ピストンリングの主な機能は、燃焼室を密閉し、ピストンが上死点に到達したときに、燃焼室内の新鮮な空気が燃料の燃焼温度を満たすのに十分な温度と圧力を持ち、燃料が迅速かつ完全に燃焼することを保証することです。
ピストン、ピストンリング、シリンダーライナーの動作条件は非常に過酷であり、それらの間の摩擦損失はディーゼルエンジンの総摩擦損失動力の55％〜60％を占めます。
したがって、ピストンリングの動作状態は、燃料の燃焼の完全性とディーゼルエンジンの動作状態に重要な役割を果たします。ディーゼルエンジンの良好な動作を確保するには、ピストンリングの動作を管理および維持することが特に重要です。
ピストンリングの故障現象、原因分析と治療対策
ピストンリングの主な故障としては、破損、固着、異常摩耗などが挙げられます。
上記のような不具合が発生すると、一般的には燃焼室の漏れ、排気温度の上昇、排気からの黒煙の排出、パッキンボックス内のオイルの汚染、シリンダーライナー水の温度上昇などの現象が発生します。
私が「ソレース」船に勤務していた間、メインエンジンのモデルは DC 掃気機能付き MAN B&W6L60MC ディーゼルエンジンで、14 年間稼働していました。
バンクーバーの停泊地で、メインエンジンのシリンダー 1 番と 3 番の通常のメンテナンスと吊り上げが行われました。ピストン リングの摩耗は限界に達しておらず、ピストンとピストン リングの溝は良好な状態でしたが、次のシリンダーの吊り上げにはさらに 8000-10000 時間かかることを考慮すると、
そのため、ピストンリングはすべて交換されました。
シリンダー1の排気バルブは約800時間、シリンダー3の排気バルブは約500時間交換されました。
バンクーバーから出港して3日以上経った後、連雲港から補充したオイル（RMG380795t）に切り替えました。検査結果によると、不純物が基準を超えており、アルミニウムとシリコンの含有量は60％に達し、最大量は80％でした。1日も経たないうちに、主機と補助機に入る燃料の温度が徐々に下がり、油温を調整できないことがわかりました。また、燃料二次フィルターの圧力差が大きく、連続逆洗が止まらないこともわかりました。
主機と補機の二次フィルターを手動で分解して洗浄したところ、圧力差と温度は正常に戻りましたが、1日も経たないうちに自動フラッシングが止まらなくなりました。そこで、もう1台の油分離器を並行して起動し、油分離器1台の油分離量を減らし、スラグ排出間隔を1時間に短縮しましたが、状況は改善しませんでした。
その後、シリンダー1と3の排気温度が徐々に上昇し、他の4つのシリンダーよりも大幅に高いことが判明しました。減速操作では大きな改善は見られず、主機の排気色が濃くなり、濃い煙がより多く見られました。海況が良くなかったとき、タービンもわずかに波立ちました。
各シリンダーの動力計図を測定したところ、シリンダー1番とシリンダー3番の圧縮圧力はそれぞれ5.6MPと5.4MPであるのに対し、他のシリンダーの圧縮圧力は6.1-6.2MPであることがわかりました。爆発圧力もシリンダー1番とシリンダー3番の方が低かった。
この現象は、シリンダー 1 番と 3 番のシーリングに問題があることを示しています。1 つは排気バルブで、もう 1 つはピストン リングです。
今後数日で徐々に安定し、船が韓国の仁川に到着するまで、主エンジンと補助エンジンの二次燃料フィルターを1日1回分解して清掃する必要がある。
港に到着後、最初にやるべきことは、掃気ボックスのドアを開けて、各シリンダーのピストン、ピストンリング、シリンダーライナーを検査することでした。ピストンは非常に汚れており、シリンダー1と3のピストンリングの一部はすでに破損または接着しており、シリンダーライナーはわずかに引っ張られていました。シリンダー1と3のオイルは不足しているようでしたが、残りのシリンダーは比較的正常で、わずかに汚れているだけでした。シリンダーライナーの下部には明らかなオイル残留物とスラッジがありました。
シリンダー 1 # と 3 # を再度持ち上げることにしました。
シリンダーを持ち上げると、正常だった下部ピストンリングを除いて、シリンダー3の他のすべてのピストンリングが3つまたは4つのセクションに折り畳まれていたか、シリンダー1の最初のピストンリングがピストンリング溝にひどく固着していた一方、他のピストンリングはさまざまな形の破損をしていました。
幸いなことに、ピストンリング溝には明らかな侵食や突出はなく、シリンダーライナーはわずかに引っ張られているだけです。
この現象の分析によると、
シリンダー 1 と 3 のピストン リングの破損と固着の最も直接的な原因は次のとおりです。
1つは、ピストンリングに重大な品質欠陥があり、シリンダー1とシリンダー3の新しく交換されたピストンリングのみが破損または固着しているのに対し、他のシリンダーのピストンリングは基本的に正常であることです。
