一型船用發(fā)電機(jī)組冒白煙及頻率不穩(wěn)故障分析及處理

◎朱月平 中交四航局江門(mén)航通船業(yè)有限公司

柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速恒定，負(fù)荷變化平順，較少出現(xiàn)冒煙的情況。電噴機(jī)組燃油噴射的量和時(shí)間更加準(zhǔn)確,精度高且便于控制，出現(xiàn)異常冒煙的情況更少。但其始終使用的是化石燃料，冒煙現(xiàn)象是無(wú)法避免的，在機(jī)器冷啟動(dòng)、短暫的大負(fù)荷突加等特定狀態(tài)下冒少量的煙屬于正常現(xiàn)象。但如果柴油發(fā)電機(jī)組在穩(wěn)定的負(fù)荷下正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了冒煙現(xiàn)象，則說(shuō)明柴油機(jī)可能出現(xiàn)了故障。根據(jù)機(jī)器排出的煙色可以初步分析柴油機(jī)故障原因以進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)，解決異常冒煙問(wèn)題。

1.現(xiàn)象描述

某船廠在2021年建造的三艘珠海游船共使用了6臺(tái)康明斯QSB5.990kW電噴發(fā)電機(jī)組，每船2臺(tái)不并車，互為備用。6臺(tái)機(jī)組分三批先后到廠裝船，6臺(tái)機(jī)組的原動(dòng)機(jī)屬同一批出廠，前4臺(tái)機(jī)組裝船調(diào)試一切正常。但最后一艘船的2臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)了異常冒白煙及頻率不穩(wěn)定的情況，具體表現(xiàn)為：冷啟動(dòng)，機(jī)器正常、頻率穩(wěn)定。運(yùn)行約1至2分鐘后出現(xiàn)頻率波動(dòng)同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排出非常明顯的白煙，持續(xù)約20秒至30秒消失，之后頻率持續(xù)穩(wěn)定，無(wú)異?，F(xiàn)象。熱機(jī)連續(xù)啟動(dòng)，則無(wú)此現(xiàn)象。經(jīng)多次冷啟動(dòng)試驗(yàn)，以上現(xiàn)象可以重復(fù)。

盡管冒煙現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)且僅在冷啟動(dòng)后初期的2到3分鐘內(nèi)出現(xiàn)，熱機(jī)后就會(huì)消失，完全不影響使用。但本船是雙體旅游客船，發(fā)電機(jī)排氣出口位于兩個(gè)船體片體中間主甲板下形成的通道內(nèi)，白煙造成隨風(fēng)向不同時(shí)船艏或者船艉煙霧繚繞。而且只有一艘船的兩臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)問(wèn)題且對(duì)比明顯，船東強(qiáng)烈要求對(duì)這兩臺(tái)機(jī)組進(jìn)行檢查，消除冒煙現(xiàn)象。

2.異常現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

2.1 頻率波動(dòng)

①電噴機(jī)組集成了大量電子控制元器件，受到電磁干攏的可能性較大。大致可分為外接控制器件、機(jī)旁控制箱、機(jī)身電腦EMC三部分，每一部分都有可能受到電磁干擾。②機(jī)身電腦EMC中對(duì)機(jī)器標(biāo)定即參數(shù)設(shè)置不準(zhǔn)確，電子噴油量、提前角等參數(shù)有誤。③油器、油路或者機(jī)械故障問(wèn)題，燃燒異常轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定造成頻率波動(dòng)。

2.2 異常冒煙

①冒黑煙，黑煙主要是燃料中不完全燃燒的碳粒組成。燃料過(guò)量供給、進(jìn)氣量減少、燃燒室結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障、噴油器和控制系統(tǒng)故障等都會(huì)造成冒黑煙。②冒白煙，白煙是環(huán)境氣溫較低，冷啟動(dòng)氣缸溫度低時(shí)燃料未燃燒，或者霧化后的燃料顆?；烊肓怂蛘呶闯浞蒽F化的燃油隨廢氣排出就會(huì)出現(xiàn)排氣冒白煙。③冒藍(lán)煙，機(jī)油過(guò)量竄入燃燒室參與燃燒的結(jié)果就是冒藍(lán)煙。一般柴油機(jī)都會(huì)有一個(gè)約0.5%左右機(jī)油正常消耗量，一旦超過(guò)這個(gè)值將會(huì)有藍(lán)煙現(xiàn)象發(fā)生。

