隨著電噴柴油機的引入，柴油機控制系統(tǒng)日趨復(fù)雜，智能化程度不斷提高，設(shè)備復(fù)雜同時也伴隨著故障率上升。船舶航行于海上，特別是目前受新型冠狀病毒感染影響，各港口控制措施嚴格，船舶得到岸基維修難度加大，船舶柴油機一旦出現(xiàn)故障，船員無法及時處理造成停機，輕則延誤船期造成經(jīng)濟損失，重則危害船上人員生命財產(chǎn)安全，因此研究如何利用有限信息對柴油機快速故障排查有很大意義。

1 ME-C型電噴柴油機HCU Events曲線介紹

MAN B&W ME-C型柴油機開發(fā)了計算機控制監(jiān)測診斷系統(tǒng)(Computer Controlled Surveillance-Engine Diagnostics System, CoCoS-EDS)及主操作面板(Main Operation Panel, MOP)內(nèi)置電噴柴油機控制系統(tǒng)(Engine Control System) ME-ECS SW軟件結(jié)合多功能控制器(Multi-Purpose Controller, MPC)內(nèi)部監(jiān)控功能對柴油機狀態(tài)實時監(jiān)測，當故障發(fā)生時及時通過發(fā)動機接口控制單元(Engine Interface Control Unit, EICU)發(fā)出報警，同時提示故障發(fā)生可能原因。在MOP B里還有一個很有力的輔助工具就是液壓控制單元(Hydraulic Control Unit, HCU)事件記錄，可以在MOP上面查看。使用HCU Events曲線判斷故障需要對燃油噴射閥驅(qū)動(Fuel Injection Valve Actuation, FIVA)的控制信號、反饋信號，排氣閥和燃油升壓器的反饋信號有較深的理解，本文以如何使用該曲線圖進行快速故障診斷作詳細介紹。

1.1 HCU Events各曲線介紹

在系統(tǒng)發(fā)生故障時，HCU Events對其前后5 s內(nèi)各監(jiān)控點的電流信號生成曲線圖，輪機員可以通過此曲線圖全面了解在此階段時間內(nèi)各主要部件的工作情況。正常狀態(tài)曲線見圖1。

圖1 HCU Events正常狀態(tài)曲線

如圖1所示：FIVA主閥設(shè)定點電流曲線是FIVA主閥設(shè)定點電流曲線，以毫米為單位設(shè)定，其信號來源于氣缸控制單元(Cylinder Control Unit, CCU);FIVA位置反饋電流曲線是FIVA位置反饋電流曲線，其主要用來判斷FIVA具體動作情況，F(xiàn)IVA主閥設(shè)定電流曲線和FIVA位置反饋電流曲線在正常情況下應(yīng)該是重合的，一般機械延遲導(dǎo)致給定曲線與反饋曲線之間存在細微的偏差是正常的，但是偏差大的時候，可能是由MPC板或者導(dǎo)閥故障引起的[1];FIVA控制閥電流信號曲線是FIVA控制閥(導(dǎo)閥)電流信號，其電流信號來源于CCU單元，如果此曲線異常可考慮是MPC板或者導(dǎo)閥故障；燃油升壓器柱塞位移曲線是燃油升壓器柱塞位移曲線，正常曲線狀態(tài)如圖中所示，當燃油升壓器故障時該曲線位置與正常相比會異常(表示升壓器動作幅度異?；蛘呱龎浩魑恢脗鞲衅鞴收?、與正常相比下降沿增加(表示升壓器回程延長);排氣閥位置曲線是排氣閥位移曲線，正常曲線走勢也就是排氣閥正常動作狀態(tài)，當曲線上升速度快、持續(xù)時間短、下降沿變緩等都表示排氣閥動作存在異常；角度編碼器信號曲線是角度編碼器信號設(shè)定曲線，以秒為單位設(shè)定，該曲線一般不大會出現(xiàn)異常，當曲軸角度解碼器故障時曲線會異常。由于幾個曲線內(nèi)FIVA主閥設(shè)定點電流曲線較為復(fù)雜且能詳細反映柴油機一個工作循環(huán)過程，下文結(jié)合該曲線對柴油機一個工作循環(huán)內(nèi)FIVA閥動作過程詳細分析。

