这篇7000字的文章，讲透了柴油机ALPHA汽缸注油系统的前世今生......
摘要：现代船用大型低速二冲程十字头式柴油机的汽缸润滑一般都是由专门的汽缸油注油装置负责的。长期以来，船用主机的汽缸油注油系统都为机械式，其主要部件是柱塞式注油泵。而几十年来的实际使用经验也表明，机械式注油器具有性能可靠，维护量少等许多优点，故在船用主机上占据统治地位。但机械式注油器也存在着不少的缺点，注油精度低、注油效率差、操作性能差等，已越来越不适应当今的要求。而随着微电子技术的发展和在船用领域的广泛应用，一种全新的汽缸油注油方式已经出现，那就是MAN B&W公司研制的新型电子注油器――ALPHA LUBRICATOR。“某某”轮所用主机（HHM-MAN B&W 6S50MC-C）就安装了这一系统。本文将从其结构、组成、和注油机制等方面着手，结合本人在船的实际经验，对其先进性进行讨论。
一．传统的汽缸油注油系统
1．工作原理
传统船用主机的汽缸润滑原理是这样的：
从汽缸油日用柜来的汽缸油通过输油管送到注油器本体，注油本体在凸轮轴的驱动下以一定的规律泵油，被泵出的油则经过注油管被送到注油嘴，当管内的压力大于汽缸内的压力时，汽缸油便通过注油嘴的止回阀进入到气缸内。汽缸油注油的最佳时刻是第一道活塞环刚刚通过注油槽的那一刻，此时汽缸油正好注入到两道活塞环之间，然后通过活塞的往复运动，被均匀的分布在汽缸壁上。
图1为传统的机械式汽缸油注油器本体的原理图。其实质是一组柱塞泵，各缸的注油器连接到同一根轴上，由主机凸轮轴经齿轮驱动，注油器本体内也有一凸轮，用以驱动柱塞，主机运转时此凸轮随主机以一定的速度转动，带动柱塞在套筒内做往复运动。在输入输出口的止回阀的作用下，汽缸油便以脉冲的形式被不断的泵出。机械式注油器的注油率可以通过调节柱塞行程，即通过控制柱塞的返回距离来调节。但改变注油率将导致注油开始时刻发生改变，如减小注油率将导致注油时刻滞后，而增大注油率则会使注油时刻提前。但不管注油率怎么变化，注油结束时刻则不受影响。
2.影响汽缸注油的因素。
汽缸油从注油泵出来后，并不会立刻被注入到汽缸内，原因有以下几个（以影响从大到小为序）：
1） 注油管内容积
这是由于滑油相对有一定的压缩量，在注油时汽缸内部的压力（可称为注油工况下的背压）比较高的情况下，即使通过注油泵的加压，注油管内的油压也不可能瞬间大于汽缸内部的压力。而注油泵的注油率相对于注油管的容积比值越小，汽缸油通过注油管进入汽缸的时间滞后就越大。
2）粘度阻力
注油管内的粘度阻力会产生一个压力梯度。也就是说从注油泵出来的油压会随注油管内的阻力增大而消耗。管内的粘度阻力与管子的直径的四次方成反比，也就是说管径越小，管内的粘度阻力就越大。
3). 油的惯性造成压力上升的延迟
这是因为压力的传播速度为声速，但这一因素的影响是非常小的，因为注油管的长度一般都不长，相对于以上两个因素来说基本可以忽略不计。
3．对注油过程的分析。
鉴于以上种种原因，实际的注油泵注油时刻与理想的模型是有一定的差别的。图2显示了在主机运转过程中，在注油泵的注油率保持恒定的情况下，汽缸内注油的标准情况。图中曲柄转角为活塞在下止点之后的度数。在压缩冲程，活塞将扫气口封闭并继续上升时，汽缸内的压力不断升高，此时注油嘴暴露在汽缸内的压缩空气中，所受压力与汽缸内压力相同。当第一道活塞环通过注油嘴（图中的1310曲柄转角）后，此时注油嘴就会处于活塞环之间的压力下，从第一道环到第四道环，随着活塞环一道道通过注油嘴，注油槽内的压力呈阶梯状下降。
另外在注油泵的泵油作用下，注油管内的压力逐渐升高，但无论如何，管内的油并不会进入到汽缸内，除非以下的条件得到满足：
