燃?xì)獍l(fā)動機(jī)故障維修

丁 聰

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

1 燃?xì)獍l(fā)動機(jī)簡述

設(shè)施采用的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)組由卡特公司制造，型號G3516，全荷載轉(zhuǎn)速1500 r/min，冷卻系統(tǒng)容量1000 L，潤滑系統(tǒng)容量800 L，氣缸數(shù)和排列為V-16，燃燒方式為火花點(diǎn)火，曲柄軸旋轉(zhuǎn)方向（從飛輪端看）為逆時(shí)針方向，點(diǎn)火順序?yàn)椋?-2-5-6-3-4-9-10-15-16-11-12-13-14-7-8。主要的輔助系統(tǒng)包括空氣進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、中冷水系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等。

2 故障現(xiàn)象與系統(tǒng)功能

（1）故障現(xiàn)象：機(jī)組故障停機(jī)后，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)無法進(jìn)行手動盤車；空氣濾器處有防凍液漏出；油底殼滑油液位明顯上漲，伴有乳化現(xiàn)象；水箱液位降低。

（2）故障分析：手動盤車無法進(jìn)行可能是氣缸內(nèi)進(jìn)入冷卻液并且處于壓縮行程，而水無法進(jìn)行壓縮，或是機(jī)組存有嚴(yán)重的機(jī)械損傷造成盤車?yán)щy；空氣濾器處漏出防凍液，且油底殼滑油液位上升，說明與冷卻水系統(tǒng)相關(guān)的部件出現(xiàn)損壞，并且漏到了進(jìn)氣系統(tǒng)和滑油系統(tǒng)。

2.1 冷卻水系統(tǒng)

冷卻水路使用齒輪組傳動的水泵（圖1）。冷卻水從散熱器通過水泵葉輪的轉(zhuǎn)動引入水泵吸入口，其中的一部分通過水管被送到氣缸組前端，并流經(jīng)主分配集管到達(dá)每個(gè)氣缸的水套。一部分冷卻水流出機(jī)組的背部，進(jìn)入排氣旁通閥連接器殼體；繼續(xù)向上流動通過排氣肘管與渦輪增壓器渦輪機(jī)殼體，最后所有冷卻水流直接到達(dá)水冷卻排氣集管。

圖1 冷卻水系統(tǒng)原理

另一部分流經(jīng)發(fā)動機(jī)滑油換熱器，進(jìn)行熱交換，然后進(jìn)入氣缸右后部的氣缸組水套。在水套中冷卻的冷卻水和熱的冷卻水混合，通過連接在所有氣缸水套上的分配集管流到氣缸組的兩側(cè)。

冷卻水向上流經(jīng)水套并環(huán)繞氣缸套從底部到頂部流動。冷卻水流到接近氣缸套中溫度最高的頂部時(shí)，水套被減小。這個(gè)改變使冷卻水加快對氣缸套的冷卻。然后，冷卻液通過缸蓋襯墊上的孔上升進(jìn)缸蓋，通過內(nèi)部通道向前流動到缸蓋的前部。這些通道可以冷卻高熱區(qū)域，如火花塞和排氣門區(qū)域。接著通過肘管流出氣缸蓋，進(jìn)入水冷卻排氣集管。

2.2 空氣燃料系統(tǒng)

2.2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)兩側(cè)的空氣流動方式一樣。潔凈的空氣被壓氣機(jī)葉輪從空氣過濾器吸入渦輪增壓器壓氣機(jī)，并被輸送到中冷器。中冷器降低了被壓縮空氣的溫度，為發(fā)動機(jī)提供恒溫的空氣。來自中冷器的空氣經(jīng)過化油器進(jìn)入渦流混合器，在渦流混合器中空氣與燃料相混合，經(jīng)過分配通道混合燃?xì)鈴囊肟谶M(jìn)入氣缸。

每個(gè)氣缸都有兩套進(jìn)氣閥和排氣閥。當(dāng)活塞向下移動開始進(jìn)氣沖程時(shí)，進(jìn)氣閥打開，來自引入孔的冷卻的被壓縮的空氣/燃料混合物被吸入氣缸，進(jìn)氣閥關(guān)閉，活塞向上運(yùn)動開始壓縮沖程。電子點(diǎn)火系統(tǒng)控制模塊通過變壓器向火花塞輸送電壓，變壓器增加電壓直到有火花穿過火花塞缺口。火花將空氣/燃料混合物點(diǎn)燃，混合物燃燒的壓力將活塞下推，活塞進(jìn)入動力沖程。當(dāng)活塞再次向上移動時(shí)，活塞運(yùn)動為排氣沖程，這時(shí)排氣閥打開，廢氣通過排氣孔被推入排氣管。在活塞完成排氣沖程后，排氣閥關(guān)閉，再次開始“進(jìn)氣—壓縮—?jiǎng)恿Α艢狻毖h(huán)。

2.2.2 排氣系統(tǒng)

