MAN B&W型主机排气阀空气系统故障分析
张云龙 陈立春
【摘 要】 为解决实际工作中排气阀空气系统故障，基于MAN B&W直流扫气型船用柴油机排气阀空气系统的工作原理，介绍关阀力不足和非正常关阀两种故障现象，分析产生故障的原因，根据实际操纵，提出以下应对措施：进行排气阀开、关试验；结合新型ME机型空气系统，精确控制排气阀启闭定时；使用新型密封材料。
【关键词】 柴油机；弹簧空气；气封空气；控制空气；关阀力；排气阀
MAN B&W直流扫气船用柴油机的排气阀，采用空气弹簧取代机械弹簧。压缩空气除了提供排气阀关阀动力即“弹簧空气”以外，还为排气阀提供“气封空气”和“控制空气”。
在实际工作中，排气阀的空气系统运行相对平稳，故障极少，常被船舶操纵人员所忽视，因此，一旦出现故障，较难以应对处理。
本文在介绍排气阀三路空气系统的工作原理的基础上，针对排气阀非正常关闭的故障现象，分析产生的原因。结合新型ME机型空气系统，提出应对措施，对船舶操纵人员的实际工作具有一定的指导意义。
1 排气阀及其工作原理
1.1 排气阀的三路空气
1.1.1 弹簧空气
从空气瓶来的压缩空气，减压成0.7 MPa的压力空气，分成三路后进入主机控制系统，称之为主机的控制空气、安全空气和弹簧空气，其中，弹簧空气被直接引入排气阀，作为排气阀的关阀动力源，即排气阀的“弹簧空气”。
在主机处于“完车”状态时，通常凸轮轴油泵或主油泵仍继续运行，其中一个油泵负责为排气阀提供压力油。为防止排气阀油缸内的压力油通过开启的排气阀泄漏至主机气缸内，在没有停止油泵前，不允许关闭弹簧空气气源。也就是说，在主机完车时，不关闭弹簧空气的同时，确保排气阀处于可靠的关闭状态。
1.1.2 气封空气
弹簧空气通过一个单向止回阀进入排气阀气缸，在排气阀气缸的下部，引出一路弹簧空气，通过节流管，进入排气阀阀套，以起到封阻燃气的作用，并称之为“气封空气”。
在排气阀开启时，大量的气封空气进入气阀阀套，以阻止燃气进入排气阀阀套内，减少排气阀杆上的结炭，从而起到保护排气阀杆以及密封件的作用。
1.1.3 控制空气
另一路来自主机的安全空气，除了作为主机安保系统的动力源以外，还被引入到排气阀中，作为排气阀的“控制空气”，控制排气阀的“气封空气控制阀（二位二通阀）”（见图1）。
气封空气受控于气封空气控制阀，只有在排气阀控制空气，即主机安全空气开启时，才能够打开气封空气通道。也就是说，主机在备车和运行时，安全空气处于开启状态，气封空气通道开通，弹簧空气通过节流管，源源不断地进入排气阀阀套内，形成气封空气。
在排气阀开启过程中，排气阀气缸内的弹簧空气受压而使气缸内不断蓄压，为排气阀的关阀提供足够的反弹力；同时，小部分的高压弹簧空气转化为气封空气，使进入排气阀阀套内的空气压力和流量增加，以加强封阻燃气的作用。
在主机完车时，出于安全考虑，须关闭安全空气。此时，气封空气控制阀失控，通道被切断，阻止排气阀气缸内弹簧空气进入排气阀阀套内，从而减少在完车时压缩空气的损失（在完车时，弹簧空气处于开启状态）。
1.2 排气阀的关阀力
0.7 MPa的弹簧空气通过一单向止回阀，不断地向排气阀气缸内补气，使气缸内压力始终保持在至少0.7 MPa。当排气阀在液压力的作用下开启时，气缸活塞下行，压缩气缸内的空气，气缸内不断蓄压而产生高压；在关阀时，气缸内的高压空气形成足够的反弹力，即关阀动力，使排气阀能够跟随开阀油压的释放而迅速关阀。
