WARTSILA RT-flex柴油機噴油控制 系統(tǒng)流量活塞卡死故障分析

張有為 李真 李可順

摘? 要：近年來，電噴二沖程柴油機由于其具有低速穩(wěn)定性好，燃油霧化效果好，調(diào)控方便等優(yōu)點在船舶上獲得了普遍應(yīng)用。但由于電噴柴油機內(nèi)部含有大量的電子控制系統(tǒng)，這對于故障的定位及維修也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。本文詳細分析了WARTSILA RT-flex型柴油機的瓦錫蘭柴油機控制系統(tǒng)（WECS），并結(jié)合具體的故障案例，對其中的噴射控制系統(tǒng)（ICU： Injection Control Unit）故障進行診斷與維修。通過分析故障缸的燃油噴射參數(shù)，發(fā)現(xiàn)流量活塞的return電流出現(xiàn)異常，經(jīng)過測量部件內(nèi)部阻值判斷是由于FQS與遮蔽鋁管的位置發(fā)生改變引起的內(nèi)部阻值變化，推斷可能是ICU控制系統(tǒng)中流量活塞發(fā)生卡死現(xiàn)象導(dǎo)致內(nèi)部阻值的異常，引發(fā)return電流的異常。經(jīng)過后期進一步測量，得出故障原因是由于活塞頭部橢圓度過大而產(chǎn)生沉頭現(xiàn)象，導(dǎo)致套筒內(nèi)出現(xiàn)橢圓偏磨，使流量活塞卡死，導(dǎo)致噴油異常，排煙溫度異常。本論文對于深入探討WECS控制系統(tǒng)以及噴射控制單元的工作過程，對其故障維修具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：電噴二沖程柴油機;WECS控制系統(tǒng);ICU故障診斷;流量活塞

近年來，電噴二沖程柴油機由于其具有低速穩(wěn)定性好，燃油霧化效果好，調(diào)控方便等優(yōu)點在船舶上獲得了普遍應(yīng)用。但由于電噴柴油機內(nèi)部含有大量的電子控制系統(tǒng)，這對于故障的定位及維修也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

本文詳細分析了WARTSILA RT-flex型柴油機的瓦錫蘭柴油機控制系統(tǒng)（WECS），并結(jié)合具體的故障案例，對其中的噴射控制系統(tǒng)（ICU： Injection Control Unit）故障進行診斷與維修，通過分析故障缸的燃油噴射參數(shù)，發(fā)現(xiàn)流量活塞的return電流出現(xiàn)異常，判斷是由于FQS與遮蔽鋁管的位置發(fā)生改變引起的內(nèi)部阻值變化，推斷可能是ICU控制系統(tǒng)中流量活塞發(fā)生卡死現(xiàn)象導(dǎo)致內(nèi)部阻值的異常，引發(fā)return電流的異常。經(jīng)過后期進一步測量，得出故障原因是由于活塞頭部橢圓度過大產(chǎn)生沉頭現(xiàn)象，導(dǎo)致套筒內(nèi)出現(xiàn)橢圓偏磨，使流量活塞卡死，導(dǎo)致噴油異常，排煙溫度異常。本論文對于深入理解WECS控制系統(tǒng)以及噴射控制單元的工作過程及故障維修具有一定的借鑒意義。

1 WARTSILA RT-flex電噴柴油機概述

隨著科學(xué)電子技術(shù)迅猛發(fā)展，微型計算機已越來越廣泛地應(yīng)用在船舶動力控制和監(jiān)測中。為了提高燃油經(jīng)濟性、降低排放要求、提高可靠性和操作的靈活性，實現(xiàn)適時調(diào)節(jié)，電控共軌柴油機已成為發(fā)展的必然趨勢。電控型柴油機也稱為智能型柴油機，即將電子設(shè)備及軟件應(yīng)用于船用柴油機并成為其重要部分的新型柴油機。根據(jù)柴油機燃燒理論，主要是應(yīng)用了電控技術(shù)，通過控制燃油噴射正時、噴油量、噴射速率、壓力以及排氣閥正時，能夠有效地實現(xiàn)柴油機在各種負(fù)荷下的性能最優(yōu)化，從而達到在滿足最新排放要求下，提高其經(jīng)濟性、可靠性、操縱靈活性和延長使用壽命。目前研究船舶柴油機共軌系統(tǒng)的公司主要包括美國的Caterpillar公司，德國Bosch公司，日本電裝公司，芬蘭W?rtsil?公司和德國的MANB&W公司等，國內(nèi)在共軌系統(tǒng)研究方面，仍具有較大的進步空間[1]。