來自排氣集管的廢氣進(jìn)入渦輪增壓器的渦輪一側(cè)，帶動渦輪葉片轉(zhuǎn)動。渦輪葉片與壓氣機(jī)葉輪傳動軸相連，廢氣通過排氣肘管排出排出口。發(fā)動機(jī)負(fù)載的改變和燃料的燃燒，導(dǎo)致渦輪和壓氣機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速的改變。當(dāng)渦輪增壓器氣壓升高時(shí)，空氣與燃?xì)獾慕Y(jié)合比例改變。為了在氣壓升高時(shí)仍保持同等空氣和燃?xì)饷芏龋诨推鬟M(jìn)氣口和燃?xì)鈿鈮赫{(diào)節(jié)器通風(fēng)孔之間連接一個(gè)平衡管。

2.2.3 中冷器

中冷器位于渦輪增壓器和化油器之間的空氣管路中。中冷器為水冷式，中冷水泵通過冷卻水引入管向中冷器底部送出冷卻水。冷卻水流經(jīng)中冷器核心組件，然后通過冷卻水回流管流出中冷器，到達(dá)安裝在冷卻水回流管內(nèi)的恒溫閥。恒溫閥保證流經(jīng)中冷器核心組件的冷卻水保持在適當(dāng)溫度。

空氣從渦輪增壓器壓氣機(jī)側(cè)通過管道流入中冷器。這些空氣通過中冷器核心組件并被冷卻，冷卻后的空氣流出中冷器進(jìn)入化油器。這時(shí)燃?xì)馀c這些流入的空氣混合，空氣/燃?xì)饣旌衔锿ㄟ^渦流混合器和分配管路，最終被吸入氣缸燃燒做功。

2.2.4 增壓器

機(jī)組有2 個(gè)渦輪增壓器，位于發(fā)動機(jī)的背部。每個(gè)渦輪增壓器都有一個(gè)渦輪機(jī)葉輪和一個(gè)壓氣機(jī)葉輪，這2 個(gè)葉輪都安裝在通用軸上且同時(shí)轉(zhuǎn)動。渦輪增壓器的渦輪機(jī)葉輪一側(cè)固定到排氣集管，而壓氣機(jī)一側(cè)與中冷器相連。

排出的燃?xì)庥膳艢馀酝ㄩy調(diào)節(jié)，進(jìn)入渦輪機(jī)殼體并被壓入渦輪機(jī)葉輪槳葉。渦輪機(jī)葉輪和壓氣機(jī)葉輪為軸，因而渦輪機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動會引起壓氣機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動。

潔凈的空氣被從空氣過濾器吸入，通過壓氣機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動使吸入的空氣被壓縮。壓縮機(jī)使發(fā)動機(jī)在更高的效率下燃燒更多的燃料，發(fā)動機(jī)具備了更大的動力。

2.2.5 排氣旁通閥

旁通閥可以根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，還可以根據(jù)所承受負(fù)載進(jìn)行節(jié)流角度的調(diào)節(jié)。在最大負(fù)載情況下，節(jié)流角度越大，通過節(jié)流板的燃料流出阻力越小，燃料損耗、損失也會減少。

從中冷器到排氣旁通閥的控制管路將渦輪增壓器壓氣機(jī)一側(cè)和排氣旁通閥連接。排氣旁通閥被通過廢料門連接到排氣肘管，控制進(jìn)入渦輪增壓器渦輪機(jī)殼體的廢氣量。旁通閥所使用的導(dǎo)承殼體為水冷式。

提升閥由空氣壓強(qiáng)（大氣）和渦輪增壓器壓氣機(jī)排出到中冷器的氣體壓強(qiáng)間的壓力差啟動。位于調(diào)節(jié)器內(nèi)的隔膜可以通過調(diào)節(jié)器頂端的通氣孔感應(yīng)大氣壓強(qiáng)，隔膜的另一側(cè)通過連接到中冷器的控制管路感應(yīng)渦輪增壓器壓氣機(jī)出口的氣壓。當(dāng)氣壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，壓力會移開隔膜，克服彈簧的彈力和大氣壓力，導(dǎo)致提升閥打開，從而允許一部分廢氣繞過渦輪機(jī)葉輪流出。

在恒定的負(fù)載條件下，閥門會處于一個(gè)設(shè)定的位置，該位置允許有恰好足夠的廢氣進(jìn)入渦輪機(jī)葉輪而向后冷卻機(jī)提供適當(dāng)?shù)臍鈮骸?/p>

3 故障檢修過程

通過對冷卻水系統(tǒng)和空氣燃料系統(tǒng)的闡述，對可能出現(xiàn)故障的部件逐一進(jìn)行拆卸檢查。維修作業(yè)前對機(jī)組進(jìn)行隔離、泄放冷卻水和潤滑油。

3.1 拆檢渦輪增壓器

打開進(jìn)氣濾器端蓋，取出濾器（濾器已被大量防凍液浸濕），拆下進(jìn)氣濾器護(hù)蓋及渦輪增壓器。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)密封部件未損壞，壓氣機(jī)葉片完好無損，渦輪機(jī)內(nèi)有金屬碎塊顆粒，渦輪葉片有輕微損傷。