1.2 FIVA閥設(shè)定值曲線分析

1.2.1 噴油過程分析

HCU Events工作曲線見圖2。

圖2 HCU Events工作曲線 

1→2:CCU單元給FIVA導(dǎo)閥(下文類同)發(fā)指令，電流值介于8～12 mA之間，F(xiàn)IVA主閥有個很小的向下位移，少量液壓油通過內(nèi)部油道進入燃油升壓器底部排除氣體，為即將到來的噴油做準備，該段時間非常短。

2→3:導(dǎo)閥電流值大于12 mA,主閥繼續(xù)向下位移，此時主閥流通面積迅速增大，燃油升壓器柱塞受到液壓油作用迅速上移到指定行程，該行程由導(dǎo)閥通電持續(xù)時長決定，為主噴階段，從圖上看出燃油升壓器的反饋信號與主閥移動還是存在一定的位移差，主要由于建壓過程有遲滯性。

3→4:導(dǎo)閥電流值小于8 mA,主閥上移到中間位置，關(guān)閉進燃油升壓器驅(qū)動液壓油，噴油結(jié)束，燃油升壓器柱塞開始下行。

4→5:主閥保持在中位，燃油升壓器柱塞在壓差作用下繼續(xù)下行，但噴油泄放口開啟很小，此段也可以從燃油升壓器柱塞位移曲線看出。

5→6:導(dǎo)閥電流值小于8 mA,主閥繼續(xù)上移一小段，噴油泄放孔全部打開，主閥噴油流通面積迅速增大，柱塞回到最低位置，同時排氣閥泄放口關(guān)閉，為排氣閥開啟做準備。

1.2.2 排氣閥開啟過程分析

6→7:導(dǎo)閥電磁閥電流值介于8～12 mA,主閥保持不動，準備開啟排氣閥。

7→8:導(dǎo)閥電磁閥電流值小于8 mA,主閥上移到最大位置，此階段為排氣閥開啟階段。

8→9:主閥繼續(xù)保持在此位置，排氣閥快速打開。

9→10:導(dǎo)閥電流值大于12 mA,主閥下移一小段，繼續(xù)保持排氣閥開啟，此段是為了防止排氣閥開啟過大，減小開閥沖擊力。

10→11:主閥保持在此位置，排氣閥持續(xù)保持開啟。

11→12:導(dǎo)閥接受CCU指令，導(dǎo)閥電流大于12 mA,主閥下移一小段，排氣閥開始關(guān)閉。

12→13:主閥不動，排氣閥繼續(xù)關(guān)閉，排氣閥泄放口只打開很小，此階段為了減少排氣閥落座沖擊。

13→14:導(dǎo)閥電流值大于12 mA,主閥繼續(xù)向下移動到中位偏上一點，排氣閥泄放口打開，噴油泄放口開啟一小部分，進入噴油準備階段。

至此，一個工作循環(huán)結(jié)束。在對HCU Events曲線詳細了解后，當電噴柴油機發(fā)生故障后，我們可以第一時間查看故障發(fā)生前后5 s內(nèi)HCU主要部件工作趨勢圖，與正常曲線比較，以便快速鎖定故障。為了柴油機工作安全，電噴柴油機當排氣閥或者FIVA閥故障后一般該缸會自動切斷供油，燃油升壓器和排氣閥工作曲線將會變化，在應(yīng)用中需要加以區(qū)分。