WARTSILA RT-flex型柴油機是在共軌單元的基礎(chǔ)上，完全實現(xiàn)了燃油噴射和排氣閥執(zhí)行的電子控制，與RTA機型最大的區(qū)別是取消了凸輪軸，燃油噴射、排氣閥的開關(guān)、柴油機的啟動均通過WECS-9520控制系統(tǒng)實行電子控制[2]，如圖1所示。使燃油噴射和排氣閥操作更靈活，比傳統(tǒng)RTA柴油機具有更高的效率?？梢跃_測定容積的燃油噴射控制，最大程度的降低排放。可以實現(xiàn)單個噴油器的控制，使主機的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速更低，在部分負(fù)荷時降低燃油的消耗率。

WECS-9520系統(tǒng)主要由各種不同的傳感器（如轉(zhuǎn)速，齒條位置，進氣壓力，燃油溫度，冷卻水溫度等），電子控制單元（ECU），各種執(zhí)行機構(gòu)組成，由傳感器接受外界的其他形式信號，轉(zhuǎn)換為電信號，輸入到控制單元，在與儲存器中預(yù)先存儲的調(diào)控參數(shù)相比較，若兩者相同，系統(tǒng)保持原狀。當(dāng)輸入?yún)?shù)與偏離調(diào)控參數(shù)時，控制單元按照預(yù)先設(shè)置的控制對策來調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)，使系統(tǒng)回到原先狀態(tài)。傳感器是常出現(xiàn)故障的元件，傳感器的異常將會造成較大的影響，除此之外，電控單元元件的性能不穩(wěn)定也是導(dǎo)致系統(tǒng)異常的重要原因。

在船舶日常運營的過程中，當(dāng)電控柴油機出現(xiàn)故障首先要判斷是機械部分出現(xiàn)故障，還是電控部分出現(xiàn)故障，李新甫[3]提出利用故障檢測儀判斷是否有故障記憶，如果有故障記憶，可以確定是電控部分。常見電控部分的故障主要在于傳感器，插線件等部分。傳感器工作失效，導(dǎo)致系統(tǒng)不能得到柴油機的工況參數(shù)，控制單元不能及時做出調(diào)整，導(dǎo)致噴油異常等故障。而傳感器工作失效的原因有很多包括傳感器探頭污染，傳感器機械結(jié)構(gòu)的磨損，傳感器部件老化等，均可以導(dǎo)致系統(tǒng)異常。機艙環(huán)境溫度較高，震動較大更能引發(fā)故障，因此在平時的對船舶設(shè)備的維修保養(yǎng)的過程中要多關(guān)注傳感器的工作狀況。對于常見機械故障來說，共軌閥損壞的也是導(dǎo)致系統(tǒng)失靈的原因之一，袁宏[4]等人發(fā)現(xiàn)共軌閥動作響應(yīng)時間過長，將會導(dǎo)致噴油延遲，燃油燃燒不充分，排煙溫度異常。紀(jì)宏偉[5]發(fā)現(xiàn)ICU偶件磨損嚴(yán)重也會使系統(tǒng)異常，嚴(yán)重時影響燃油共軌壓力的建立。袁宏[4]提出常見的ICU泄露包括，ICV滑閥與閥體間的泄露，ICV的定距銷與外孔之間的泄露，高壓油管的泄露，連接部件的軸封的泄露等。范懷古[6]和張怡軍等人[7]發(fā)現(xiàn)由于劣質(zhì)燃油的使用，導(dǎo)致噴射控制閥出現(xiàn)泄露或者卡阻礙，導(dǎo)致主機啟動困難等故障。王連海等人[8]發(fā)現(xiàn)，對于電子控制單元中的故障，主要由FCM-20模塊失靈或者接線故障引起的，因此在電子控制單元中有多個FCM-20模塊互為備用。李成福等人[9]提出高頻信號干擾，電源電壓不足，電纜接線座損壞，傳感器量程不準(zhǔn)也是導(dǎo)致WECS-9520系統(tǒng)出現(xiàn)異常的原因。

