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上海海事大学船用电喷柴油机培训课题组
上海市浦东新区海港大道1550号
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在当前的船舶健康管理中,有很多健康检测系统,而示功图便是其中的一种,它通过对柴油机气缸的压力信号、上止点信号、曲轴转角信号等进行测量,来对柴油机的燃烧情况进行评估,这样便可以有效降低柴油机的故障发生率,同时也为船舶公司节省了一定的维修费用。由于当前社会上运用较多的为便携式PMI系统,本文将会重点介绍便携式PMI系统的组成部分及转速、压力适用范围来让大家进一步了解示功图。
1.示功图的种类
示功图可分为P-V示功图、P-φ示功图、P-V转角示功图、弱弹簧示功图、纯压缩图、手拉展开示功图以及梳形图等。本文将介绍最为常见的P-V示功图、P-φ示功图两种示功图。
1.1P-V示功图
P-V示功图一般为机械式示功器测出的,可以通过图的面积来计算柴油机缸内的指示压力,一般采用的为“十等分法”,通过将示功图的面积均分为十等份:y1、y2..y9,在L/40处上下添加y0、y10,代入公式:
则可计算出平均指示压力p(i)=h(i)/M,继而可代入公式算出指示功率:
由此计算出的指示功率即可推定出缸内燃烧情况以及瞬时温度等。
1.2 P-φ示功图
P-φ示功图一般为电子示功器测出的,这种较为方便,电脑会呈现出其缸内最高爆发压力与以及各缸内部的瞬时温度(与平均温度相比较),同时,通过观看示功图也可直接观测出每个转角所对应的瞬时压力,轮机员便可通过电脑给出的图形推断出柴油机此时的工作情况,继而作出相应的维护保养工作。
2.示功图的分析
想通过示功图来对柴油机的状况进行分析时,首先应该明白正常的示功图是什么的样子,下面笔者将分析一下正常示功图的几点特迹。
1)正常的示功图应该相对光滑,没有一些突出锐角或其他的奇怪形状,曲线过渡处也应尽可能平缓;
2)对于测出的示功图,应该与说明书的最高爆发压力、压缩压力和温度进行对照,且数值应符合说明书给出的参数规定(详见表1);,
3)测出的示功图P-V曲线应该是没有异常波动的,也就是一气呵成,没有其他拐点;
4)正常的示功图尾部形状应符合不同种类柴油机的不同的扫气形式的正常轨迹。
3.引起示功图畸形的原因分析
示功图畸形除示功器本身故障或使用不当等原因,还有一些由于柴油机工作不正常的原因也会引起示功图畸形,下面笔者将列举几种较为常见的现象。
3.1缸内过早燃烧
缸内燃烧过早,意味着喷油器喷油时间相对于设计时间有一定提前,大部分燃油在活塞进入到上止点前便进行燃烧,而造成这种原因一般为两种:
1)喷油器弹簧长时间未维护更新,导致老化变软,以致喷油启发压力变小,同时还会引起后燃现象。
2)当柴油机进行换油使用时,由于柴油和重油的比重、质量均不同,所以在换油时,如果未能及时调整喷油定时,那么也会引起燃烧太早的现象。
当柴油机缸内过早燃烧时,示功图也会产生一些相应的变化,通常有以下几个特点:
1)相较于正常曲线来说,上升曲线会变陡,最高爆发压力会有所增加,且高于正常值,
2)燃烧曲线的爆发压力同样会高于正常值,变化范围也会加大,发火点提前。
3)由于燃油在缸内提前燃烧,错过了最佳的爆发压力时间,进而会导致柴油机的排气温度较正常值有所下降
3.2缸内较晚燃烧
缸内燃烧较晚,同样意味着喷油器喷油时间相对于设计时间有一定滞后,大部分燃油在活塞进入到上止点后才进行燃烧,而造成这种原因一般为三种:
1)喷油器弹簧预紧力设置较大,喷油器内启阀压力变大,需要更多的燃油才能进行喷油.。
2)当柴油机进行换油使用时,由于柴油和重油的比重、质量均不同,所以在换油时,如果未能及时调整喷油定时,那么也会引起燃烧较晚的现象。
3)由于喷油泵的燃油泄漏、管路滤器的堵塞、喷油泵吸入处的故障等导致燃油压力低,需要较多的燃油才能进入到缸内进行燃烧也会造成燃烧较晚的现象。
当柴油机缸内较晚燃烧时,示功图也会产生一些相应的变化,一般与缸内过早燃烧形成反差对比,通常有以下几个特点:
1)相较于正常曲线来说,上升曲线会变缓,最高爆发压力会有所降低,且低于正常值。
2)燃烧曲线的爆发压力同样会低于正常值,变化范围也会减少,示功图的头部将变得圆滑,发火点后移
