基于電子控制的MAN低速柴油機(jī)的調(diào)試及臺(tái)架試驗(yàn)

李健，程勇，周夢(mèng)，蔣耀龍

（合肥熔安動(dòng)力機(jī)械有限公司，安徽合肥 230601）

0 引言

科學(xué)的不斷進(jìn)步和能源的不斷消耗對(duì)船用低速柴油機(jī)提出了更高的要求，包括降低燃油和主滑油的消耗，降低污染物的排放，增加柴油機(jī)的靈活性和可靠性等。而傳統(tǒng)的主機(jī)都是通過(guò)凸輪軸來(lái)控制噴油和排氣閥的正時(shí)，很難滿(mǎn)足以上要求。

MAN公司近幾年研發(fā)出了基于電子控制的柴油機(jī)，稱(chēng)為ME型主機(jī)。公司在2010年接到首批ME主機(jī)訂單，并于2011年5月成功造出首制機(jī)，其性能是否能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求急需得到驗(yàn)證，故對(duì)其進(jìn)行調(diào)試和臺(tái)架試驗(yàn)是很有必要的。由于ME主機(jī)的調(diào)試具有一定的特殊性和復(fù)雜性，公司在對(duì)ME主機(jī)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的要求，自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套試驗(yàn)設(shè)備，利用此設(shè)備對(duì)主機(jī)進(jìn)行了試車(chē)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了ME主機(jī)的優(yōu)越性，同時(shí)也驗(yàn)證了試車(chē)設(shè)備的通用性。

1 液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)

與傳統(tǒng)機(jī)型相比，ME型主機(jī)的調(diào)試相對(duì)較復(fù)雜，其主要原因是ME型主機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了較大幅度的改變，尤其是應(yīng)用了智能型控制和大量電氣模塊。因此必須對(duì)液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行全面深入的理解和把握，才能順利地進(jìn)行主機(jī)調(diào)試和臺(tái)架試驗(yàn)。

1.1 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要包括HPS（液壓動(dòng)力系統(tǒng)）、HCU（液壓氣缸單元）及蓄壓器單元，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。液壓系統(tǒng)的主要功能是提供高壓伺服油，用于驅(qū)動(dòng)燃油泵和排氣閥執(zhí)行器，受主機(jī)控制系統(tǒng)控制。

圖1 ME主機(jī)液壓系統(tǒng)回路

公司制造的5S60ME-C8主機(jī)采用了最新的300bar伺服油驅(qū)動(dòng)技術(shù)，與早期的200bar相比，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、緊湊，重量也得到了減小。

伺服油來(lái)自于主滑油，主滑油的90%用于主機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的冷卻和潤(rùn)滑，僅有10%轉(zhuǎn)化為伺服油。由于ME系統(tǒng)對(duì)伺服油顆粒度的要求極高，所以主機(jī)自身配備了一個(gè)帶反向自動(dòng)沖洗功能的濾器，濾芯為6μm。

HPS主要用于給伺服油加壓，由進(jìn)口的2bar左右加壓到300bar左右，主要使用兩種泵，一種是機(jī)帶泵，即由曲軸鏈輪帶動(dòng)小齒輪，小齒輪再驅(qū)動(dòng)伺服油泵進(jìn)行加壓；另一種是電動(dòng)泵，即直接由440V電源驅(qū)動(dòng)。泵的數(shù)量因機(jī)型不同而不同。

圖2 HCU分單元簡(jiǎn)圖

在主機(jī)備車(chē)時(shí)，電動(dòng)泵會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，提供初始的伺服油壓力。起動(dòng)后，隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，機(jī)帶泵達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，此時(shí)機(jī)帶泵即會(huì)取代電動(dòng)泵運(yùn)行，為主機(jī)的液壓控制系統(tǒng)提供足夠的高壓伺服油壓力。

穩(wěn)壓后的300bar伺服油進(jìn)入HCU液壓氣缸單元，每個(gè)氣缸都配置了這樣一個(gè)單元，如圖2所示，每個(gè)單元都包含一套燃油泵、排氣閥執(zhí)行器、FIVA閥、分配塊、氣缸注油器、蓄壓器和閥件等。

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是ME主機(jī)的另一特色，控制簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 ME主機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

ME主機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)用了大量的電子模塊，一些分布在集控室內(nèi)，如EICU、MOP；一些分布在柴油機(jī)控制板上，如ECU、ACU、CCU和LOP等。