應(yīng)當(dāng)注意的是，WECS-9520系統(tǒng)流量活塞的卡死多是由于ICV腔體貫通（液壓驅(qū)動活塞卡死、RAIL VALVE卡死、高壓油管爆裂都能被歸納于ICV腔體貫通），或是燃油中含有雜質(zhì)，使流量活塞出現(xiàn)拉缸卡死等造成的。在本文中結(jié)合實際案例，詳細分析了流量活塞頭部偏磨導(dǎo)致的活塞卡死故障的現(xiàn)象以及排除過程和處置，對于深入理解WECS控制系統(tǒng)以及故障維修具有一定的借鑒意義。

2 WECS-9520控制系統(tǒng)組成及管理

WARTSILA RT-flex 58TD型柴油機的正常運行由WECS-9520控制系統(tǒng)進行控制，其主要功能包括：燃油共軌壓力控制，伺服油壓力控制，燃油噴射控制，排氣閥控制，啟動閥控制，曲軸角度傳感器監(jiān)控。

WECS-9520控制系統(tǒng)主要由外部通信控制箱E90、單缸控制箱E95、電源控制箱E85組成。每個E95控制箱內(nèi)均安裝有一個FCM-20模塊，以執(zhí)行以上功能。為了保證可靠性，每個功能的執(zhí)行均由兩組模塊同時控制，這兩組模塊互為備用，當(dāng)一組FCM-20模塊出現(xiàn)故障時，另一組FCM-20模塊仍可以保證WECS-9520控制系統(tǒng)正常工作，但出現(xiàn)故障的模塊所對應(yīng)的氣缸將不能正常工作。E90控制箱主要執(zhí)行外部通信的功能，包括與主機遙控系統(tǒng)、機艙監(jiān)控系統(tǒng)等的對接。同時，E90控制箱內(nèi)也有一塊FCM-20模塊，該模塊是備用模塊，可以對系統(tǒng)的參數(shù)進行同步下載、保存，在其他FCM-20模塊出現(xiàn)故障時，可以立即用該模塊進行替換，并且該FCM-20模塊拆除后對WECS-9520控制系統(tǒng)不產(chǎn)生任何影響。在新的FCM-20模塊備件供船后，需要將其安裝到E90箱內(nèi)，進行數(shù)據(jù)同步下載，模板激活。若將新的模塊備件直接安裝到E95控制箱，則不能正常工作。在E85電源控制箱內(nèi)，從安全方面考慮，電源也是兩套配置。還有在主機3 m范圍之內(nèi)是不能進行電焊作業(yè)的，因為電焊作業(yè)會產(chǎn)生電弧，對FCM-20模塊產(chǎn)生致命的危害，這是大忌千萬要注意，若要進行電焊作業(yè)，一定要先關(guān)閉E85電源。

在日常的管理中，由于E90、E95控制箱都是安裝在主機旁，主機運行時的震動和高溫對這些控制箱會產(chǎn)生很大的影響，因此需定期檢查、緊固各個控制箱內(nèi)的接線。另外，對于FCM-20模塊故障的確定，則是WECS-9520控制系統(tǒng)管理方面比較困難的事情，因為主機運行時若出現(xiàn)單缸工作不正?，F(xiàn)象，其牽涉的因素太多，除了常規(guī)的機械方面的原因，還有ICU（Injection Control Unit）、VCU（Exhaust Valve Control Unit）、共軌壓力傳感器等等多方面的原因，這就要求管理人員要有十分清晰的思路和豐富的經(jīng)驗。