2 つ目の課題は、燃料の品質です。沈殿槽や生活用タンク内の残留物を頻繁に排出したり、並行運転して油分離器の油分離能力を低下させたり、沈殿槽、生活用タンク、油分離器の加熱温度を上げたりと、燃料を浄化するためのさまざまな対策を講じてきましたが、従来の油分離器では、アルミニウム、シリコン、灰などの小さな不純物を完全に分離することが難しく、燃料中の不純物が増加していました。
シリンダーの燃焼プロセス中に、シリコン粒子がシリンダーライナー壁に付着し、ピストンリングとシリンダーライナー間の摩耗が加速され、ピストンリングが付着して最終的に破損します。
オイル中のアルミニウムは高温腐食を引き起こし、ピストンリングやシリンダーライナーの摩耗を加速させる可能性があります。
会社の承認を得た後、古いリングを洗浄して交換しました。
もちろん、ピストンリング溝やシリンダーライナーの歪みに対しては、これまでも簡単な処理は行われてきました。
さらに、1番および3番シリンダーインジェクターのオイル噴射量は、古いリングに交換され、必要なオイル量を適切に減らす必要があるため、いくつかの調整が行われました。
韓国からオーストラリアまでの10日間、ホストの動作状態は良好で、排気温度は基本的に同じで、動力計で測定した圧縮圧力と爆発圧力も基本的に同じで、ホストは正常に動作しています。
二次燃料フィルターが今でも 1 日に 1 回分解して洗浄される理由は、燃料に過剰な不純物が含まれているためです。
上記の欠陥から、ピストンリングのシール性能が破損または接着により低下または失われると、程度の異なるシリンダーブローバイが発生し、シリンダー内の新気量が大幅に減少し、圧縮圧力の低下、排気温度の上昇、冷却水温度の上昇、ディーゼルエンジンが低速高負荷で作動する空気量の減少により燃焼が悪化し、排気ガスのエネルギーが通常状態に比べて大幅に増加することが分かります。ターボチャージャーの回転数が上がり、掃気圧力が上昇します。
ディーゼルエンジンの回転数が基本的に変わらない場合、ディーゼルエンジンの空気消費量は基本的に安定しています。同時に、リングの破損や固着によりガスが掃気ボックスに逆流し、ひどい場合には掃気ボックスが発火することもあります。これらの要因により、ターボチャージャーの背圧が上昇し、低流量、高背圧の状態で作動し、ターボチャージャーの正常なマッチングが破壊され、喘鳴が発生します。
上記現象の発生はピストンリングの故障により発生する可能性があります。
3ピストンリングの故障のその他の原因の分析
ピストンリングの材質、加工技術、寸法精度などに加え、以下の理由も関係しています。
1.ピストンリング間のクリアランスの影響
ピストンリングの重なりにより、作動中のピストンリングの熱膨張の余地が確保され、同時に、通常作動中にピストンリングが一定の周方向移動を行えるようになります。
ピストンリング間のクリアランスが小さすぎると、作動中にピストンの熱膨張が制限され、ジョイント部で圧縮が発生し、ジョイントの反対側でリングが破損しやすくなります。
ピストンリングとシリンダーライナーは走行中に摩耗するため、リングジョイント間のクリアランスが徐々に増加します。
ジョイント間のクリアランスが大きすぎると、ピストンの半径方向の力に重大な不均衡が生じます。
ラジアル力は主にリング自体の弾性力とリング背面に作用するガス力から構成されます。ラップジョイント間に隙間があると、2つの力が合わさってラップジョイントの反対側に不均一な摩耗が生じ、ひどい場合にはリングの破損につながる可能性があります。
同時にピストンリングの半径方向の厚さが減少し、弾性が低下し、リング溝の詰まりがひどい場合はリング固着が発生しやすくなります。
実際の運転においては、ピストンリング間のクリアランスの大きさがピストンリングの摩耗状態を判断する重要な指標となります。
そのため、ホストが停止しているときは、定期的に掃気ボックスを通してピストンリングの動作状態や固着や破損の有無を確認する必要があります。
ある場合は、障害の拡大を防ぐためにリフティングシリンダーを検査する必要があります。
ピストンリングとジョイント間のクリアランスの値をマニュアルの要件と比較して、制限値を超えているかどうかを判断する必要があります。
次に、ピストンリングの摩耗率は、前回測定したギャップと比較して判定する必要があります。
リングの摩耗率が一定時間内に突然増加した場合は、燃料噴射システムの故障、シリンダーオイルの劣化、燃料の灰分や不純物の過剰など、原因を特定して解決する必要があります。
このように各リングのファイルを記録することで、ピストンリングの故障現象を体系的に分析できるだけでなく、異なるバッチのスペアパーツの品質、燃料、潤滑油が摩耗率に与える影響を比較することもできます。
2. ピストンリングとシリンダーライナーのフィットの影響
理想的な全液体潤滑が形成できるかどうかは、主に「運動対」の運動形態、速度、潤滑油の性能などの要因によって決まります。
ピストンリングがシリンダーライナー内で移動する速度は、ストローク全体にわたって常に変化しており、上死点と下死点では移動速度がゼロです。同時に、高温ガスの影響を受け、良好な潤滑を形成することが困難になります。これは、ピストンリングの性能が低下する重要な原因であり、特にピストンが上死点に近い場合、潤滑状態は境界潤滑状態にあり、時には乾いた摩擦状態になることもあります。