3.機(jī)組配置組成、故障分析及檢查

3.1 機(jī)組配置及相關(guān)電路

3.1.1 機(jī)組的組成

本批次機(jī)組原動(dòng)機(jī)均為新機(jī)且屬于同一批次，但出廠先后順序不同，出現(xiàn)故障機(jī)組為最后出廠。原動(dòng)機(jī)運(yùn)至發(fā)電機(jī)組組裝廠后，由集成廠按康明斯要求配置機(jī)旁控制箱（機(jī)旁控制箱內(nèi)主要模塊為康明指定專用品牌產(chǎn)品），安裝滿足船級(jí)社要求的傳感器，進(jìn)行電氣系統(tǒng)接線、電球匹配及對(duì)中、油水管路濾器連接、最終的臺(tái)架試驗(yàn)取證等工作。

ECM CM2880電控模塊是電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的控制電腦，電噴機(jī)的油壓油溫、冷卻液溫度、進(jìn)氣壓力、曲軸轉(zhuǎn)速、噴油器控制及安全保護(hù)等幾乎所有參數(shù)均在ECM中設(shè)置，ECM通過(guò)J1939通訊接口向機(jī)旁箱HMC9000A模塊提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，CM2880必須通過(guò)專用軟件來(lái)設(shè)置。

HMC 9000A模塊是機(jī)旁控制箱的主要組成部件，負(fù)責(zé)機(jī)組啟停、ECM參數(shù)的報(bào)警和顯示、油水溫度停機(jī)控制、轉(zhuǎn)速顯示；提供機(jī)組轉(zhuǎn)速、增益和下垂度調(diào)節(jié)電阻接口，但不參與原動(dòng)機(jī)本身的控制。

雙聯(lián)油水分離器為一級(jí)粗濾器，安裝于燃油泵入口，原動(dòng)機(jī)機(jī)帶二級(jí)精濾器。

3.1.2 機(jī)組控制主電路簡(jiǎn)圖

機(jī)組電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示，該圖為機(jī)旁控制箱電路的一部分，包括電源、與ECM機(jī)身電腦的接口、與HMC9000A模塊的接口，外接調(diào)節(jié)裝置等。機(jī)旁控制箱內(nèi)相對(duì)獨(dú)立的顯示和接口等與發(fā)電機(jī)本身無(wú)直接關(guān)聯(lián)的部分電路限于篇幅這里不再顯示。

如圖1 所示，該機(jī)組外接兩路DC24V電源，按船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)主電源接自機(jī)旁專用蓄電池組。備用電源來(lái)自船用DC24V充放電系統(tǒng)，長(zhǎng)期由充電機(jī)浮充供電。ECM CM2880控制電腦通過(guò)插頭與機(jī)旁控制箱連接，ECM+/ECM-提供電源，J1939通訊口用與ECM與機(jī)旁箱內(nèi)HCM9000A模塊的通訊。其它Droop，Gain，Speed Bias調(diào)整等均是外接電位器，用于微調(diào)機(jī)組的特性。

3.1.3 機(jī)組燃油系統(tǒng)

如圖2所示，04為船舶日用燃油艙，通過(guò)一級(jí)粗濾器03供油至機(jī)帶燃油提升泵07入口，經(jīng)二級(jí)精濾器02過(guò)濾后進(jìn)入高壓共軌噴油回路。燃油中較大的雜質(zhì)經(jīng)過(guò)兩級(jí)濾器之后，基本上可以滿足供油要求。但如果水份含量過(guò)大，一級(jí)濾器（油水分離器）過(guò)濾后，還有可能帶水份進(jìn)入噴油回路。

圖2 機(jī)組燃油系統(tǒng)圖

3.2 故障的分析及排除

針對(duì)現(xiàn)象描述，考慮到為同一批次新電噴機(jī)且只有一艘船出現(xiàn)問(wèn)題，故先考慮故障是否由外部電磁干擾引起，再考慮油品油路質(zhì)量問(wèn)題引起的游車，新機(jī)器本身的原因極少放在最后檢查。

3.2.1 頻率不穩(wěn)定，從電控方向考慮

1）首先懷疑機(jī)組外接調(diào)節(jié)裝置或線路受到干擾，本船兩臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)為互為備用不并車，外接裝置為3個(gè)4.7千歐微調(diào)電阻，分別用于Droop,Gain和Speed Bias調(diào)節(jié)。其中Droop用于調(diào)節(jié)并機(jī)發(fā)電機(jī)組空載到全載之間的轉(zhuǎn)速下降值，本船不并機(jī)，冒煙出現(xiàn)在單機(jī)運(yùn)行，頻率上下波動(dòng)，直接排除。Gain調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)增益，裝在機(jī)旁控制箱內(nèi)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性和突加突卸性能，機(jī)組除在冷啟后前兩三分鐘內(nèi)冒煙外一切正常，因此排除Gain設(shè)置問(wèn)題。Speed Bias通過(guò)電壓調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,可接電阻也可接穩(wěn)定的5V電壓，2.5VDC時(shí)設(shè)定為調(diào)整0轉(zhuǎn)，小于2.5VDC的偏移值為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速減小，大于2.5VDC的偏移值為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速增加。

