新一代電子脈沖氣缸潤滑系統

林剛毅，鄧健星

（玉柴船舶動力股份有限公司，珠海 519175）

新一代電子脈沖氣缸潤滑系統

林剛毅，鄧健星

（玉柴船舶動力股份有限公司，珠海 519175）

介紹并分析了在W?rtsil?最新的W-X35/40系列柴油機上采用新一代電子控制的脈沖潤滑油系統，它由新一代柴油機控制系統UNIC來控制，采用最新型的CLU-5氣缸潤滑技術，在保持柴油機活塞運動特性的同時，把氣缸潤滑油注油率的指導值降低到0.6g/kWh，減少了氣缸潤滑油的消耗，并降低了柴油機的運行成本。

電子脈沖；潤滑系統；UNIC控制系統；新特點

0 引言

柴油機作為船舶的動力裝置，其長期安全可靠地工作對于船舶運行十分重要[1]。而氣缸套是船舶柴油機的重要零件之一，因其內壁工作條件十分惡劣，如潤滑不足或潤滑不當，將很易發生磨損，若發生磨損將直接影響氣缸套與活塞環之間的密封性能，對柴油機的啟動、功率損耗、燃油和潤滑油的消耗、使用壽命以及排放等都有著重大的影響[2-3]。當代柴油機正向高強度化、燃油劣質化方向發展，燃用劣質燃油所帶來的氣缸低溫腐蝕、固體顆粒磨損、積炭引起的活塞環粘著與氣口堵塞等問題，對氣缸潤滑提出了更加苛刻的要求。

隨國際市場原油價格的持續上漲，氣缸潤滑油的價格也在不斷上揚。如何控制船舶柴油機氣缸滑油的消耗，減低船舶運營成本，這已成為每家航運企業非常關注的問題。經世界多家公司計算，滑油成本約占主機整個維修保養成本的80%，而氣缸滑油成本又占主機滑油成本的90%以上，因此降低氣缸潤滑油的消耗，已成為繼節約燃油消耗之后，降低船舶運營成本又一有效措施。

裝配在W?rtsil? W-X35/40系列柴油機上的最新一代電子脈沖氣缸潤滑系統，采用CLU-5氣缸潤滑技術，由新一代的柴油機控制系統“UNIC”控制，精確定時的潤滑噴射，可隨負荷變化而調節，在保持柴油機活塞運動特性的同時，把氣缸潤滑油注油率的指導值降低到0.6g/kWh，減少氣缸潤滑油的消耗，以提高柴油機運行的經濟性。

1 傳統機械式氣缸潤滑的技術缺陷

傳統機械式氣缸潤滑系統都是通過凸輪軸驅動機械注油器來注油的，注油設備由注油器和注油頭組成，每缸設置一個，均由多個柱塞式油泵單元組成，各油泵單元分別將氣缸油經氣缸周圍的注油頭供給各缸。這個注油器由鏈輪傳動，帶動注油器的凸輪軸做旋轉運動，由凸輪頂動小柱塞做往復運動，且柱塞與活塞的運動是相對應的，它的泵油頻率與柴油機轉速同步，注油量的大小與主機轉速的變化成線性關系，它的注油量調節主要依靠手動調節每個注油小單元的柱塞行程來實現。這種設計注油壓力低，定時也比較粗放，且不能隨著柴油機的負荷變化而變化，往往從可靠性出發，根據最大負荷的需要再加上一定的系數確定噴油量，這就會使低負荷運行時柴油機的氣缸注油率偏大。過量的氣缸油，不僅浪費了氣缸油，增加運行成本，也增加了對環境的污染和污油處理的工作量和費用，同時還造成活塞頂面、氣口、排氣閥處積炭，引起活塞環、排氣閥的粘著，氣流通道的不暢，多余氣缸油進入活塞下部造成掃氣箱著火。

2 電子脈沖氣缸潤滑系統的優點

電子脈沖氣缸潤滑系統摒棄了傳統機械式的設計思想，采用電子共軌控制技術實現全智能化控制，把傳感器、電磁閥及控制裝置有機地結合在一起，實現氣缸潤滑模塊化設計，利用脈沖功能以精確的噴射定時和精確計量的噴射劑量向氣缸壁表面噴射潤滑油，優化和改進了氣缸壁表面潤滑油的分布狀態和氣缸潤滑特性，精確注油率，從而減少了氣缸潤滑油的消耗。新一代電子脈沖氣缸潤滑系統解決了傳統機械式注油壓力低，以及注油量不能隨柴油機工況變化等參數進行調節的問題。