油管内压力＞注油槽内压力＋注油器内止回阀弹簧压力
而在1300曲柄转角即第一道活塞环还未通过注油嘴时，虽然此时注油器已开始了对汽缸内的汽缸油的供应，此时注油管内的油压并没有满足上面说的要求，因此汽缸油无法进入到汽缸内。在1310曲柄转角时，此时第一道活塞环已经通过注油槽，注油槽内的压力开始下降，从而满足上面的条件，此时汽缸油便开始进入到汽缸内。而当第二道活塞环通过注油槽时，由于压力进一步降低，注油率增大，在第四道环通过后，在注油管内残余压力的作用下，汽缸油还会继续进入到汽缸内。由此可见，在活塞环通过注油槽之前，注入到活塞环上部的汽缸油量为零。实验表明，注入到活塞环之间的汽缸油量约占总注油量的38％，而注入到活塞环下部的油量则占到总注油量的62％左右。
当然，这一数值是在标准的汽缸油注油率1.39g/KW/h(1.02g/ps/h)下得出的，而如前面所述的机械式注油器特性，当提高注油率时，注油开始时刻会提前，所以如果提高注油率，注入到活塞环上部的汽缸油所占的比重将增加，注入到活塞环下部的汽缸油的比重会减小，而注入到活塞环之间汽缸油几乎不受影响。相反的，当降低注油率时，便得到相反的结果。
综上所述，对于传统的机械式汽缸注油器，汽缸油很难进入到第一道活塞环以上的区域，被注入到活塞环之间的汽缸油占三分之一左右，其余的汽缸油则都被注入到活塞环以下的部位。被送到活塞环之间的汽缸油会通过活塞的上行而被活塞环刮往汽缸的上部，并被均匀的分布在汽缸的内壁上；在做功冲程，活塞下行，刮油环将缸壁上多余的汽缸油刮下，当通过注油嘴附近时，那些未被注到活塞环之间的汽缸油也一同被刮下，这些多余的油会由于重力而顺着缸壁滴到扫气口下方的填料函上，进而流入扫气污油柜内。只有被送到活塞环之间的油才会充分被利用到，他们将留在那里一直润滑汽缸壁和环槽，直到消耗掉，其余的则被浪费掉了。
二． 新的ALPHA LUBRICATOR 系统
主机的汽缸油是船上消耗量最大的润滑油，主机每天都要消耗掉几百升的润滑油。而如今石油价格越来越高，油类支出占整个船舶运营费用的比重也越来越高，同时这些消耗掉的汽缸油又对大气造成了污染。在环境保护日益得到重视的今天，如何在保证主机正常运转的前提下降低汽缸油的消耗量成了所有船公司和各主机制造厂家所面临的问题。要降低汽缸油的消耗，就要提高注油的效率。如何提高，从上面的分析可知，就是要增大注入到活塞环之间的汽缸油在注油总量中所占的比重，减少汽缸油的浪费。要达到这个目的，就要更精确的注油，而传统的机械式注油系统显然不能适应要求。ALPHA LUBRICATOR 就是在这样的情况下出现的。在现今，电子技术，尤其是微电子技术已是高度发达，计算机技术正越来越广泛的应用到船用设备领域。整合了电子技术的机械设备越来越体现出优越性。ALPHA LUBRICATOR 的制造者MAN B&W公司正是看到了这一点，他们将计算机技术运用到了主机汽缸油的注油上，成功的提高了汽缸油的注油效率。
1． 系统组成
ALPHALUBRICATOR的油路系统如图3所示。系统由汽缸油日用柜、泵站、滤器和注油器本体等组成。泵站含两台齿轮泵，正常情况下只有一台泵工作，另一台泵待命，泵站处设一小油箱，内置电加热器，用于在寒冷海域汽缸油温度太低时对汽缸油进行加热，防止汽缸油粘度过高。汽缸油日用柜的高度距泵的吸口不小于3000mm，以保证泵有足够的吸入压力。进入到注油器本体的汽缸油的压力保持恒定，通常被设定在45Bar，由一旁通式调压阀控制。
1). 注油器本体。