分布在集控室內(nèi)的EICU是柴油機(jī)接口控制單元模塊，主要作為接口控制器；MOP是主操作板，位于集控臺(tái)上，船員通過(guò)MOP發(fā)送指令，通過(guò)控制系統(tǒng)控制主機(jī)的運(yùn)行。

分布在柴油機(jī)控制板上的ECU是柴油機(jī)控制單元模塊，其功能相當(dāng)于一個(gè)調(diào)速器；ACU是輔助控制單元模塊，它控制著主機(jī)上的部分輔助設(shè)備，例如輔助鼓風(fēng)機(jī)、伺服油泵、HPS電動(dòng)泵等；每個(gè)氣缸的CCU是氣缸控制單元模塊，控制著每缸的噴油、排氣、氣缸注油以及起動(dòng)空氣等；LOP是機(jī)旁操作板，用于船員在機(jī)旁操作主機(jī)。兩條網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)將這些控制模塊聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，模塊的ID號(hào)使得每個(gè)模塊都有各自的地址碼，不會(huì)造成模塊間通訊的混亂，使數(shù)據(jù)交換順利進(jìn)行。兩條網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)是冗余設(shè)計(jì)的概念，即當(dāng)一條失效時(shí)，另外一條網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)仍可繼續(xù)工作，避免了系統(tǒng)崩潰，提高了可靠性。

ME型主機(jī)取消了停車(chē)電磁閥，由每缸的CCU單獨(dú)控制每缸的停車(chē)，這也是異于傳統(tǒng)機(jī)型的地方，調(diào)試時(shí)需特別注意這一點(diǎn)。

2 臺(tái)架試驗(yàn)

柴油機(jī)的好壞、性能的優(yōu)劣及理論設(shè)計(jì)的符合度等都必須通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，公司在這方面進(jìn)行了探索。

2.1 試車(chē)設(shè)備簡(jiǎn)介

ME主機(jī)的試車(chē)與傳統(tǒng)MC型主機(jī)相比有很大的差別，根據(jù)MAN公司《ME型主機(jī)車(chē)間試驗(yàn)導(dǎo)則》[2]及公司《5S60ME-C平臺(tái)提交試車(chē)大綱》[3]的具體要求，結(jié)合實(shí)際情況，公司自行開(kāi)發(fā)了一套主機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的設(shè)備。

由于ME主機(jī)的主要功能都由MAN本身的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以試車(chē)時(shí)無(wú)需遙控系統(tǒng)的設(shè)備，僅使用MAN的控制設(shè)備和一些輔助控制裝置即可。公司開(kāi)發(fā)的這套臺(tái)架試驗(yàn)的設(shè)備包括以下幾個(gè)部分：試車(chē)控制臺(tái)，電源箱，安保裝置。其中，試車(chē)控制臺(tái)（圖4）配有兩臺(tái)MOP、監(jiān)測(cè)儀表、鍵盤(pán)鼠標(biāo)、ME-C專(zhuān)用的調(diào)油手柄和兩個(gè)EICU模塊，此外，還配有幾個(gè)輔助開(kāi)關(guān)。

圖4 試車(chē)控制臺(tái)

由于ME主機(jī)用電設(shè)備很多，主要使用24V直流電，且控制模塊對(duì)電源要求較高，故公司使用了有多路電源并聯(lián)輸出的電源箱（圖5），由220V交流電供電，帶有UPS模塊和大容量的蓄電池。當(dāng)交流電源供電發(fā)生故障時(shí)，蓄電池可保證控制模塊繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，保證主機(jī)安全。

圖5 電源箱圖

圖6 安保系統(tǒng)試車(chē)裝置

安保系統(tǒng)試車(chē)裝置（圖6），可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車(chē)，也可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的緊急停車(chē)。手動(dòng)停車(chē)功能是通過(guò)按“下一個(gè)”按鈕開(kāi)關(guān)，送出一個(gè)緊急停車(chē)的命令給安保系統(tǒng)，同時(shí)點(diǎn)亮指示燈，顯示當(dāng)前停車(chē)的原因。主機(jī)上的一些很重要的參數(shù)需要被監(jiān)測(cè)，一旦這些參數(shù)值超過(guò)設(shè)定值，則會(huì)有開(kāi)關(guān)量或模擬量（轉(zhuǎn)速信號(hào)）信號(hào)輸入給安保系統(tǒng)，安保系統(tǒng)在預(yù)先設(shè)定的延時(shí)后會(huì)輸出一個(gè)停車(chē)信號(hào)給ME控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車(chē)，保障主機(jī)的安全。主機(jī)停車(chē)保護(hù)起作用后，必須將操車(chē)手柄移動(dòng)到停車(chē)位置，此時(shí)安保系統(tǒng)才會(huì)復(fù)位，主機(jī)才能重新起動(dòng)。為了防止因系統(tǒng)故障導(dǎo)致主機(jī)不能應(yīng)急停車(chē)，還應(yīng)配置一套備用系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)延時(shí)的接替工作。