因此，排气阀关阀力量来自气缸内空气被压缩后的反弹力，而不仅仅是弹簧空气气源的0.7 MPa压力。
由于气缸活塞密封圈采用软质塑胶圈，不存在搭口间隙，具有密封性较好、运动部件间空气泄漏少的优点，且有0.7 MPa的气源源源不断地向气缸内补气，因此，即使运动部件间存在少量空气泄漏，也不会导致空气系统故障的发生。
2 故障现象
2.1 关阀力不足
若空气泄漏量大到一定程度，且泄漏量远未超过补气量，气缸至少能保持0.7 MPa的气源压力；但随着泄漏量的增加，在开阀过程中，气缸内弹簧空气蓄压能力随之减弱，空气被压缩的效果也随之变差，致使关阀力不足，造成排气阀关闭延迟。
此故障现象通常发生在一个做功冲程循环完成时，排气阀还未能完全关闭，新的开阀程序又开始运行。
2.2 非正常关阀的现象
在主机冷车启动及加速过程中，非正常关阀现象尤为明显。在一个工作循环过程中，排气阀未及时关闭而造成主机不发火或间隙发火，严重时会在主机气缸及排烟管内形成“冷爆”，对主机产生极大危害。
在主机加速完成后开始定速运转时，关阀动力的不足可借助于主机气缸内的爆压，促使排气阀迅速关闭，从而消除单缸不发火现象，使主机恢复正常运转。
从以上分析可以看出，由于弹簧空气泄漏而造成关阀动力不足的故障现象时隐时现，难以捉摸。只有清楚了解排气阀空气系统原理，准确判断问题，才能对症下药。
3 故障原因分析
气缸内的空气泄漏途径主要有三处：活塞与气缸间的空气泄漏，排气阀杆与气缸底座间的空气泄漏。这两种是由于相对运动部件间磨损超限后形成的，处理办法是及时更换相关磨损件。
还有一处空气泄漏是由于气封空气节流管破损或被人为放大节流孔后，不能起到节流作用，从而造成大量弹簧空气从此处泄漏。该节流管位于阀套内，在燃气的作用下，易结炭而阻塞节漏孔。部分船舶管理人员在使用机械方式疏通节流孔时，无意中扩大了节漏孔，使该节漏孔失去应有的节流作用，大量的弹簧空气从此处泄漏，削弱了弹簧空气的反弹力。
在这三处空气泄漏量之和达到一定程度后，使得开阀过程中弹簧空气蓄压不足而造成排气阀关阀的故障。
4 应对措施
4.1 排气阀开、关阀试验
为确保排气阀能够正常关闭，在对排气阀解体检修后，应进行排气阀开、关阀试验：（1）从单向阀处向气缸内引入压力空气（机舱日用空气），排气阀能够自行关闭；（2）断开压力空气，排气阀关闭状态至少维持15 min以上（经验值），而不会在重力的作用下自行开启；（3）强制打开单向阀，释放气缸内空气，排气阀在重力的作用下能够缓慢开启。
这个试验结果表明，排气阀运动部件间的密封能力和运动阻力处于比较合适的状态下，才能确保排气阀的正常工作。
4.2 新型ME机型空气系统的简化
4.2.1 精确控制排气阀定时启闭
在新型的电喷ME机型上，对排气阀空气系统进行一定的简化。由于采用电喷装置，能够精确控制排气阀定时启闭，尤其是在倒车时，弥补了MC机型上排气阀凸轮不换向的缺陷，使排气阀定时和喷油定时同步改变，并相互匹配，较为精确地控制扫气效果，缩短排气阀的开启时间，防止大量燃气进入排气阀阀套。
4.2.2 使用新型密封材料
阀杆密封件采用新型材料，即使有少量燃气进入排气阀套，也不会导致排气阀的损坏，因此，进入ME型主机排气阀的空气仅为弹簧空气一路，省略了安全空气和气封空气，使排气阀结构变得更为简单。
为了精确控制排气阀的启闭，在排气阀杆处装有排气阀杆行程探头，以检查排气阀的启闭定时，并反馈给主机控制系统，形成闭环控制，从而确保排气阀的正常工作。