3)由于燃油在缸内较晚燃烧,错过了最佳的爆发压力时间,若此时为喷油泵漏油,那么就会有两种情况需要进行分析,一方面是正常理解的:当喷油泵因为磨损而造成漏油时,燃油进入针阀孔座的量较少,继而需要更多的燃油才能开启针阀,致使喷油滞后造成后燃,这样排气温度相较于正常值会有所升高;另一方面是由于喷油泵的泄露,这样进入到缸内的燃油又将会低于正常值,这样进行的燃烧量也会减少排气温度相较于正常值会有所降低,综合这两种情况去分析时,会发现后者的影响较大,综合起来排气温度会低于正常值。
4)当燃油在缸内较晚燃烧,错过了最佳的爆发压力时间,若此时为喷油器的阀座漏油时,那么会造成燃烧不良、在喷油器喷油的过程中也会造成油气混和不良、滴漏造成的后燃等现象,这样会造成排气温度高于正常值。当出现这种情况时值得我们去注意。
3.3喷油器喷孔部分堵塞
当喷油器喷孔堵塞时,针阀腔内会聚集大量的燃油,当燃油喷射时,不但喷射量相较于正常时有所降低,而且针阀腔内还会剩余大量的燃油未能泄放,这样喷油时间也会大大延长,可能会引起持续喷射或者二次喷射,出现后燃现象。而造成这种原因一般为两种。
1)喷油器长时间未进行维护保养,并没有按照说明书的规程定时进行清洗,继而造成喷油器喷孔堵塞。
2)当柴油机更换劣质燃油时,燃油处理装置处理效率降低,引起部分堵塞在喷油孔上。
当柴油机缸内过早燃烧时,示功图也会产生一些相应的变化,通常有以下几个特点:
1)相对于正常曲线来说,其膨胀曲线会有所升高,且最高爆发压力也将降低。
2)喷油器喷孔堵塞与燃烧较晚的曲线相接近,但由于燃烧较晚是气阀压力较低引起的,继而喷油器喷孔,堵塞的发火点未曾改变,由此可以区别于燃烧较晚的畸形示功图。
3.4气缸内空气量不足
气缸内空气量不足,导致缸内燃烧不充分,致使柴油机效率低下,有时排烟管内还会冒出黑烟。而造成这种原因一般为三种:
1)可能是活塞环漏气进行漏气,当活塞环在安装时,若未能将几道活塞环错开排放或者安装的方向有误,均有可能造成活塞环漏气。
2)可能是进气管路堵塞,当进气管路出现异物将其堵塞后,部分空气将会被阻拦在管内,未能进入到气缸内,进而造成气缸内空气不足。类似还有可能扫气口处有堵塞情况、进气阀不严等原因。
3)有可能是排气管路堵塞,当排气管路堵塞时,排出的气体未能以极快的速度对涡轮端进行做功,继而造成压气机端的转速降低,使得柴油机由增压变为自然吸气的模式,造成了气缸内的空气量不足。
当柴油机缸内过早燃烧时,示功图也会产生一些相应的变化,通常有以下几个特点:
1)由于缸内的空气量减少引起了燃烧不充分,功率降低,继而与正常曲线相比,其最高爆发压力和压缩压力都将降低。
2)由于各个曲线均有所降低,造成了示功图面积也有所降低,指示功率也会随着降低。
4.柴油机的日常维护保养
4.1停止运行时的柴油机保养
根据现代船舶的运力来说,船舶一般停靠码头时间不超过48小时,这段时间柴油机需要进行停止保养。
1)当柴油机刚停止时,需要将盘车机接入,运行预供油泵运行10-20分钟(飞轮运行一圈),主要将滑油布满柴油机缸内,建立油膜.
2)调节冷却水三通阀,保证柴油机的高温冷却水保持在80℃上下,一方面,由于停机时间短,这样可避免柴油机机身过冷,减小燃烧时产生的热应力。另一方面,柴油机机身保持一定的温度,可以便于柴油机发火,减少燃烧过程中的硫化物生成。
3)每隔4小时需要进行一次手动盘车,以此来检查柴油机是否存在堵塞等情况。
4)在柴油机准备运行前30分钟,还需将盘车机接入,运行预供油泵运行10-20分钟(飞轮运行一圈),再次建立油膜;当准备启动柴油机时,对柴油机进行冲车,将柴油机气缸中的杂质、水和油冲示功阀排出。
4.2运行过程中的柴油机保养
1)在柴油机运行过程中,由于船舶运营厂家追求的是经济性,柴油机一般处在低速运行,速度为10-15海里/每小时,这样会造成部分灰烬附着在涡轮端,所以建议每隔15天,可将柴油提升至60%的功率运行半小时,利用强大的气体冲击力将涡轮端的灰烬冲掉。
2)在为主机加速时,一方面,由于商船对速度的要求不高,所以可缓慢进行加速,使柴油机有一个缓冲的过程,避免快速推进后,部分未燃烧的燃油附着在喷油器喷嘴上,造成堵塞。另一方面,缓慢加速可防止柴油机热负荷、机械负荷过大。
3)在柴油机运行过程中,轮机员还应该随时注意集控室配电板各仪表的情况、各冷却水情况、滑油燃油压力和温度的情况,以及柴油机扫气温度和压力情况等。
参考文献：
[1]车启华,李则龙.浅谈示功图在柴油机上的故障诊断研究[J].珠江水运,2024,(17):14-16.DOI:10.14125/j.cnki.zjsy.2024.17.017.
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