3 WECS系統(tǒng)典型故障分析

3.1 故障現(xiàn)象

本案例中某輪采用的主機型號為WARTSILA RT-flex 58 TD，額定轉(zhuǎn)速為99.5 r/min，額定功率為9 500 kW，考慮到運營成本，日常主機轉(zhuǎn)速為85 r/min。在某國內(nèi)航次，行駛到山東日照港區(qū)，經(jīng)濟航速正常航行向日本方向行駛。主機No.5缸排煙溫度異常，突然走高至540℃（平時單缸最高排煙溫度為330℃）且噴油脈寬（INJECTION TIME）默認(rèn)至最大位置，其余各缸排煙溫度正常，并且煙囪頂部冒出大量黑煙，同時在主機監(jiān)控電腦上無報警，電流值也無明顯異。測量各缸爆壓，發(fā)現(xiàn)No.5缸的爆壓（P_max）出現(xiàn)異常為16 MPa，高于其他缸的爆壓12.5 MPa。為了進一步調(diào)查故障原因，將No.5缸油門減小至98%，同時加大No.5缸汽缸油注油量。隨后該缸排煙溫度降至330 ℃，爆壓降至13.5 MPa，其余參數(shù)正常。然而5 h之后，該缸又出現(xiàn)排煙溫度異常的現(xiàn)象。故初步判斷，No.5缸排溫過高，由于噴油量過大，可能是FCM-20模塊出現(xiàn)故障或是ICU的流量活塞出現(xiàn)磨損，卡阻等現(xiàn)象導(dǎo)致噴油量增加。

3.2 故障分析

燃燒異?？赡苋加蛧娚湎到y(tǒng)出現(xiàn)異常，從可能出現(xiàn)問題的地方進行著手解決，由于在船舶日常的管理中，E90、E95控制箱都是安裝在主機旁，主機運行時的震動和高溫對這些控制箱會產(chǎn)生很大的影響。首先停車，將E85電源箱斷電，檢查No.5缸的FCM-20模塊，發(fā)現(xiàn)FCM-20模塊的三只燈都正常亮，所以可以暫時排除的FCM-20模塊故障。

電噴機對燃油的清潔程度要求較高。燃油的過濾精度不夠，燃油中顆粒物增多，加速燃油系統(tǒng)偶件的磨料磨損，會直接導(dǎo)致共軌電磁閥、流量活塞和ICU的磨損甚至是卡死等，嚴(yán)重主機運行。

本輪單缸排煙溫度偏差大于60 ℃就會觸發(fā)報警，主機就會進行自我保護，進行降速。No.5缸的排溫過高，有可能是ICU出現(xiàn)問題，流量活塞卡阻可能會使噴油量增大。隨后，主機ICU進行拆解。經(jīng)檢查，ICV 無卡阻，液壓驅(qū)動模塊內(nèi)部干凈，無積炭，液壓驅(qū)動活塞活絡(luò)，無卡的狀況，但ICP（流量控制活塞）與燃油質(zhì)量設(shè)定（FQS）中間的定距套管內(nèi)已經(jīng)積有大量燃油，該處是控制噴油量的執(zhí)行機構(gòu)，不應(yīng)有燃油。初步判斷，流量活塞泄漏量大，導(dǎo)致FQS與ICP配合法蘭中間的定距套管存油嚴(yán)重，使得主機系統(tǒng)對流量活塞行程判斷失效，默認(rèn)至最大噴油脈寬（Injection Time）運行主機，導(dǎo)致單缸排溫偏高。

3.3 故障處理

故障找到后，更換ICP及配合的偶件法蘭，一切恢復(fù)正常，等到達安全區(qū)域內(nèi)進行檢修。

然而在后期的檢修過程中發(fā)現(xiàn)流量活塞泄漏量過大只是故障現(xiàn)象，但問題的根本可能在于活塞桿與運動法蘭的配合間隙過大，導(dǎo)致流量活塞在高壓狀態(tài)瞬間卡阻，導(dǎo)致主機系統(tǒng)判斷異常，該缸排溫異常且噴油脈寬位于最大位置。首先對故障ICU進行研究分析時，對總成泄漏量進行測量，數(shù)據(jù)如表4所示，在60 MPa壓力下，進行靜壓測試， No.5缸的ICU測量總成泄漏量為3.3 L/h，約為No.1和 No.3缸數(shù)據(jù)的一倍。由此可見，No.5缸發(fā)生泄漏。