通常の状況では、ピストンヘッドとシリンダーライナーの間には摩擦がありません。ディーゼルエンジンの運転に伴い、ピストンヘッドの周りにカーボン堆積物が形成され、硬くて清掃が困難になります。カーボン堆積物の増加により、ピストンの直径が増加します。ピストンがシリンダー内で移動すると、ヘッドのカーボン堆積物がシリンダーライナーとの摩擦を生成し、油膜に深刻な損傷を与え、シリンダーライナーとピストンリングの摩耗率を大幅に増加させます。
ディーゼルエンジンの運転により、シリンダーライナーは不均一に摩耗し、円周方向と軸方向にそれぞれ楕円度と円筒度が生じます。ピストンリングがシリンダー内で動くと、周期的に開閉運動をします。
同時に、ピストンリングとシリンダーライナーの楕円率にも必然的に誤差が生じます。
特に、新しいピストンリングに交換した後、ピストンリングとシリンダーライナーのシール合わせ面に程度の異なる光漏れが発生します。通常、シリンダーに取り付けられた新しいピストンリングの総光漏れは90度未満、連続光漏れは30度未満、ジョイントの両側の30度の範囲内で光漏れがないことが必要です。
高品質の新品ピストンリングは上記の要件を満たすことができますが、近年では多くの企業がコスト削減のため純正スペアパーツの代わりに低価格のピストンリングを使用しています。
材質や加工技術の違い、製造時の寸法誤差などにより、光漏れが多発します。
同時に、高温で作動するとピストンリングの弾性が低下しすぎます。リング溝にカーボンが蓄積して詰まりが発生すると、漏れ量が増加し、漏れ点から高圧ガスがリングの外側作動面に作用し、ピストンリングがリング溝に押し込まれ、リングがリング溝に引っかかってリングを保持する現象が発生する可能性があります。
ガス圧が低下すると、元々圧縮されていたピストンリングが自身の弾性により再び飛び出します。
この周期的な反復動作が時間の経過とともに、強度の弱い部分で疲労破壊が発生します。
ピストンリングの圧縮現象がリング破損の主な原因であることが実践により証明されています。
また、一部のディーゼルエンジンでは、ピストンリングがシリンダーライナーのボスとリング端の吊り下げ空気ポートに接触して破損することが判明しています。
3. 燃料とシリンダーオイルの影響
船舶で使用する燃料は、給油港の変更により頻繁に変更され、国やメーカーによって原産地や製錬工程が異なるため、燃料の性能指標は大きく異なります。
燃料分離器を使用して精製する場合は、異なる燃料に対応する比重リングを選択し、できるだけ高い温度（95-98度など）で処理を実行する必要があります。状況に応じて、燃料分離器を直列または並列に接続する必要があります。そうしないと、燃料処理の効果に影響します。
燃料中のアルミニウム、シリコン、灰の含有量が高すぎると、ピストンリングとシリンダーライナーの摩耗が増加し、必然的にディーゼルエンジンの燃焼プロセスに影響を与え、燃焼室内の温度が高くなります。
同時に、一部のディーゼルエンジンでは、低速・低負荷で長時間運転したり、ポートの出入りが頻繁に行われるため、シリンダーオイル量を調整せずに、シリンダーオイルの噴射量が増加します。ピストンリングのポンピング効果により、リング溝に過剰なシリンダーオイルが蓄積します。シリンダー内の温度が高すぎると、蓄積した潤滑油が燃焼してカーボン堆積物を形成し、ピストンリングの固着や破損の原因になります。
4. 日常的な保守・管理業務の影響
ピストンリングの固着や破損などの不具合を回避するには、日常の管理をしっかり行うことが重要な役割を果たします。
1) ディーゼルエンジンのシリンダーライナーまたはピストンリングを交換した後は、低速を維持する必要があります。
慣らし運転に十分な時間をかけ、慣らし運転期間中にシリンダーオイルの注入量を増やすことで、慣らし運転期間中にリングとシリンダーライナー表面の形状と粗さが完全に一致しないことによる摩擦面の過熱やシリンダーの引き抜きやピストンリングの破損を防ぐことができます。
2) 通常運転中は、冷却水と冷却油の温度と圧力が正常範囲内に制御され、維持される必要があります。
同時に、パラメータの変化にも注意を払ってください。最も重要なのは、各パラメータの変化の速度です。
定期的に動力計チャートを測定し、圧縮圧力、爆発圧力、燃焼開始点、負荷分布などを分析し、燃焼プロセスが良好かどうかを判断し、シリンダーとピストンリングの動作状態を判断し、故障症状をタイムリーに検出し、故障の原因に基づいて対応する措置を講じます。
3) 定期的に掃気ボックスを開いてピストンリング間のクリアランスを測定し、各ピストンリングの使用状況を記録し、掃気ポートからピストンリング、シリンダーライナー、シリンダーオイル注入などの基本的な状態を確認します。ピストンリングの固着や破損が見つかった場合は、適時にシリンダーを持ち上げてメンテナンスする必要があります。