船舶柴油机启动原理与故障排除探究

                                                                                      施有根 柳英豪

【摘要】本文从船舶主柴油机启动运行的机理出发，通过某轮在航行过程中发生的主机启动故障实例，来分析主机启动的压缩空气控制系统，不断采取行动，逐步向目标故障点靠近，进而找出故障点并加以排除。最后归结了查找排除系统故障的一般方法，以起借鉴作用。

【关键词】压缩空气；原理；故障

船舶主机的正常运行与否，直接关联的船舶的航行安全与运输效率，而主机的正常启动则是运行的前提条件，因而主机的启动系统的维护管理，对船舶运营也至关重要。

一、启动原理

静止柴油机借助外力作用，是柴油机获得第一个工作行程的条件，即柴油机在外力作用下进行进气、压缩、喷油，直至燃油燃烧膨胀而自行运转，这一过程称为柴油机起动。

压缩空气起动就是将具有一定压力的压缩空气，按柴油机的发火顺序在膨胀行程时引入气缸，代替燃气推动活塞，使柴油机转动达到起动转速，完成自行发火，持续转动。

因为压缩空气代替燃气膨胀做功，推动活塞运动使曲轴转动，因此压缩空气必须在活塞处于膨胀冲程之初的某一时刻开始送入气缸，并持续一段时间，这个供气时刻即为起动定时。理论上，船用大型低速二冲程柴油机，空气分配器在上止点前5°曲轴转角，开始向气缸供气，在上止点后100~120°曲轴转角结束供气。实际上，因气缸启动阀不是瞬时开大，启动空气进入气缸的时刻会延后些，在阀开启初期，由于开度极小，对空气起到节流作用，压缩空气并未真正进入气缸。只有气缸起动阀的开度较大时，压缩空气才进入气缸，真正启动柴油机。

二、主机启动故障实例

对于船舶主机而言，必须保证曲轴在任何位置都能起动，即柴油机的曲轴在任何位置时至少有一个缸处于起动位置。因此，柴油机必须有一定的气缸数。气缸起动阀开启的延续时间，因受扫气口开启时刻的限制，一般不超过120°曲轴转角。因此只有当曲柄夹角小于120°时，才能保证各气缸中必有一个处于起动位置，又因为二冲程柴油机的一个工作循环是360°，气缸数要360°/120°个，显然，相邻曲柄夹角小于120°的气缸数最少为4个。若气缸数少于上述值，则启动前必须盘车，使主机某缸正好处于膨胀行程开始后的某一时刻。

（一）主机控制系统

某轮主机型号为SULZER 6RTA48T 7870KW（120r/min，发火顺序为1-5-3-4-2-6），是废气增压、直流扫气、十字头型柴油机。它与螺旋桨直接连接可以倒转。排气阀通过液压打开（由十字头油泵供油，排气阀驱动泵来驱动），通过压缩空气关闭。柴油机由压缩空气起动，压缩空气通过起动阀，由空气分配器控制进入气缸。主机遥控为电气混合型，机旁应急操纵为纯气动控制。在遥控系统发生故障时，柴油机可以由应急控制台（见图1）来控制。

                            图1 柴油主机应急控制台图

（二）故障发生

船舶于2019年第15航次8月3日，从辽宁大连港满载48000吨货去江苏江阴港卸货，在8月5日下午1600长江口抛锚候潮，下锚正、倒车时，均未发现异常。接到完车车令后，主机遥控转换至集控室控制，并指派值班机工打开示功阀对主机进行冲车，此时集控室控制位置按下冲车按钮后，发现转数表并未显示，随后值班机工也回来报告说，只有主机第1缸有压缩空气吹出，其他缸无压缩空气吹出，且飞轮并未转动。轮机员随即把故障状况汇报给轮机长，轮机长立即下机舱，经机舱人员初步查看未能确定具体故障在是在气路还是电路。于是又通知驾驶台进行备车（完车、盘车机合排、滑油压力过低等情况控制系统有起动互锁），并记录当时曲轴转角在NO.1缸上止点。备车完成后再次冲车，飞轮依然未转动。

