电喷柴油机启动空气分配系统管理

李艳兵 2021-10-26

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0 引言

某远洋拖船的主机为2台MAN 9L32/44CR型9缸四冲程直列共轨电喷柴油机, 其控制管理单元ECU采用Sa Co Sone, 单台功率为5 040 k W, 发火转速为130 r/min, 启动成功后的怠速为450 r/min, 额定转速为750 r/min。螺旋桨为可调螺距螺旋桨。

2台柴油机经常出现启动困难的现象, 须多次启动才能成功。柴油机启动失败表现为: (1) 启动时柴油机不转动, 启动空气压力几乎没有变化; (2) 柴油机不转动, 但启动空气压力下降很快; (3) 柴油机能运转但不能达到发火转速。

柴油机启动失败后, 轮机管理人员到机旁盘车后再启动, 有时重复四五次才能成功。开始时怀疑柴油机气缸启动阀卡阻, 但全部拆检后未见异常。由于该船主要从事海上平台、海洋工程服务, 每天的启停柴油机次数较多, 因此给轮机管理人员带来很大困扰。

1 启动控制原理

MAN 9L32/44CR电喷柴油机启动控制原理见图1。该型柴油机未设置机械控制式空气分配器, 而是在传动轴上安装1个圆盘, 圆盘周围装设9个脉冲传感器, 用于检测每个缸的曲轴转角。

图1 MAN 9L32/44CR电喷柴油机启动控制原理

A—主启动阀;B—应急停车压力开关;C—减压阀;D—应急停车控制阀;E—应急停车和冲洗阀;F—共轨桶;H—盘车机连锁阀;J—单向阀;K—阻焰器;L—气缸启动阀;M—继电器模块;N—气缸启动控制电磁阀;P—接增压空气及废气排放控制;Q—喷油电磁阀组;S—转速传感器;R—脉冲传感器;a—启动控制空气;b—应急停车控制空气;c—增压空气及废气排放控制空气

当柴油机启动时, 在ECU的控制下处于启动位置缸的脉冲传感器发出信号, 触发相应继电器动作, 使得气缸启动控制电磁阀得电动作, 接通气缸启动阀的控制气源, 打开气缸启动阀使启动空气进入气缸, 开始启动过程。

30 bar的主启动空气接至主启动阀处等待, 主启动空气管分出1路, 与单独的1路控制空气并联为控制系统供气 (作为冗余备份) 。控制空气分出3路:a路经盘车机接至启动电磁阀和慢转启动电磁阀, 为主启动阀和慢转启动阀提供控制气源;b路接至燃油共轨系统的应急停车和冲洗阀的控制电磁阀;c路经减压阀减压至8 bar后, 控制增压空气和排气挡板。

在执行柴油机启动程序时, ECU首先打开应急停车控制阀, 检测应急停车空气压力。如果压力低于设定值 (5 bar) , 柴油机将切断启动过程并发出报警;反之, 如果压力正常, 那么启动程序继续进行。主启动阀打开, 1路至气缸启动阀处等待, 1路经气缸启动控制电磁阀至气缸启动阀控制端。启动位置缸的脉冲传感器使相应的继电器和气缸启动控制电磁阀通电动作, 接通气缸启动阀的控制气源, 打开气缸启动阀, 柴油机启动。随着柴油机的运转, 各缸的脉冲传感器按照发火顺序触发相应继电器, 并接通相应的气缸启动控制电磁阀电源, 使气缸启动阀依次打开, 进入连续启动过程。

当柴油机转速达到10 r/min时, 应急停车电磁阀断电, 燃油共轨系统开始蓄压;当柴油机达到发火转速时, 喷油模块工作, 由喷油电磁阀组控制燃油经喷油器进入气缸。如果在规定时间内达到启动成功的设定转速, 柴油机切断启动气源进入正常运行;反之, 启动失败, 停止启动过程并发出报警。

2 故障原因分析及排查

2.1 故障原因分析

(1) 控制模块、喷油模块、网关模块或通信总线故障。该型柴油机几乎所有控制都由ECU实现, 其中:控制模块负责实现柴油机的控制及安全和报警功能;喷油模块负责燃油喷射;网关模块负责通信、数据记录和组合控制;通信总线负责将网关模块信号传输到柴油机进行自动控制, 并将柴油机的信息反馈回ECU。如果控制模块、喷油模块、网关模块故障或通信总线传输不良, 均会使柴油机控制故障, 包括无法执行启动程序。

(2) 燃油共轨系统和喷射系统故障。电喷柴油机的燃油喷射原理是建立共轨油压后, 由喷油模块控制打开喷油电磁阀组并供油至喷油器。共轨油压不能建立或压力低、喷油电磁阀组故障都会造成燃油喷射故障。

(3) 转速传感器故障。电喷柴油机启动时只有达到发火转速才会实现燃油喷射, 该型柴油机采用双转速传感器的冗余配置。如果转速传感器故障, 转速信号就不能传输至ECU, 那么柴油机就无法进行正常的燃油喷射和启动。

(4) 应急停车压力低或应急停车压力信号不正常。电喷柴油机在执行启动程序前首先检测应急停车压力是否正常, 如果压力低于应急停车压力开关的设定值, 柴油机将不能启动。应急停车控制阀或应急停车压力开关出现故障, 即使应急停车压力高于设定值, ECU也接收不到应急停车压力正常的信号。

