孔[12]。结碳分析与排除:某一船舶柴油机结炭的喷油器如下图3所示。对其仔细分析，原因如下：图3结炭的喷油器(1)喷油器针阀密封性不良导致喷油时产生延时，发生滴油，出现敲缸现象，造成油嘴喷孔处大量结炭。排除方法:可用经过调和后研磨好的机油对针阀锥面进行研磨，然后用轻柴油清洗，除去研磨产生的杂质脏物。如果研磨起不到较好效果时，则更换针阀偶件。(2)在工作中喷孔会被逐渐磨损变大，变大的喷孔使喷油器喷油雾化质量不佳，出现黑烟、结炭等现象。排除方法:拆下针阀体，更换新品。(3)在低负荷下长时间运行。排除方法:尽量减少低负荷运行时间。4.2.3裂纹喷油器的针阀偶件和喷油嘴会受到高温的作用，喷油嘴的裂纹主要是受高温作用引起的，高温严重的影响着喷油器的性能。针阀偶件的磨损、漏油和卡紧以及喷孔的磨损、结炭、阻塞都会造成燃烧不良，这些都是产生高温的因素，导致喷油嘴生成裂纹，产生故障。5喷油器故障实例分析及预防维修策略5.1主要故障现象及分析1）故障一：喷油器体密封锥面裂纹对某型号为5S60ME-C7，额定功率8833kW，额定转速105rpm的船舶柴油机产生的故障进行分析。在某次航行中，主机燃油单元集油筒在上午08:00低油位报警，自动放气阀拆解后在阀的接头有气冒出，表明放气阀工作正常。通过人工放气，消除报警，但当消除报警声达到四个小时以后，再次采取暂停措施，在进行人工手动放气之后，报警声再次被消除。经过轮机组人员的研究认为，原因所在是由于集油筒中的空气积聚比较多，自动放气阀释出的空气没有及时排出，使得燃油的空间受到大量的空气所占用，导致油位过低。轮机人员首先对燃油系统进行分析，推测压缩空气进入燃油系统，而对于压缩空气相互联系的燃料部件，只能通过一个自清洗滤器。在拆装过程中，需要对燃油自清洗过滤器内部的气动式活塞进行检查，发现其上的橡胶圈是完整无缺的。所以说压缩空气不能够直接流入到燃料管道，排除了由于这些压缩空气引起的故障。但在之后的操作过程中，报警间隔越来越短，一个多小时即需要轮机操作者人工放气一次。晚上22:00主机NO.4缸突然排温下降，低温报警，主机自动加快减速，由102rpm下调至46rpm。随后主机暂停更换一台备用喷油器，在安装这台喷油器的过程中，发现一个柴油机气缸盖上的喷油器圆锥型接触面上有多道深约1mm长的划痕沟槽，轮机操作人员使用专门的工具进行研磨，以便更换一个新的油头。重新启动主机后运转正常，故障消除。图4喷油器体密封锥面裂纹轮机人员对换下的喷油器进行检查，如图4所示，发现前部喷油器壳体密封锥面有裂纹，指导说明书要求启阀压力30～38MPa，但是对换下的喷油器进行压磅试验时超过38MPa还不喷油。拆解后发现针阀体在开启位置被卡住，针阀体外侧黏附着有油泥及颗粒性碳渣，喷孔处堵塞。油泥属于冷态燃料，而碳渣是由于这种燃料作用而形成的。以此可以确定是气缸内的高压高温燃气穿过了喷油器壳体裂纹，随着回油进入集油筒中导致集油筒中空气增多，油位低引发报警。刚开始出现裂纹相对较小，燃气泄露较少，报警区域间隔较长;后来由于裂纹逐渐扩展而增大，漏气流量也逐渐增加，因此在后来工作操纵运行过程中报警很频繁，同时由于高温燃烧引起针阀产生过热，动作困难，导致针阀最终被卡紧于针阀体内不能动作，主机某一气缸中存在的喷油流量有所减少，使主机降速停车。轮机人员早期一直怀疑压缩空气原因，直到主机降速才确定真正原因，如果及时确认由于燃气造成的报警，就可以及早查找主机燃油系统的原因，通过拆开回油管接头是可以判断出哪一个喷油器故障的，因此就不会造成缸盖的破坏，以致产生更大的经济损失[13]。故障二：喷油器雾化嘴喷孔裂纹在某锚地轮机工作人员对柴油机进行日常的拆卸和维护，发现柴油机NO.6缸喷油器被拆开和分解后，发现针阀体外部和螺栓阀体外部都粘附着的碳渣颗粒，经过协商分析，这些都是由于燃气流入喷油器引起的。喷油器的喷孔附近还有聚集积碳，在对喷油器的清洗之后发现其上方有一条长3mm左右的裂纹，此类问题的存在会让气缸内高温、高压的燃气流入到喷油器，导致喷油器因为长久高温而过热受到破坏。