浅析MAN B&W16/24柴油机的 典型故障及维护管理
曹晔 张勇 孔华杰
摘 要：MAN B&W16/24柴油机是MAN公司近几年推出的新机型，在各船公司得到广泛使用，但是该型机易出现气阀断裂的典型故障。本文对该故障发生的机理及MAN公司的改造方案进行了分析研究，并结合笔者工作经验，就维护管理提出针对性措施。
关键词：柴油机;升级改造;设计缺陷;典型故障;维护管理
中图分类号：U664.121? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? 文章编号：1006—7973（2019）08-0077-02
MAN B&W 16/24柴油机是由MAN公司开发的一款较为先进的柴油机，设计简洁，使用可靠，从21世纪初开始装船使用，得到各船公司的充分认可和广泛使用。
目前该机型有三个不同的版本即MKⅡ升级前版本、MKⅡ版本和排放二版本（TIER Ⅱ）。该机型可燃用燃料油和轻油，由空气马达启动，配备的增压器为MAN NR12、NR15、TCR等系列，常用的主要有5缸、6缸、7缸、8缸等几种机型。具有单位重量功率大、结构紧凑、模块化设计、控制系统先进、维护管理简单等特点。
该机型优点明显，缺点也很突出。气阀易断裂，就是该机型的典型故障。气阀损坏断裂，落入气缸，在活塞的高速反復撞击下，造成活塞、气缸盖等相关燃烧室部件损坏。如果没有及时停车，损坏的散落件还会随排气进入增压器，进一步造成增压器的损坏，产生的后果较为严重。
笔者专门就气阀落入气缸的问题，询问了MAN公司的专业技术人员，得到的解释与笔者的分析基本一致，即由于燃油的不完全燃烧导致气缸排气含有大量焦化燃油，排气时排气阀处于打开状态，部分焦化燃油粘附到阀杆上，阀杆被黏住，在气阀导管内运动受阻，无法顺利复位关闭，导致气阀与活塞撞击，最终气阀被打断而落入气缸。
这个故障主要是由于燃料油的不完全燃烧引起，在使用燃料油的柴油机的刚起动阶段，系统中有部分残油无法达到正常运转的温度，造成喷油器雾化不良，使燃烧不完全，所以这个故障多发生于柴油机起动初期。
由于该机型本身爆压较高（达到170bar），相对低速机而言气缸的噪音较大，气缸的不严重敲击声无法辨别，往往是在气阀已经断裂掉入气缸后才能被发现，此时的燃烧室部件，甚至增压器已经损伤。
该故障刚发生时比较隐蔽，一旦发现已产生严重后果。为了改善这一状况，柴油机厂家对相关部件进行了升级改造;对于未升级的柴油机，使用者可在日常管理方面采取针对性措施。
1 MAN公司对该机型活塞、进排气凸轮等部件进行了升级改造
增加了活塞高度，减少了气缸的余隙容积，将压缩比由15.2增加到16.2。增加压缩比的目的是为了提高压缩终点时气缸内温度，提升点火性能，使得冷启动时燃油能顺利着火燃烧，减少了因不易着火造成的燃料油在气缸内的累积，增加焦化燃油的产生。
对进排气凸轮的线形进行了重新设计和在活塞上增加气阀避让坑。将凸轮的高度降低，减少气阀开启高度，气阀的开度由大于19mm降低到小于12mm;将凸轮最高部分延长，延长气阀的全开时间，保持气缸换气效果。在活塞的顶部，气阀相对应的位置加工避让坑，使气阀在全开时不会碰到活塞。通过这两项改造，让气阀在卡滞的情况下没有与活塞相撞击的可能性，即使在气阀卡死的状态下，活塞也不会接触到气阀。
将气阀弹簧的弹力增加一倍，通过增加弹簧的弹力增加气阀的关闭力，使得气阀在有轻微卡滞时，仍能正常关闭，减少气阀无法关闭的可能。
2 MAN B&W16/24柴油机未升级机型的管理
从故障产生机理来说，气阀卡滞，主要是由于燃料油在气缸内不正常燃烧，产生的焦化燃烧产物引起。通常情况下，轻柴油不太可能产生这种物质。因此，使用轻柴油该型机基本不会出现上述故障。但是，燃油成本是船舶运营的主要成本之一，使用燃料油仍然是大多数船公司的首要选择。笔者结合多年船舶设备管理经验，对使用燃料油的未升级柴油机的维护管理，提出如下参考建议：
2.1保证燃料油进机粘度
柴油机气缸内燃料油的燃烧是否充分，与燃料油的雾化颗粒是否细小、均匀有很大关系，这又受燃料油粘度的影响很大，粘度低雾化好，粘度高雾化差。燃料油的粘度和温度是一一对应的关系，温度高粘度低，温度低粘度高，控制燃料油的粘度实际上控制的是燃料油的温度。