此套試車(chē)設(shè)備可以滿(mǎn)足所有的ME主機(jī)的試車(chē)，保證了通用性，降低了成本。

2.2 試車(chē)前的準(zhǔn)備

動(dòng)車(chē)之前需完成以下工作：首先是電纜鋪設(shè)完整、正確，電氣連接無(wú)誤；其次是對(duì)整機(jī)管路進(jìn)行投油，保證管路沖洗干凈，管內(nèi)污物不會(huì)進(jìn)入柴油機(jī)以損壞軸承、閥件等精密器件。投油分三步，先是外圍管系的投油，再是主滑油管路的投油，最后是HCU管路的投油。經(jīng)取樣檢查合格后，方可動(dòng)車(chē)。ME主機(jī)是電控主機(jī)，許多操作都是由電腦完成，各個(gè)控制模塊之間也是通過(guò)冗余網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)進(jìn)行連接，所以必須先安裝軟件和設(shè)定各模塊的地址。

試車(chē)時(shí)，使用最新的電控系統(tǒng)軟件MEECS0905-8.2版，新版本增加了新功能，主要包括：HCU、HPS和角度編碼器的調(diào)試界面，HCU和HPS故障問(wèn)題分析和數(shù)據(jù)記錄，絕緣監(jiān)測(cè)和電源噪聲監(jiān)測(cè)，與外部報(bào)警系統(tǒng)相連接。

另外，在臺(tái)架試驗(yàn)之前，以Chief的身份進(jìn)入系統(tǒng)，通過(guò)MOP對(duì)各個(gè)子模塊進(jìn)行標(biāo)定和監(jiān)測(cè)。

2.3 臺(tái)架試驗(yàn)

在主機(jī)提交時(shí)，公司首先進(jìn)行了安保系統(tǒng)的試驗(yàn)，保證主機(jī)在試車(chē)過(guò)程中遇險(xiǎn)時(shí)能自動(dòng)停車(chē)，為后續(xù)試驗(yàn)提供安全保證。主要測(cè)試以下幾點(diǎn)：超速保護(hù)、曲柄箱油霧濃度高、主滑油壓力低、推力塊溫度高等。另外，還外還包括ME自身控制系統(tǒng)的幾個(gè)點(diǎn)，如HPS泄漏液位高，液壓系統(tǒng)壓力低等。試驗(yàn)證明，所有的點(diǎn)都自動(dòng)停車(chē)，安保系統(tǒng)順利通過(guò)試驗(yàn)，能夠滿(mǎn)足MAN公司和船級(jí)社的要求，也驗(yàn)證了公司開(kāi)發(fā)的安保系統(tǒng)的可靠性。

其次，公司進(jìn)行了正倒車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)以及盤(pán)車(chē)機(jī)連鎖功能試驗(yàn)。

最后進(jìn)行的是跑負(fù)荷試驗(yàn)。公司按照試車(chē)大綱的 要 求， 選 擇25%，50%，70%，75%，90%，100%和110%幾個(gè)負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，并同時(shí)進(jìn)行主機(jī)性能的測(cè)試、數(shù)據(jù)的記錄、排放的測(cè)試、油耗的測(cè)試以及增壓器數(shù)據(jù)的測(cè)試等。

在試車(chē)時(shí)，公司采用世界上最新的帶Autotuning功能的PMI on-line 系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)節(jié)最大的爆壓值和平衡各缸之間的壓力，圖7是100%負(fù)荷處各缸噴射曲線(xiàn)，由圖可知，各缸之間有著很好的壓力平衡，使得最終的油耗更省，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖7 100%負(fù)荷處噴射曲線(xiàn)

作為首制機(jī)，公司還進(jìn)行了停缸試驗(yàn)，在65%左右的負(fù)荷下，停止一缸，進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，ME主機(jī)在低負(fù)荷時(shí)很穩(wěn)定。由于ME機(jī)型采用了單缸直接控制，相比傳統(tǒng)機(jī)型，其停缸操作更簡(jiǎn)單。