3 W-X35/40柴油機上的新一代電子脈沖氣缸潤滑系統的工作原理

如圖1所示，新一代電子脈沖氣缸潤滑系統是一個獨立系統，它通過嵌置在環繞氣缸壁四周方向上多的注油器向氣缸壁表面定向噴射加壓的潤滑油。每個注油器的噴嘴頭部有多個噴油孔，以多頭射流的脈沖方式從噴油孔各自定向向氣缸壁表面噴射潤滑油。在氣缸潤滑油的噴射過程中，潤滑油不產生霧化，以防止潤滑油揮發到掃氣空氣中。氣缸潤滑油注油器帶有單向止回閥，工作可靠。氣缸潤滑油通過具有電子集成監測功能的潤滑模塊單元上的一個劑量泵，在壓力的作用下將其輸送給潤滑油注油器 。由于在每個氣缸上都設置有這樣的一個潤滑模塊單元，所以輸送潤滑油的管路可與潤滑油注油裝置以最短的距離連接，以減少管道流通損失。對注油裝置來說，不但在定時的設定上具有很大靈活性，而且容積測量法保證了在覆蓋柴油機整個負荷范圍內潤滑油噴射模型的不變。即使氣缸潤滑處在低進油率時，氣缸潤油的噴射劑量仍然是一個精確的調整值。每個潤滑模塊單元都有潤滑油管路和伺服油管路，這兩條管路是相互獨立的。

圖1 新一代電子脈沖氣缸潤滑系統

氣缸潤滑系統的整個工作過程都由新一代柴油機控制系統“UNIC系統”控制，各個潤滑點的氣缸潤滑油供油量都可以隨負荷調節。它采用CLU-5的氣缸潤滑技術，氣缸潤滑油泵采用電氣控制，噴射壓力為50bar，噴射控制已完全整合至UNIC控制系統中，使用與燃油噴射和排氣閥控制同樣的曲柄轉角傳感器，不再需要使用CAN-bus延時補償電氣元件。每個CLU-5潤滑油泵均帶有兩個控制電磁閥，這兩個電閥處于雙保險狀態，且控制系統會自動切換交替這兩個電磁閥。壓力反饋信號的電流強度為4 mA～20mA，傳感器安裝在潤滑油脈沖泵上，用于反饋是否噴射成功及自動補償系統定時。各缸的氣缸潤滑系統由對應缸的CCM-20模塊控制。CCM-20模塊控制兩個驅使潤滑油噴射的電磁閥。安裝在滑油泵上的壓力傳感器反饋注射定時，并被UINIC系統用于補償系統液力的和機械的延遲。雙重的CAN-bus和電源供給確保工作冗余。可以靈活設定氣缸滑油注射定時至需要的曲柄轉角，進而控制氣缸滑油分配。氣缸滑油可以注射到活塞上部、下部和活塞環中間。如果一個轉換信號通過柴油機控制系統UNIC發給二位四通電磁閥(CLU-5潤滑油泵上的其中一個)，那么電磁閥轉換的同時也會引起潤滑油泵的中間活塞發生轉換。中間活塞向四個靜態傳遞活塞的反方向運動。預先設定潤滑油的油量，之后通過控制活塞上的控制油槽傳送到潤滑油泵上的所有供油出口。在那里，潤滑油被動態計量并在高壓下送到所指定的潤滑油注油器中。同時轉換操作，中間活塞的另一邊充滿了潤滑油，當二位四通電磁閥開關重復一次，預先設定劑量的潤滑油再次計量送到泵所指定的潤滑油注油器中，中間活塞隨后回到初始位置。

4 W-X35/40柴油機上的新一代電子脈沖潤滑系統的新特點

整個工作過程由新一代柴油機控制系統“UNIC系統”控制。UNIC控制系統是一款嵌入式柴油機控制系統。此系統采用模塊模塊化設計。UNIC系統設計中考慮了苛刻的主機使用環境，在整個設計過程中專門對使用溫度和振動耐久性做了努力。兩塊機旁顯示單元LDU-20，一塊安裝在自由端機旁操縱箱，另一塊安裝在集控室。至外部推進控制系統和船舶報警和檢測系統使用可靠的總線技術，外部系統充當人機交換界面。UNIC系統結構設計是這樣的，一塊氣缸控制模塊（CCM-20）控制一個氣缸，當一塊CCM-20模塊、電磁閥或壓力傳感器發生故障時，UNIC手動控制板上會有故障指示。故障信息也會傳到報警和監測系統。一塊CCM-20模塊或電磁閥發生故障時，柴油機將降低輸出功率（減速運行）。