注油器本体的结构如图4所示。注油器本体成圆柱形，内含六到七个柱塞泵，每一个柱塞泵对应一个汽缸注油点，如果每个汽缸内的注油点超过七个，那就需要安装更多的注油泵本体。这些柱塞泵均匀分布在圆柱体内，并由同一个液压活塞驱动，柱塞就在套筒内作往复运动。套筒近柱塞端开有小槽，在每次注油循环完成之后，汽缸油通过此小槽补充到柱塞的套筒内。在控制器不给出注油信号的状态下，电磁阀A口与P口相通，高压汽缸油无法进入到注油器内，而通过调压阀旁通到回油管。作动活塞右侧与回油管相通，其压力为回油管内的压力（5Bar左右，即回油管内的汽缸油的重力），与左侧相同，作动活塞在弹簧力的作用下被压往右侧，注油器不注油。一旦控制器给出注油触发信号，电磁阀瞬间使A口与T口相通，并与P口断开，高压汽缸油进入到作动活塞的右侧，由于汽缸油的压力非常高（45Bar），活塞右侧的压力远远大于左侧油压和弹簧压力的总和，活塞迅速左移，同时推动柱塞左移，当柱塞端部越过进油的小槽后，此时便开始高速泵油，汽缸油通过出口止回阀高速进入注油管内，大量的汽缸油在一瞬间急速注入到汽缸内。在注油器本体上还装有作动活塞运动传感器，这个传感器其实是一个接近传感器，用以感应作动活塞的运动，从而确认注油功能是否正常。此时作动活塞运动传感器感应到这活塞的移动，进而向控制板输出一个信号，告知控制板已成功注油。注油结束时，控制板停止向电磁阀线圈供电，电磁阀复位，又变为A口与P口相通，作动活塞右侧油压骤然下降直到与左侧相同，活塞在弹簧力的作用下回到右侧，当柱塞套筒上的进油槽打开后，汽缸油便在压力下进入到套筒内，为下一个工作循环作准备。这样，一个注油循环就完成了。
2). 喷油嘴及布油槽
由于ALPHA LUBRICATOR的注油机制是在极短时间内将较多量的高压油注入到汽缸内，这与传统的机械式注油系统有着很大的不同。故对汽缸内注油槽和注油嘴都提出了新的要求。
传统的注油槽和注油嘴的结构如图5所示。从注油嘴出来的汽缸油沿径向射到活塞上，并顺着倾斜的注油槽沿切向散开，从而均匀分布在整个缸套的圆周上，再通过活塞的往复运动分布在需要润滑和清洁的缸套内表面。注油槽就是起到沿圆周布油的作用。为了使汽缸油能沿着圆周顺利的散开，注油槽被设计成倒V字型。
而新的ALPHA LUBRICATOR 的布油形式则完全不同，由于在注油时，汽缸油的压力很高（45Bar），汽缸油从注油嘴出来是成喷射状的，设计师充分考虑到了这一特性，重新设计了注油嘴，让油不再沿径向喷出，而是沿切向喷出，靠其自身的喷射力向圆周扩散。这就避免了高压油由于自身的冲击力而径直射入活塞环槽内，用时有利于汽缸油沿汽缸内壁圆周的扩散。这样做还有一个好处就是在主机进行盘车前，为减少对汽缸和活塞环的磨损而预先向汽缸内注入预润滑的汽缸油时，即使注油嘴不处于活塞环之间时，注入汽缸的油也不会像传统注油器那样径直射入汽缸内部，而会象正常运转时一样沿周向喷射到汽缸壁上，从而保证良好的预润滑。新的注油嘴和布油槽如图6所示。
3). 控制系统
以上所讲的都是ALPHA LUBRICATOR在机械方面与传统的汽缸油注油器的不同之处，而作为一种革命性的电控形式的注油器，其主要特色还是在它的电子技术尤其是微电子技术的应用上。
与传统的汽缸油注油器不同，ALPHA LUBRICATOR由专门的带有微电脑的电子控制器来控制注油的时间和注油量。整个控制系统如图8所示由如下几部分组成：
（1）传感器。包括曲柄转角编码器，负责通知微电脑哪个缸的活塞在什么时刻到达注油点的位置，以便微电脑给出注油触发信号。主机负荷变送器，用以传送主机的负荷情况，以便微电脑根据主机的不同负荷调节汽缸油的注油率。主机转速传感器，用以测量主机的转速，并将数据传送给微电脑，以便微电脑根据主机的转速调节注油率，并在主控制板失灵的情况下让后备控制板以自动方式工作。注油器活塞运动反馈传感器，用于监视注油器运作情况，使微电脑可以得到适时注油率，从而适时的调整注油策略，使注油率符合要求。并可以在注油器作动活塞卡死等故障出现时发出警报。