3 試車(chē)結(jié)果及分析

修正后的各負(fù)荷點(diǎn)處的油耗曲線(xiàn)見(jiàn)圖8，由圖可知，燃油消耗值在70%負(fù)荷時(shí)最低，為170.7g/kWh，而在考核點(diǎn)100%負(fù)荷時(shí)，也僅為175.32g/kWh，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，比傳統(tǒng)的MC主機(jī)相比，油耗更低。因此，結(jié)果顯示出電子控制柴油機(jī)具有一定的優(yōu)越性。

圖8 各負(fù)荷點(diǎn)處油耗的數(shù)據(jù)

排放試驗(yàn)分別選擇在25%，50%，75%，100%處的4個(gè)負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，采用E3循環(huán)，每個(gè)點(diǎn)至少穩(wěn)定運(yùn)行20min后開(kāi)始測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如圖9所示，將100%負(fù)荷點(diǎn)的NOx排放的連續(xù)測(cè)量曲線(xiàn)（圖10）上的具體數(shù)值帶入計(jì)算公式后，得出在最大負(fù)荷點(diǎn)處NOx排放量為11.13g/kWh，小于國(guó)際船舶組織規(guī)定的第二代排放的限定值14.4g/kWh，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖9 各負(fù)荷點(diǎn)處排放的數(shù)據(jù)

圖10 100%負(fù)荷點(diǎn)處NOx數(shù)據(jù)

臺(tái)架試驗(yàn)的過(guò)程中也遇到了各種問(wèn)題。主要有：

1）布線(xiàn)。主機(jī)電纜多，接線(xiàn)工作量大，且在電氣調(diào)試過(guò)程中，出現(xiàn)了很多報(bào)警，如接線(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致的角度編碼器接線(xiàn)盒短路燒板。信號(hào)線(xiàn)與電源線(xiàn)捆在一起可導(dǎo)致信號(hào)干擾。

2）設(shè)置出現(xiàn)問(wèn)題易導(dǎo)致錯(cuò)誤發(fā)生。如通電調(diào)試過(guò)程中，DIP SWITCH網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)定時(shí)，二進(jìn)制撥碼順序顛倒易導(dǎo)致MPC地址判斷錯(cuò)誤。角度編碼器標(biāo)定時(shí)，2#碼器調(diào)整45°運(yùn)行位置設(shè)定成225°時(shí)，易導(dǎo)致MOP報(bào)警。

3）裝配問(wèn)題。如油霧探測(cè)器的吸氣管路未安裝好易導(dǎo)致油霧串缸誤報(bào)警，測(cè)速傳感器支架未正確安裝易導(dǎo)致距離不正確等。

以上這些問(wèn)題均需在后續(xù)主機(jī)研制時(shí)多加注意并解決。

4 結(jié)論及展望

公司首臺(tái)機(jī)ME型主機(jī)已經(jīng)順利提交，從臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，與傳統(tǒng)機(jī)型相比，油耗和NOx排放量確實(shí)有所降低，且通過(guò)PMI on-line系統(tǒng)，使得主機(jī)的調(diào)諧過(guò)程更加簡(jiǎn)單可靠。整個(gè)試車(chē)設(shè)備在主機(jī)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)揮了很大的作用，未出現(xiàn)大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了通用性，為后續(xù)ME主機(jī)的試驗(yàn)提供了堅(jiān)實(shí)的平臺(tái)。但由于用于電子控制的主機(jī)電纜以及電子設(shè)備多，控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)較復(fù)雜，調(diào)試和日后維護(hù)工作復(fù)雜，信號(hào)存在干擾問(wèn)題，故在以后的工作中需著重考慮這些問(wèn)題。電子控制的柴油機(jī)是技術(shù)發(fā)展和研究的重要課題，ME主機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)是一種趨勢(shì)，相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，ME主機(jī)的前途會(huì)更加光明。因此，與ME主機(jī)相關(guān)的技術(shù)也急需研發(fā)。

參考資料：

[1]MAN Corporation.MAN B&W S60ME-C8-TII project guide[Z].2010.

[2]MAN Corporation.General guideline for shop testing[Z].2010.

[3]Hefei Rongan Power Machinery Co.,Ltd.5S60ME-C8 shop delivery test plan[Z].2011.