所幸轮机人员通过检修发现，及时的查出了问题与故障产生的部位，避免了对航行安全中造成的风险，以免航行中出现柴油机停车更换新的喷油器，影响正常航行。拿来备用的原来厂家的喷油器换新后，使用之后故障消除。5.2设计上的对策可以从设计的角度考虑，重新考虑所用材料产生的裂纹和断裂造成的故障，改进喷油器，减少故障的发生。1)喷油器在安装之后，接触到气缸盖上的部分需要承受很多机械应力，所以气缸盖上会产生形态变化，应力就更加集中;同时其位置紧挨着燃烧室，温度相对较高，使之能够承受更多的热应力和加热负载。因而，在选择材料的过程中，一定要尽量选择具备良好的机械性和抗高温腐蚀性。2)通过改进对喷油器零件的结构，提高其冷却效果及工作特性，例如目前较先进的喷油器在各种类型中都是以燃油切断杆形式，减小了燃料滴漏，可以避免喷油嘴的过热。3)喷油器对针阀是一种精密的偶件，需要在加工时能够有很高的精度与合适的外观处理，以确保它的耐磨、抗腐蚀以及尺寸上的稳定。5.3喷油器的检查与调整船用柴油机喷油设备的运行状态决定着柴油机的运行性能，对燃油的燃烧过程起着十分重要的作用，它是燃油在气缸内形成雾化的前提，也是柴油机生成动力输出的基础。因此对喷油器进行正确的维护与保养是十分必要的，使它保持在良好的状态下工作很重要。如今，世界上绝大多数的船舶任然依靠船舶柴油机来提供动力输出，实现海上航行运输。如果问题出现以后得不到合理的维护与解决，就会使得它的使用寿命明显缩减，严重的话还会导致设备报废[14]。5.3.1启阀压力的检查与调整喷油器启阀压力影响着燃油雾化的形成，大多数船舶柴油机启阀的压力平均值通常为20～35mpa，一般柴油机的说明书里面会说明。喷油器在长时间内运行以后，因为顶杆和针阀相互磨损或卡滞，启阀时的压力就会出现变化，因此一切情况都需要定期审核。5.3.2密封性检查对喷油器的密封性检查有两处:针阀与针阀套圆柱面、针阀与阀座锥面这两处。试验时，使燃油压力保持略低于启阀压力，然后查看锥面。若喷孔处只有轻度潮湿，无燃油滴漏则密封性良好，若喷孔处有燃油出现，则说明密封性不佳，需要排除。同时，应该观察该燃油下降的快慢，通常均在规定的时间内压力降低不超过规定的范围为标椎。5.3.3雾化质量检查衡量燃油雾化质量的标准是油粒的细度和油粒雾化在燃烧室内的均匀程度。喷油器的良好运行状态要求每一次喷油都能够做到由开始至结束的喷油动作很快、明显及其利落，并且会发出独特的清脆"吱吱"声，在连续进行一段时间后几乎不会出现滴油的情况。喷油器紧帽拧紧力矩的标准值为35Nm。过大会引起针阀体部件产生形状变化，使偶件针阀卡滞。为防止总成因赃物积聚而难以拆卸，喷油器总成插入缸盖后应装上防尘护套。喷油器螺母的拧紧力矩为(60±10)Nm。喷油器的设计是实现低尾管排放的高效发动机燃烧的关键。由于喷油嘴孔尺寸较小，使得在设计阶段，特别是在实际的缸内热力学条件下，为了从根本上理解喷油嘴内过程，制造高端喷油嘴具有很大的挑战性[15]。5.4注意事项在日常的维护管理中，应注意以下事项:1)确保喷油器可靠冷却，防止过热产生故障。2)通过排烟颜色、排气温度、判断喷油设备的工作状况。3)若换了一个新的喷油器偶件，在喷油过程中发生了滴漏的现象，则要对喷油泵的出入口和减压环带进行检查评估。若出油阀磨损较重，则属于喷油器的制造工艺质量差[16]。结论通过针对性地分析了船用柴油机喷燃气器的故障原因，提出了具体的解决办法，采取了有针对性地维修措施来排除故障，能有效地降低了船用柴油机发生的故障几率。但是，由于柴油机系统的复杂和多变，零部件很多，所以产生的事故并非全是由于喷油器造成的。因而，在研究船用柴油机时，就要从许多个方面来考量，仔细地去检查，根据柴油机的运行状态做出判断，不能盲目拆解喷油器，否则会破坏其加工与装配精度，反而不能解决问题。参考文献[1]滕桂红.柴油机喷油器常见故障及排除[J].才智，2010(34):57.[2]晏飞，杜雨辰，张建，王黎辉，刘博.船用柴油机喷油器故障分析及维护方法[J].机械工程师，2015(12):208-210.[3]陈文捷.船用柴油机喷油器故障及检修浅析[J].科技资讯，2012(12):1