（2）控制箱。内含主控制板，后备控制板和开关板。ALPHA LUBRICATOR的主控制板是一块以单片机为核心的嵌入式微电脑控制板。内置中央处理器和记忆芯片，并带有数据通信接口，可直接和电脑相连，用以系统的设置和升级。MAN B&W 公司多年来对主机的汽缸油注油进行了大量的研究，结合大量的实船经验，针对不同的机型，得出了在各种工况下的汽缸油的理想注油率，并将这些数据做成数据库，封装到主控制板的记忆芯片中。在整个ALPHA LUBRICATOR 系统安装完成后，要对系统进行设置，因为数据库中包含了大量的主机型号和工作环境，要根据现实的主机情况进行选择，从而找到适合所在船舶的注油方案。设置完成之后，一旦主机开始运转，控制板上的微处理器就会根据主机的实际工况，从数据库中找到合适的注油率，经过运算处理，输出控制信号对主机进行正确的注油。由于处理器的处理速度非常快，所以系统可以很迅速的对主机运转情况的改变作出反应，从而始终保持正确的注油。正常情况下由主控制板负责对注油的控制，后备板处于待命状态，当主控制板发生故障时，后备板会立刻切入，接手控制的任务，这一切换过程是在极短的时间内完成的，因此注油工作不会中断，不会影响到主机的正常运行。开关板实际是一块驱动板，从控制板来的控制信号很微弱。不足以驱动注油器上的电磁阀，所以必须靠开关板来对信号加以放大，从开关板输出的大电流开关信号才能驱动注油器上的电磁阀。同时开关板还对控制板起到隔离作用，当负载出现短路等情况时不至于烧毁昂贵的控制板。
（3）电源模块和后备电源。负责向控制板和驱动板提供所需的24V电压。ALPHA LUBRICATOR的控制电路是带微电脑的数字电路，非常敏感，故对电源的求较高，不但要求电压要稳，而且要求电流中的高频杂波成份要很少，所以要由专门的稳压电源来供电。我轮上的这套系统就曾因为电源的问题而出现故障，某日在航行途中后备控制板供电模块突然跳电，系统显示后备控制板不正常，合上供电开关，手动复位，系统依然显示后备控制板不正常。幸好主控制板未出问题，主机得以正常运转。后经检查发现是后备控制板的电源整流桥击穿，进而导致稳压二极管损坏，失去对控制板的保护，交流电直接进入数字电路，导致整个后备板烧毁。究其原因就是电源模块性能不良，输出电压不稳，从而造成了整流桥的损坏。可见电源的质量有多重要。同时为防止在机舱意外跳电时，系统不至于因失电而不能够继续对运转中的主机进行润滑，电源模块要由不间断电源供电。
（4）操作面板。起到人机界面的作用，通过他，我们可以随时了解系统的运行情况，并对系统作一些设置。
2. 注油规律
ALPHA LUBRICATOR 的注油规律与传统的注油系统也有很大的不同，传统的汽缸油注油系统，其注油规律一般是固定的，即在主机每个工作循环注油或间隔数个固定的工作循环供油，每次的注油量固定或根据主机的负荷变化而改变。但供油频率是与主机的转速相对应的，只要主机的转速不变，那注油的频率就是恒定的。而新的ALPHA LUBRICATOR则完全不同，它既不是在每一个工作循环注油，也不是间隔一定的工作循环供油，而是不断变化的。由于主机在不同负荷下对汽缸油的注油率的要求是不一样的，而ALPHA LUBRICATOR每次的注油量是固定的，为了达到随负荷调节注油率的目的，控制板会根据主机不同的负荷来自动调节注油的频率，主机的负荷越高，相邻的两次注油之间所间隔的主机工作循环数越少，反之，主机负荷越低，相邻的两次注油之间所间隔的主机工作循环数越多。图9所示为采用电子控制注油器的ALPHA LUBRICATOR注油系统控制简图。