一方面，该机型设计进油口直径约4mm，因此燃油的循环量很小，油温保持有一定难度。另一方面，从设备的实际布设情况来看，供油单元到机旁一般都有一定的距离，有时管路会有数十米，如果燃料油管系的伴热情况不佳，加热后的燃油在从供油单元到柴油机的流动过程中，温度会下降较快，进机的实际燃油温度会远低于供油单元处的温度，温度的降低，使得燃油粘度升高，不满足喷射条件，造成燃油的雾化不良，燃烧的恶化。因此在燃油系统的日常管理过程中，要保证燃油的进机温度在规定范围：一要保证管路伴热状况的良好，勤检查管路保温层有无破损，伴热管路有无泄漏，蒸汽流通是否通畅等;二要勤检查燃油进机温度，机器的进油管路温度才最接近燃油喷射的实际温度，应该依据最接近机器的进油管温度作为参照，来调节燃油的加热温度，把燃料油的粘度控制在比较好的状态。
2.2适时进行燃料油和轻油的转换
在柴油机使用燃料油停车状态下，高压油泵有燃油循环，但喷油器及高压油管无法循环，这里面留存的燃料油温度只有数十度，完全无法达到燃料油喷射雾化的理想粘度。起动的时候，留存的油要全部喷入气缸，后续供入的热油在高压油管及喷油器通过的初期还有一个传热降温的过程，这些都将导致起动时喷入气缸的是雾化不佳的燃油，再加上对于160mm的小缸径的机器来说，压缩终点的温度和压力都比较低，所以在起动初期气缸内的热状态非常差，喷入气缸的燃料油绝大部分因无法完全燃烧，而产生焦化物。
正常工况下，气缸热状态好，燃烧完全就不会发生上述的问题。那么，在柴油机气缸状态不佳时，最好使用轻柴油。一方面，轻柴油粘度小，容易雾化，着火性能好，燃烧充分;另外一方面，轻柴油比较纯净，所含成分不易产生焦化物，即便燃烧不良，也不会出现因燃烧不良而产生严重的焦化烟气附着气阀阀杆，引起气阀卡死。笔者在对该类型柴油机管理过程中，采取了有针对性措施，一方面在柴油机正常工况下，将需要解列的柴油机换用轻柴油运转一段时间再解列，停车;另一方面使用轻柴油起动，正常并电带负载后再换用燃料油。三年多来，再没有发生过气阀损坏落入气缸的故障。
笔者以为，即便是升级的柴油机也需要采取上述操作措施。因为这样的换油操作對进排气阀的工作有利。在燃烧不佳的情况下，燃料油的排出气体含有的物质有可能对气阀阀杆产生影响，这种影响将导致气阀关闭不严，容易导致气阀和阀座的高温烧损。从笔者历来吊缸检查的情况看，气阀的烧伤现象比较严重，而采用这样的操作后，气阀状态明显改善。另外，这样的操作还能减少了对增压器喷嘴环及涡轮叶片的污染。
2.3合理控制负荷区间
笔者与柴油机制造厂家进行过沟通，从他们售后服务的情况看，气阀断裂、燃烧室部件损坏等很多的问题，都发生于长期使用燃料油的低负荷运行状态下。设备说明书明确规定，低负载下工作不得长期使用燃料油。该机型正常工作时要保持一个相应的负载运行，低负载状态下气缸热状态差，非常容易导致气缸燃烧室组件及气阀阀杆结焦，从而导致严重后果的发生。这种机型，气缸热状态对其工况影响非常大。负荷高，气缸热状态自然就好，此时气缸的磨损率非常低，曲柄箱会比较干净。由于增压器在高负荷段效率的提升，增压压力提升后，从气阀导管泄漏的润滑油也会有大量的减少，这将是一个良性的循环。正常比较良好的状况是在60%-85%负荷期间运行，对机器的总体状况的维持会比较好。低负载是该机型最忌讳的。因此，在日常管理中，要注意船舶负荷的合理配置使用，在多台柴油机并联运行时，如负荷较小，要及时进行负荷转移，减少柴油机的运行数量，或者使用较小功率的柴油机，提高柴油机的负荷使用率。如果无法进行柴油机的调整，在负荷低于30%时，建议换用轻柴油。
随着中国造船业的发展，各类进口设备被广泛地装船使用。这些设备在使用的过程中多多少少会存在一些设计、制造、安装、调试方面的缺陷和瑕疵。作为设备的使用和专业管理人员，要充分把握设备性能，善于发现问题，展开系统分析和研究，采取科学的解决措施，保障设备安全高效运行。
参考文献：
[1]王福根.船舶柴油机及安装[M].哈尔滨工程大学出版社，2011.1
[2]黄政.船舶柴油机装配与调试[M].哈尔滨工程大学，2010.1
[3]于敬来，卢恒荣.船舶柴油机[M].哈尔滨工程大学，2012.12
[4]丁宏.船舶柴油机操作与管理[M].上海浦江教育，2014.8
[5]张天野.船舶柴油机[M].哈尔滨工业大学，2017.8