2 故障案例

2.1 案例1

某船主機型號MAN B&W 12K98ME-7,某日航行途中主機EICU單元發(fā)出“Fuel Plunger Not Returned-CCU6”燃油柱塞未回位警報，后發(fā)展為主機No.6缸燃油升壓器柱塞行程太大報警，且該缸不發(fā)火。[2]故障發(fā)生時候HCU Events曲線見圖3。

圖3 HCU Events燃油升壓器故障曲線

一般，燃油升壓器柱塞行程大和回程變慢可能有以下幾個原因。

1) FIVA導(dǎo)閥和主閥閥芯卡阻動作遲緩，導(dǎo)致燃油升壓器開度過大和回程過慢，此原因FIVA位置反饋電流應(yīng)該有異常，會和FIVA設(shè)定點曲線分離。

2) MPC板指令異?；蛘吆虵IVA之間信號傳遞存在異常，此現(xiàn)象FIVA反饋信號曲線、FIVA控制閥曲線應(yīng)該也存在異常。

3) 燃油升壓器本體故障，如：吸油閥卡在關(guān)閉位置、燃油升壓器位置傳感器零位漂移、傘形罩(防油罩)于柱塞連接處松動，上部柱塞由于燃油顆粒磨粒磨損導(dǎo)致動作存在阻力，下部液壓活塞異常磨損或者燃油泄漏導(dǎo)致活塞運動周圍積碳運動卡阻等。

故障發(fā)生后船端按常規(guī)方法排查故障，首先封缸更換FIVA導(dǎo)閥，換好復(fù)位后故障未消除，排除導(dǎo)閥原因，然后更換燃油升壓器的位置傳感器，故障沒有消除，最后決定更換FIVA閥，故障依然未消除。根據(jù)以上分析的幾個原因，決定更換該缸MPC板，MPC板換好重啟后，還是依然會出現(xiàn)以上報警。排除以上幾個原因后，故障基本鎖定在燃油升壓器本體上，首先更換吸油閥，確定是否由于吸油閥卡住所致，更換后依然在報警，決定維持目前局面到港后更換燃油升壓器本體，船舶抵港后更換燃油升壓器后試車航行報警未出現(xiàn)，故障排除。

事后針對當時船端提供的HCU Events曲線可以發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生后No.6缸燃油升壓器柱塞電流值明顯偏大，正常數(shù)值在5 000～10 000左右而圖中顯示數(shù)值已經(jīng)大于10 000,而且曲線下降明顯變緩、斜率變大，可以推斷燃油升壓器回程存在阻力。經(jīng)過船方處理，最后確認是燃油升壓器液壓柱塞套筒上部2道密封令老化失效，燃油漏入，引起積碳液壓柱塞卡阻進而拉毛。液壓柱塞落座遲緩，單循環(huán)供油量無法滿足，CCU單元會發(fā)指令增大噴油量進而引起柱塞升程變大，出現(xiàn)報警。若是當時船上能重視該曲線的應(yīng)用，應(yīng)該在故障排查上更快一些。

2.2 案例2

某船主機型號MAN B&W 8L90ME-C10.2,某日航行途中主機突發(fā)“Exhaust Valve Closing Too Slow CCU8-03023315”報警，隨即主機自動減速，查看相關(guān)報警記錄及MOP B內(nèi)部故障發(fā)生時HCU Events曲線(見圖4)。

判斷故障應(yīng)該是出現(xiàn)在排氣閥系統(tǒng)相關(guān)部件，分析可能有如下幾個原因：

1) 排氣閥傳感器故障，如傳感器探頭臟污、接線松脫、與傳感器連接的電纜短路等。

2) 排氣閥驅(qū)動器故障，如內(nèi)部柱塞磨損卡阻、驅(qū)動器上部低壓滑油進口單向閥故障。

圖4 HCU Events排氣閥故障曲線 

3) FIVA閥及導(dǎo)閥故障、MPC板故障、排氣閥驅(qū)動器液壓油泄放慢，導(dǎo)致排氣閥關(guān)閉阻力大，蓄壓器膜片損壞、壓力不足，此故障FIVA反饋曲線也會異常。