（三）分析与行动

在无从下手的情况时，排除法是最好的选择。

轮机员与轮机长商讨后决定转换成机旁控制，以此操作来将原本的电、气控制改为纯气动控制，以排除由于电路引起故障的可能。主机气动控制原理图见图2。分析行动如下：

                          图2 船舶主机气动遥控图

1.将油量调节轴3.09与调速器伺服器1.03脱开（此时调速器不再起控制作用）；

2.将机旁油量调节手柄3.12从REMOTE CONTRL（遥控）移动到机旁应急控制位；

3.此时，油量调节手柄3.12直接与油量调节轴3.09相连。将操纵杆5.03从RC（遥控）推到AHEAD RUN（正车运转位置），阀49HD导通控制空气，控制空气通过阀49HD分为两路：一路到空气分配器的换向气缸2.22，完成空气分配器的换向。换向后，控制空气通过起动连锁电磁阀129HA到达23A，为起动做准备；另一路到换向阀5.02，换向导通油路到达燃油凸轮的换向伺服器5.01，完成燃油凸轮的换向。

4.再次确认油量调节手柄归零位。

5.将操纵杆5.03推到AHEAD START（正车起动）位置。阀49HC导通，控制空气通过阀49HC分为两路：一路导通阀2.05泄放掉主起动阀2.03下部的空气，主起动阀2.03打开，起动空气通过火焰制止器进入气缸起动阀2.07等待起动；另一路导通阀23A导通后，控制空气导通阀212HA。起动空气通过阀212HA后，进入空气分配器，将滑阀压紧凸轮，空气分配器按照定时导通阀134HA-M，最后打开气缸起动阀2.07。

理论上，此时压缩空气进入气缸，油门零位，柴油机进入冲车程序。但发现飞轮依然没有转动，现象与遥控冲车时一样，于是排除遥控故障的可能。进而故障锁定在压缩空气未进入或少量进入气缸，从而难以推动活塞下行带动曲轴转动。

三、故障解决

压缩空气未进入或少量进入气缸首先考虑的就是气缸起动阀阀芯和空气分配器滑阀不活络。

某轮主机型号为SULZER 6RTA48T 7870KW（120r/min，发火顺序为1-5-3-4-2-6）由此可得发火间隔角为60°，故障发生时的曲轴转角为1缸上止点。

由此可知：

5缸位于上止点前60°和6缸位于上止点后60°。又因为空气分配器在上止点前5°曲轴转角，开始向气缸供气，在上止点后100~120°曲轴转角，结束供气，所以可排除5缸故障的可能。空气分配器处于进气阶段的只有1缸和6缸。

首先排查空气分配器滑阀可能的故障--滑阀卡死。

若滑阀卡死，由空气分配出来的控制空气，会处于一直处于不供气状态。（滑阀上位截止）

分别将1缸、6缸气缸起动阀上的2位5通阀控制空气管（此管连接空气分配器）接头拆下，各派一人观察此管在冲车时是否供气。

将操纵杆5.03推到AHEAD START（正车起动）位置时，发现1缸、6缸均供气，拉回操纵杆，均停止供气。此时，又排除空气分配器故障的可能，管路复位。

通过柴油机工作原理分析，主机在正车冲车时，空气分配器会在上止点前5°曲轴转角，开始向气缸供气，在上止点后100~120°曲轴转角，结束供气。1缸处于发火上止点，6缸处于膨胀做功，向缸内供气，示功阀均应冲出压缩空气。

指派两人分别观察该两缸示功阀。将操纵杆5.03推到AHEAD START（正车起动）位置时，发现1缸有气冲出，而6缸几乎无气冲出。由此可判断6缸起动阀未动作，故障点得以找到。

于是迅速将第6缸的启动阀拆下，如图3所示，换上备用件，等安装完成后，经过反复试车都未再次出现类似状况。经过轮机部的团队配合、协作分工，终于将主机冲车飞轮未能转动的故障得以解决。

四、结语

   对于船舶主机的各大系统，在操作与运行过程中发生的问题或故障，轮机员需了解故障的起因及表现，要进行必要合理的分析，团队合作，先从简单易做着手，通过一定的方法排除可见易操作的部分，后按照原理，逐步分析排除，直至找到最终的故障点，进而加以解决。