其次，燃油泄漏是一個緩慢增加的過程，泄漏初期，燃油泄漏量較少，對傳感器影響較小，所以排煙溫度變化不明顯。隨著泄漏量增加，燃油污染傳感器探頭致使感應(yīng)失敗，燃油流量傳感器不能及時給控制系統(tǒng)反饋燃油量，引發(fā)系統(tǒng)異常，從而出現(xiàn)排煙溫度異常。除非有外力導(dǎo)致流量活塞活塞桿套筒完全貫通，否則不會出現(xiàn)瞬間異常。為了探究產(chǎn)生故障的原因，分析故障當(dāng)天的噴油曲線圖和噴油參數(shù)。如圖5所示。圖5（a）為故障當(dāng)天的噴油曲線圖，從圖中可知：故障當(dāng)天ICU的return 電流一直維持在4.9 mA，中途產(chǎn)生曲線波動，可以發(fā)現(xiàn)FQS沒有產(chǎn)生通訊失效，正常反饋電流給電腦。圖5（b）為故障當(dāng)天噴油參數(shù)，可以看出No.5缸流量活塞的return的電流為4.8mA與其余正常缸的電流差值相差約為0.6 mA，可以看出No.5缸出現(xiàn)異常。除此之外No.5流量活塞的inject電流為4.9 mA近似等于return電流，說明流量活塞幾乎沒有發(fā)生移動，一直維持在4.9? mA，產(chǎn)生電流波動的一瞬間是反方向。

No.5缸流量活塞的return電流與其余正常缸的return電流值差值約為0.6 mA，可以看出該缸出現(xiàn)異常，該0.6 mA的差值是由FQS與外層的鋁合金套的相對位置變化引起的，如圖6為FQS的結(jié)構(gòu)圖，該結(jié)構(gòu)主要由FQS、屏蔽管和調(diào)整墊片等組成。FQS結(jié)構(gòu)可以看做非接觸式的滑動變阻器，其通電電壓為24V ，工作電流為4～20 mA。鋁套通過切斷磁力線起屏蔽作用。通過調(diào)整定距套中間的墊片可以改變鋁合金管與FQS的距離，可以看作改變阻值，間接改變通過的電流。通過實驗發(fā)現(xiàn)，調(diào)整墊片每加厚1 mm，鋁合金管就會對FQS多遮蔽1 mm，對應(yīng)輸出電流減少0.22～0.23 mA。

因此，0.6 mA的差值可能是由FQS與鋁合金套發(fā)生相對移動所產(chǎn)生的，而發(fā)生相對移動是由于活塞卡死在某個位置，類似于增加調(diào)整墊片的作用?；钊ㄋ赖奈恢镁嚯x原來正常工作的位置約為2.5～3.0 mm。這同時也能解釋圖5（a）為什么產(chǎn)生反方向的電流波動，如圖7所示，該圖為ICU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，ICU系統(tǒng)正常工作時在燃油油量活塞內(nèi)部左右兩端形成壓差波動，但是當(dāng)流量活塞卡的不是很嚴(yán)重，活塞產(chǎn)生輕微運動，產(chǎn)生微量電流，但是活塞沒有打開，return電流仍然保持在4.9 mA。

在后期的進一步的檢測中，發(fā)現(xiàn)流量活塞卡死主要由活塞沉頭導(dǎo)致的，活塞是一種偏重結(jié)構(gòu)，活塞運行過程中，是靠活塞桿進行導(dǎo)向，大頭導(dǎo)向位只起輔組作用，當(dāng)活塞桿和套筒圓度，垂直度，配合間隙小的情況下，是不會發(fā)生卡死。但是，當(dāng)活塞頭部橢圓度超過一定范圍的時候，沉頭現(xiàn)象就會出現(xiàn)，導(dǎo)致套筒內(nèi)出現(xiàn)“雞蛋形”橢圓偏磨，嚴(yán)重甚至有些活塞桿因此彎曲。

3.4 經(jīng)驗與教訓(xùn)

通過這次故障，提醒我們應(yīng)加強船舶設(shè)備的日常維護與保養(yǎng)，多關(guān)注電控柴油機的易損部件，需定期測試主機燃油泄漏警報，定期拆檢ICU泄漏管檢測ICU泄漏量。在日常檢查中密切關(guān)注ICU燃油噴射曲線圖，個別氣缸噴射曲線尾部明顯偏離即為ICU泄漏的征兆。力求做到故障現(xiàn)象盡早發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)確分析，及時解決。輪機長必須對設(shè)備的維護保養(yǎng)嚴(yán)格把關(guān)， 履行好提醒和監(jiān)督的職能，在關(guān)鍵環(huán)節(jié)上須親自指導(dǎo)。

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