4) 排氣閥液壓油管故障，如油管接觸面漏油、油管彎頭處裂紋漏油等。

5) 排氣閥本體故障，如排氣閥本體節(jié)流塞堵塞、安全閥彈簧斷裂密封令失效漏油、排氣閥空氣止回閥損壞、排氣閥氣腔內(nèi)部密封令磨損導(dǎo)致空氣壓力無法滿足關(guān)閥需求等。

根據(jù)HCU Events曲線分析該排氣閥開啟行程電流值比正常值偏大很多，說明排氣閥開啟時空氣彈簧的阻尼作用大大削弱，但排氣閥迅速開啟可排除驅(qū)動器油管等液壓腔室部件損壞，且排氣閥關(guān)閉慢報警，所以基本可以斷定排氣閥關(guān)閥的動力不足，空氣彈簧壓力低或者空氣腔室存在泄漏。

排查最終結(jié)果發(fā)現(xiàn)排氣閥閥桿處密封膠木令(備件號343A-21)磨損，關(guān)閉排氣閥的空氣壓力無法維持，導(dǎo)致排氣閥關(guān)閉慢報警。此膠木令質(zhì)量要求比較高，若是發(fā)現(xiàn)損壞，航行中停車后可以采取現(xiàn)場解體方式更換。

目前電噴柴油機排氣閥故障率非常高，在平時保養(yǎng)中，需及時按保養(yǎng)周期對排氣閥進行檢修，一般在28 000～32 000 h, 1～2個月對排氣閥做1次氣密性試驗。液壓油和系統(tǒng)滑油沒有分開的系統(tǒng)排氣閥的節(jié)流塞，比較容易堵塞，平時需經(jīng)常打開檢查清通。遇到排氣閥故障報警時，首先區(qū)分是開啟還是關(guān)閉，開啟和關(guān)閉都有相應(yīng)的行程高和行程低兩種狀態(tài)報警，對于關(guān)閉問題主要排查空氣側(cè)，對于開啟問題主要排查動力滑油側(cè)，遵循先易后難原則。

3 結(jié)束語

柴油機故障診斷過程有很大的不確定性和隨機性，需要船舶一線人員有豐富的處理故障知識儲備，平時一線人員在工作中借助可能的狀態(tài)參數(shù)和故障報警信息等對故障機理、故障現(xiàn)象、故障原因進行分析總結(jié)，積累經(jīng)驗。本文介紹的HCU Events曲線圖，是一種在故障發(fā)生后的排查方法，HCU Events不僅可以在MOP上面查看，也可以保存為“.dat”格式文件，使用小程序軟件打開后可以分析判斷TACHO、FIVA閥、燃油升壓器、排氣閥系統(tǒng)的工作情況，此格式文件存量小，也可以發(fā)送管理公司由技術(shù)主管等查看分析。在設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的情況下，在MOP B中建議對各缸控制閥手動標繪一個趨勢曲線，日后可以使用該曲線判斷相關(guān)故障。當發(fā)生故障時柴油機會及時通過EICU單元發(fā)出報警，故障發(fā)生后MOP會提示相應(yīng)的故障發(fā)生可能的原因，一線人員還可以通過主操作面板維護保養(yǎng)功能測試，基本都能找到問題發(fā)生的原因并自行解決。在故障排查中若是對該曲線了解較多，有利于及時找出HCU中存在故障的部件，可以避免盲目排查。

平時可以借助MAN B&W 提供的CoCoS-EDS和PMI在線性能監(jiān)測軟件，結(jié)合主機運轉(zhuǎn)參數(shù)及各種傳感器信息來監(jiān)視、診斷、預(yù)測和管理柴油機狀態(tài)，準確評估柴油機的健康狀況，通過故障預(yù)測和健康管理減少故障發(fā)生的概率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，降低維修成本，這也是當前需要重點關(guān)注和研究的課題。