Speed Bias調(diào)節(jié)電阻裝于主配電板內(nèi)，離發(fā)電機(jī)組有20多米距離用帶屏蔽電纜接線?？紤]該調(diào)節(jié)電阻品質(zhì)不高或者連接電纜外套接地不好，在線路上感應(yīng)出了干攏電壓導(dǎo)致頻率波動(dòng)。檢查后重新采購(gòu)一個(gè)高品質(zhì)高精度的微調(diào)電阻用于更換，同時(shí)將原調(diào)節(jié)電阻連接電纜沒(méi)有完整接地的屏蔽護(hù)套兩端重新嚴(yán)格接地之后冷啟動(dòng)機(jī)組觀察，仍有頻率波動(dòng)及冒煙現(xiàn)象。

2）如圖示本機(jī)組兩路DC24V電源，根據(jù)規(guī)范要求一路來(lái)自機(jī)旁蓄電池，另一路來(lái)自船用充放電板，懷疑充放電板直流電源不純凈，雜波造成控制箱和ECM受干擾。于是采購(gòu)一臺(tái)知名品牌DC24V隔離電源，先后將DC24V船電和機(jī)組控制箱、機(jī)旁蓄電池電源和控制隔離后冷啟機(jī)，問(wèn)題仍未排除。

3）機(jī)旁控制箱內(nèi)控制模塊干擾。經(jīng)與集成商溝通后確認(rèn)該控制箱模塊HMC9000A的功能僅為顯示功能和報(bào)警，不涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的控制，模塊干擾可能很小。但考慮到該模塊集成較多功能，元件復(fù)雜，是否會(huì)有干擾的可能，故還是從無(wú)異常的船上拆了一塊控制模塊試驗(yàn)，問(wèn)題未排除。

4）在調(diào)試時(shí)船上使用的是岸電，發(fā)電機(jī)組并沒(méi)有合閘，船上有風(fēng)機(jī)、燒焊等作業(yè)、發(fā)電機(jī)組旁邊有部分電氣控制箱通了電，懷疑船上作業(yè)設(shè)備的電磁信號(hào)干擾到了ECM。于是停掉船上其它作業(yè)，檢查周圍通電的控制箱并斷電，冷啟機(jī)試驗(yàn)，問(wèn)題未排除。

5）檢查ECM模塊，ECM模塊是一個(gè)有較高IP防護(hù)等級(jí)的整體模塊，無(wú)法拆解且僅有幾個(gè)插口無(wú)法從外觀上判斷出好壞，另外ECM模塊在機(jī)器上的安裝也比較正規(guī)，各傳感器的安裝和接線也非常規(guī)范，因此從機(jī)器可以正常運(yùn)行可判斷出ECM本身故障可能性沒(méi)有。

6）聯(lián)系康明斯售后，懷疑機(jī)器標(biāo)定問(wèn)題，遂派人使用專用軟件對(duì)機(jī)器ECM進(jìn)行刷機(jī)重新標(biāo)定。售后工程師具體標(biāo)定了什么內(nèi)容，我們無(wú)從得知，但標(biāo)定后確有一臺(tái)機(jī)組在初期出現(xiàn)冒白煙減輕的現(xiàn)象，另一臺(tái)沒(méi)有變化。這次的減輕現(xiàn)象使得大家相信是標(biāo)定的問(wèn)題，于是不斷改變參數(shù)重復(fù)標(biāo)定，兩臺(tái)機(jī)組互相對(duì)比，但是故障一直都沒(méi)有排除，在這里耗時(shí)較長(zhǎng)。

3.2.2 從油品油路考慮冒煙問(wèn)題

1）油管路受到污染，有污染物或者水份進(jìn)入燃油系統(tǒng)。拆開(kāi)燃油管路檢查，船廠油管路干凈符合要求，油水分離器濾芯和機(jī)帶精濾器干凈無(wú)污染，初步排除油路問(wèn)題。

2）油品質(zhì)量不高，油內(nèi)含水量過(guò)大會(huì)造成白煙現(xiàn)象。于是采購(gòu)了一些與船廠不同渠道的燃油，裝于一個(gè)干凈油桶放在機(jī)艙專門(mén)供油給機(jī)組，冷啟動(dòng)后還是會(huì)出現(xiàn)同樣的故障，排除油品原因。