3.2 拆檢中冷器

打開連接在中冷器上的各個(gè)儀表管接頭、防凍液進(jìn)出管線、至化油器的進(jìn)氣短節(jié)、與增壓器相連接的進(jìn)氣歧管，卸下4 個(gè)底座固定螺栓，并挪移到甲板。目測檢查中冷器組件無損壞。進(jìn)行水壓試驗(yàn)檢查，檢查結(jié)果無泄漏。

3.3 檢查各氣缸組件

將各缸氣門罩打開，拆下點(diǎn)火變壓器及火花塞，檢查發(fā)現(xiàn)2#缸進(jìn)氣門彈簧鎖片斷裂，氣門落入氣缸里，使用內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)各缸內(nèi)均有不同程度的積液。拆下2#氣缸的配氣機(jī)構(gòu)及缸蓋，檢查發(fā)現(xiàn)缸蓋、活塞損壞嚴(yán)重，在內(nèi)部發(fā)現(xiàn)部分損壞的氣門殘片。

經(jīng)過上述檢查可以確定由于2#缸進(jìn)氣門鎖片斷裂氣門落入氣缸，遇到高速運(yùn)動活塞的撞擊，擊打到缸蓋上，導(dǎo)致缸蓋內(nèi)的冷卻水道貫穿與氣缸相通，帶有壓力冷卻水進(jìn)入到氣缸內(nèi)再從進(jìn)氣門進(jìn)入進(jìn)氣室及其他各缸，同時(shí)冷卻水也經(jīng)過配氣機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)處灌入油底殼。

清理各氣缸內(nèi)的積液后，發(fā)現(xiàn)4#、6#氣缸內(nèi)同樣存有部分細(xì)小的塊狀金屬顆粒，且活塞斷面存有許多撞擊坑。其余各缸雖有部分積液，但無明顯損傷。

分析原因是2#缸氣門碎塊顆粒從進(jìn)氣門處（氣門已掉落）進(jìn)入進(jìn)氣室，而此時(shí)臨近的4#、6#缸正處于進(jìn)氣沖程，碎塊隨氣體進(jìn)入氣缸內(nèi)，并與高速運(yùn)動的活塞發(fā)生撞擊。

3.4 更換2#、4#、6#氣缸的活塞、缸蓋等部件

（1）拆下對應(yīng)氣缸的配氣機(jī)構(gòu)，松開搖臂軸鎖緊螺母，取下?lián)u臂軸、搖臂、氣門挺桿，拆下圍擋，最后取下缸蓋。

（2）拆下活塞連桿瓦緊固螺栓，手動盤車調(diào)整方向，取出活塞連桿，更換新的活塞和連桿瓦。部件更換之前使用柴油進(jìn)行清潔。

（3）手動盤車調(diào)整曲軸，達(dá)到便于活塞連桿安裝的位置。安上活塞環(huán)，使用專用工具將活塞連桿裝入機(jī)體，活塞連桿瓦螺栓的扭矩為90 N·m（90°）。將連桿瓦緊固完成后手動檢查其是否可以左右移動，要有一定的間隙量確認(rèn)未抱死，其間隙應(yīng)為0.850±0.232 mm。

（4）更換缸蓋，安裝前對新缸蓋進(jìn)行柴油清潔，對缸墊、推桿、圍擋等部件進(jìn)行清潔，更換新的密封墊及密封件。缸蓋的緊固力矩為450 N·m，緊固時(shí)分2 次達(dá)到預(yù)定值；搖臂軸緊固力矩為120 N·m。

（5）各缸氣門間隙調(diào)整。回裝火花塞及氣門室蓋，回轉(zhuǎn)前將火花塞進(jìn)行更換，火花塞的電極間隙滿足0.29±0.03 mm，火花塞緊固力矩為68±4 N·m。

（6）其他部件及管線回裝，回裝完成后對機(jī)組添加防凍液和潤滑油。

（7）手動盤車，對機(jī)組進(jìn)行全面檢查。無問題后起機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)組啟機(jī)后運(yùn)行平穩(wěn)，空載連續(xù)觀察4 h 無問題后加載65%，運(yùn)轉(zhuǎn)12 h 后無問題全面加載，運(yùn)轉(zhuǎn)48 h 各項(xiàng)參數(shù)均正常穩(wěn)定。

4 總結(jié)與維保建議

經(jīng)過維修，設(shè)備再次正常運(yùn)轉(zhuǎn)。故障出現(xiàn)的最直接原因是氣門彈簧鎖片磨損斷裂，導(dǎo)致氣門直接掉入氣缸，造成缸蓋活塞等部件嚴(yán)重?fù)p壞。鑒于這次事件，建議每次月檢時(shí)對易磨損的部件進(jìn)行檢查，跟蹤記錄磨損情況，制定更接近現(xiàn)場使用情況的維保計(jì)劃，避免造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞和財(cái)產(chǎn)損失。