采用最新的CLU-5氣缸潤滑技術。在RTA柴油機上，從液壓機械控制的CLU-1氣缸潤滑技術，到后來以電子控制形式的CLU-3氣缸潤滑技術，無不都是利用蓄壓注油器和掃氣壓力之間的壓力差，由驅動機構通過每缸的注油器向氣缸壁油槽注入潤滑油以達到潤滑的目的。在RT-flex柴油機上，采用CLU-4和CLU-4C的電子脈沖氣缸潤滑技術，摒棄了傳統的設計思想，實現了氣缸潤滑模塊化設計，利用脈沖功能，精確噴油定時和精確噴油量，改進了氣缸壁表面潤滑油的分布狀態和氣缸潤滑特性。W-X35/40柴油機上采用的新一代CLU-5氣缸潤滑技術，是對電子脈沖氣缸潤滑技術的進一步優化。無論CLU-4還是CLU-4C，工作動力都來自于伺服油，都帶有一個蓄壓器，用以避免伺服油管壓力油較大的波動，保持伺服油壓力穩定。蓄壓器充滿一定壓力的氮氣，在起動蓄壓器后一周內，至少檢查一次充氣壓力，三個月后再檢查一次，并建議每三個月檢查一次。在每次檢查過程中少量的氣體可能泄放到大氣中，因此，檢查前必須準備一個氮氣瓶，以便于補充可能的氣體流失。而CLU-5潤滑油泵不是依靠伺服油來驅動，供油泵將潤滑油加壓到大約50bar，當柴油機控制系統UNIC 發出相應的信號時，潤滑油就會驅動CLU-5潤滑油泵。所有潤滑油泵都被連接到供油管，供油管不斷地預緊，充當外部的蓄壓器并向潤滑油泵提供驅動需要的液壓，安全閥用于調節需要的運行壓力。因此，CLU-5不需要蓄壓器，也不需要連接伺服油管，整個結構更加簡潔，這就省去了對蓄壓器定期檢查的維護工作，也避免了運行過程中因蓄壓器壓漏氣而影響氣缸潤滑的風險。

圖2 CLU-4、CLU-4C和CLU-5的實物圖

圖3為可靠的高壓供油單元。供油單元中的兩個高壓齒輪泵互為備用，在正常運行中，一個高壓泵提供必需的潤滑油壓力。如果一個高壓泵有故障，另一個泵保證能驅動潤滑油泵必需的潤滑油壓力，后者通過柴油機控制系統自動轉換到開或關。如果沒有供油壓力或者供油壓力太低，相對應的高壓泵必須選擇關閉，備用泵通過柴油機控制系統由壓力開關啟動，供油泵潤滑油進口壓力低壓報警就會啟動。安全閥保護潤滑油系統抵抗過高的壓力，當壓力大于60bar時安全閥就會打開，潤滑油就會通過回油管泄放壓力。濾器單元由一個雙聯濾器組成，其中的一個濾器作為備用，如在運行中的一個濾器故障，可以不用停機直接更換過濾器。

圖3 高壓供油單元

新一代電子脈沖潤滑系統可以靈活設定氣缸滑油注射定時至需要的曲柄轉角，進而控制氣缸滑油分配。氣缸滑油可以垂直注射到活塞上部、下部和活塞環中間，也可徑向注射到氣缸壁上，這樣可以確保潤滑油更好地分布在活塞的整個工作行程中，使活塞在整個工作過程中都得到良好的潤滑作用。噴油時間取決于潤滑油的垂直分布，潤滑油注油器噴嘴上的噴射孔取決于滑油的徑向分布，如圖4示。

圖4 潤滑油垂直噴射和潤滑油徑向噴射圖示

良好的潤滑油注油率。氣缸潤滑油注油率的指導值降低到0.6g/kWh。潤滑油供油量可在0g/kWh～10g/kWh調節，變化幅度為每次0.1g/kWh，這些調節可通過UNIC手動控制面板來調節實現。精確的注油率和噴油量，可減少潤滑油的消耗，提高柴油機的運行經濟性。

5 結論

W?rtsil?最新一代W-X35/40系列柴油機上采用UNIC控制系統的新一代電子脈沖氣缸潤滑系統， 實現了對注油量、注油壓力和噴油定時的全共軌智能電子控制。噴油量可以隨著柴油機負荷而調節，氣缸潤滑油注油率的指導值降低到0.6g/kWh，在既滿足柴油機活塞運動特性的前提下，又可減少潤滑油的消耗，提高柴油機運行的經濟性。新一代電子脈沖氣缸潤滑系統必將成為氣缸潤滑系統的主流之一。

[1] 孫建新. 船舶柴油機[M]. 北京: 人民交通出版社,2006.

[2] 李玉林. 脈沖氣缸潤滑系統的技術特點[J]. 上海造船,2009 (2): 21-23.

[3] 賀玉海. 大型低速船用柴油機新型電控氣缸注油潤滑系統研究[J]. 內燃機工程, 2010 (4): 69-74.

New Generation of Electric Impulse Cylinder Lubrication System

LING Gang-yi, DENG Jian-xing
(Yuchai Marine Power Co., Ltd., Zhuhai 519175, China)

A new electronic control cylinder pulse lubricating system is introduced to W-X35/40 diesel engine，which is the latest model diesel engine in W?rtsil?. It uses the new UNIC control system and CLU-5 cylinder lubrication technology. While maintaining the good performance of the piston, the guideline values of the cylinder lubricating oil oiling rate are reduced to 0.6g/kWh, which can reduce the cylinder oil consumption and the running costs of diesel engine.

electronic pulse; lubrication system; UNIC control system; new features

U677

A

林剛毅（1984-），男，產品設計工程師。主要從事船用低速柴油機產品開發研究。