3.2.3 從機(jī)械方向考慮

柴油機(jī)噴入氣缸的霧化燃油未燃燒就被排出，就會(huì)出現(xiàn)冒白煙的現(xiàn)象，同時(shí)燃燒不充分也會(huì)使機(jī)組頻率波動(dòng)。造成這樣情況的原因主要有以下幾個(gè)，逐一檢查排除。

1）發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)低，一般在環(huán)境溫度比較低時(shí)冷啟動(dòng)機(jī)器，會(huì)出現(xiàn)一些冒白煙現(xiàn)象，但僅處于啟動(dòng)時(shí)冒白煙。但當(dāng)時(shí)調(diào)試正值9月份左右，環(huán)境溫度不低，而且是在冷啟動(dòng)后約1至2分鐘才出現(xiàn)冒白煙現(xiàn)象，同時(shí)其它4臺(tái)機(jī)組沒(méi)有任何異常，因此溫度過(guò)低問(wèn)題不太可能。又檢查了中冷器冷卻后的進(jìn)機(jī)空氣溫度，與其它正常機(jī)組對(duì)比，發(fā)現(xiàn)溫度也是正常，排除溫度過(guò)低問(wèn)題。

2）油路有空氣，油品不純。此項(xiàng)已在3.2小節(jié)排除。

3.2.4 原動(dòng)機(jī)故障

在前面所有檢查中大家均認(rèn)為同一批次、新機(jī)出現(xiàn)這種奇怪現(xiàn)象是不可能的，大家也懷疑過(guò)是不是機(jī)器本身的問(wèn)題，但因?yàn)樾聶C(jī)不便于拆檢。在上述所有項(xiàng)目都檢查完后，在與康明斯深圳公司的一位同行交流時(shí)認(rèn)為，既然外圍所有因素已經(jīng)排除到這一步，那基本可以確定就是機(jī)器本身的問(wèn)題，不用懷疑。因此造成頻率波動(dòng)和冒白煙的原因無(wú)非就是噴油有問(wèn)題或者冷卻液泄漏。

在與康明斯售后聯(lián)系溝通后，該機(jī)型缸體、缸蓋采用集成化設(shè)計(jì)，基本不可能有漏水現(xiàn)象的發(fā)生，除非內(nèi)部產(chǎn)生了裂紋，但綜合來(lái)看這也不可能。于是決定先檢查機(jī)組的噴油嘴，拆下一臺(tái)機(jī)組的噴油嘴后，發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)噴油嘴上有少許積碳，其它4個(gè)噴油嘴則比較干凈。由于是新機(jī)，最后將整套噴油嘴全部換新，冷啟機(jī)后發(fā)現(xiàn)不再出現(xiàn)冒白煙的頻率不穩(wěn)的現(xiàn)象。多次重復(fù)，機(jī)組運(yùn)行正常。

將另一機(jī)組拆開(kāi)后，同樣發(fā)現(xiàn)有部分噴油嘴有積碳的問(wèn)題，換新后問(wèn)題解決。

3.2.5 可能的原因

安裝于這兩臺(tái)機(jī)組上的噴油嘴在品控上可能出現(xiàn)了不一致的問(wèn)題或者出廠批次不一等原因，機(jī)器在冷啟動(dòng)后1至2分鐘內(nèi)氣缸溫度并沒(méi)有達(dá)到正常值，噴油嘴出現(xiàn)積碳，積碳使噴油霧化不良而造成冒白煙現(xiàn)象，而部分氣缸燃燒不完全則造成轉(zhuǎn)速（頻率）不穩(wěn)定。之后隨運(yùn)行時(shí)間的增加，氣缸內(nèi)溫度升高而積碳減少，噴油霧化正常后異常現(xiàn)象也隨之消失。再次冷啟，上述問(wèn)題重復(fù)。

4.結(jié)語(yǔ)

船用發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異常冒煙的情況比較復(fù)雜，不同的煙色有不同的原因，這些可能是機(jī)器本身的故障，也可能是安裝和使用不當(dāng)造成。船用發(fā)動(dòng)機(jī)如應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組，異常的現(xiàn)象又會(huì)多一些。如本例中的頻率不穩(wěn)定，在主機(jī)的應(yīng)用中可能就不會(huì)考慮。如果出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，就需要我們逐一認(rèn)真分析，找出原因，排除故障，解決問(wèn)題。本例在幾乎檢查了整個(gè)系統(tǒng)后，才確定噴油嘴的問(wèn)題。盡管同一批次出廠新機(jī)，但其噴油嘴有可能品控不同出現(xiàn)問(wèn)題，從而造成了這個(gè)問(wèn)題，這個(gè)連廠家售后都無(wú)法相信。