该系统由内置微处理器的控制器控制，从旋转编码器来的曲柄位置信号和油门传感器来的主机油门信号都被送到控制器内，通过内置的程序进行计算，得出注油时刻和注油量的控制信号，进而去控制注油器的电磁阀，从而实现汽缸注油的控制。当第一道活塞环通过注油槽时，控制器立刻输出触发信号，开启电磁阀，对汽缸进行注油。在第四道环通过注油槽之前的极短时间内，汽缸油以最大的量被注入到汽缸内。这样做的结果是，每一个注油循环的注油量增加了，这样就不需要每一个主机的工作循环都注油了，而是采用间歇注油，以调整注油量。供油循环的数量由计算机控制，从而保证总的注油量符合设计要求。
三． ALPHA LUBRICATOR 系统在实际使用中的表现
由此可见，新的电子式汽缸油注油系统与传统的机械式注油系统相比，其先进性体现在如下几方面：
(1) 加大了每一次注油的注油量
(2) 在一个冲程中，大量的汽缸油被注入到注油管内，从而显著的提高了注油管内的压力。
汽缸油以正确的定时注入到汽缸内，注油持续期极短，并且注油压力大于汽缸内的
正是由于ALPHA LUBRICATOR 的这些优点，使得它达到了节省汽缸油的目的。以本人所在的上海籍“某某”轮为例，我轮所用主机为HHM-MAN B&W 6S50MC-C,功率9480 kW(12703.2 BHP)，额定转速127r／min，常用转速119 r／min左右负荷为75％，所用汽缸油型号为 mobil Gard570, 密度为0.93g/cm3, 对于传统的机械式注油器，MANB&W公司推荐的汽缸油注油率为0.6-0.9g/BHP.hr,我们取0.8g/BHP.hr,由此可以计算每天的标准汽缸油消耗量为
Q=标准注油率 × 额定功率 × 负荷 × 24÷ 汽缸油密度÷ 1000
=0.8 × 12703.2× 75% × 24 ÷ 0.93 ÷ 1000
≈196.69(L)
而实际的汽缸油消耗量只有150L 左右，可见节油效果是很明显的。
虽然减少了汽缸油的注入量，但是汽缸和活塞环的磨损率却未增大，这是因为减少的是未注入到活塞环之间而浪费掉的汽缸油，注入到活塞环之间的汽缸油的量并未受到影响。我们几次对扫气口的检查就证明了这一点，活塞环依旧十分的光滑，状况良好。将扫气口附近的残油样品送往实验室化验，在油样中也未发现有异常高的铁含量，这些都表明ALPHA LUBRICATOR 的性能是优秀的。
另外，ALPHA LUBRICATOR 的出现也简化了主机的备车工作。我们知道，在对主机进行盘车前，要先向汽缸内注入汽缸油，防止活塞环和缸套间出现干摩擦，对于传统的机械式注油器，方法是手动对每个缸的注油器上的手动注油纽进行按压。这是项很烦人的工作，费时费力，没人愿意做，却又不得不做。而对ALPHA LUBRICATOR 系统来说，只需要轻轻按一下控制面板上的预润滑按钮，注油器会自动向各缸内注油，省却了很多麻烦。
四． 总结
传统的机械式汽缸注油系统因其速度慢，不精确等局限性而越来越不能适应当今社会对主机汽缸注油系统节能和环保等方面的要求，注定要被淘汰，而新开发的ALPHA LUBRICATOR系统则以其高速、准确等优点而有效的实现了节油，几年来已有上百台这样的设备相继应用到各种船舶上，并通过实践证明这是一种先进的汽缸油注油系统。MAN B&W 公司已在越来越多的船上安装这样的系统，并打算将其作为下一代新型船用主机的标准配置。由此可见，ALPHA LUBRICATOR 系统全面取代传统的机械式汽缸油注油系统是大势所趋。
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