(5) 脉冲传感器故障。如果脉冲传感器不能输出信号到继电器模块, 那么启动程序就无法进行。

(6) 继电器模块故障。每个缸都有相对应的继电器控制气缸启动电磁阀, 如果继电器不能正常工作, 那么就会导致柴油机不能进行正常的启动。

(7) 气缸启动控制电磁阀故障。控制电磁阀线圈烧坏或阀芯卡阻, 会导致柴油机启动过程中气缸启动阀一直处于开启或关闭状态, 进而引起压缩空气进气混乱, 造成启动困难。

2.2 故障原因排查

(1) 柴油机的控制模块、喷油模块、网关模块和通信总线极少出现故障, 而且电喷柴油机的ECU有自检功能, 每个环节出现问题都会在报警系统中体现出来。在该型柴油机启动前和启动失败过程中未出现相关报警, 且柴油机能启动成功, 说明控制模块、喷油模块、网关模块和通信总线均工作正常。

(2) 柴油机启动困难的现象为不运转或达不到发火转速, 而启动成功后能进入正常连续运行, 说明燃油共轨系统、喷射系统和转速传感器均工作正常。

(3) 在柴油机启动时检查应急停车控制阀控制气路, 发现气路能正常通断, 说明控制阀工作正常。测量应急停车压力开关输出信号, 也正常通断。因此, 排除应急停车压力低或信号传输故障, 导致柴油机不启动的可能性。

(4) 打开继电器模块控制箱, 在柴油机启动过程中检查各缸控制继电器的工作情况, 发现都能正常工作 (继电器有工作指示灯) , 加上控制继电器模块的信号来自于脉冲传感器, 说明脉冲传感器和继电器模块故障可以排除。

经过排查, 确认柴油机启动困难的原因在于气缸启动控制电磁阀故障。在机旁按下右主机应急停车手柄, 卸掉共轨系统油压, 打开示功阀冲车, 逐缸检查示功阀启动空气情况。最后发现:第8缸没有气、第3缸总有气, 其他缸的启动空气能正常通断。这说明在柴油机启动期间, 第3缸的气缸启动阀一直处于开启位置, 第8缸的气缸气动阀总处于关闭位置。由于轮机管理人员曾拆检过所有的气缸启动阀并未发现异常, 因此可确认这2个缸的启动控制电磁阀故障, 造成压缩空气进入气缸比较混乱, 导致柴油机启动困难。

3 故障解决及故障现象解释

3.1 故障解决

(1) 在右主机第3缸、第8缸的各自启动位置, 测量相应气缸启动控制电磁阀的线圈, 24 V电源都能正常通断;检查电磁阀线圈, 正常。排除“电”出现问题的可能性, 应为单纯的控制电磁阀阀芯卡阻。

(2) 解体并检查第3缸、第8缸的控制电磁阀, 发现内部水锈等杂质较多。第3缸电磁阀阀芯卡阻在开启位置, 第8缸电磁阀阀芯卡阻在关闭位置。清洁吹通后装复, 多次启动柴油机进行试验, 均能正常启动。

左主机故障原因类似, 解决后亦恢复正常。

3.2 故障现象解释

以右主机为例, 对启动失败的3种故障现象进行分析, 该柴油机的发火顺序为1—6—3—2—8—7—4—5—9—1。

(1) 启动时柴油机不转动, 但启动空气压力几乎不下降。因第3缸启动电磁阀卡阻在开启位置, 在启动过程中气缸启动阀的控制气源始终接通, 气缸启动阀保持开启状态。当曲轴转角处于80°时, 第6缸处于膨胀行程, 气缸启动阀开启进入启动空气。由于第3缸的气缸启动阀保持常开也进入启动空气, 此时第3缸处于压缩行程, 阻止柴油机的转动。在这种情况下, 驱动柴油机转动的力矩与阻止柴油机转动的力矩相等, 柴油机无法运转。

(2) 启动时柴油机不运转, 但启动空气压力下降很快。当曲轴转角在320°时, 第8缸刚好处于启动位置, 气缸启动阀应该打开进入启动空气。实际上由于该缸控制电磁阀卡阻, 导致没有启动空气进入气缸, 而第3缸气缸启动阀保持常开进入启动空气。此时第3缸处于排气行程, 大量启动空气经排气阀排出, 造成启动空气压力急剧下降, 柴油机无法转动。

(3) 启动时柴油机运转, 但不能达到发火转速。如果启动时第3缸处于排气或进气行程, 除第8缸外的其他缸正常进入启动空气, 柴油机运转。由于第3缸的气缸启动阀处于开启位置耗费大量启动空气, 以及随着柴油机转动到第3缸处于压缩行程时第3缸将起制动作用, 柴油机无法达到发火转速。

4 启动空气分配系统管理

因电喷柴油机在节能、排放等方面的优势, 近年来在新造船舶中的应用越来越广泛。以往对喷油系统和换气系统的总结较多, 对空气分配系统的管理总结相对较少。与传统凸轮轴柴油机相比, 该型电喷柴油机启动控制系统在结构上的不同之处在于采用脉冲传感器、继电器模块和启动控制电磁阀代替机械式的启动空气分配器;燃油部分采用共轨系统和电子控制的阀组代替凸轮驱动的高压油泵, 只有柴油机达到发火转速, 阀组才会供油。控制方式大多采用软件控制, 启动空气分配和燃油喷射都由ECU完成。

在船舶管理工作中, 机械式启动空气分配器鲜有问题出现, 由于机械式空气分配器的驱动力来自机械式的凸轮, 该结构即使出现卡阻也会被凸轮强行顶出, 卡阻的异物也会随之被排走, 并且机械式空气分配器在柴油机运行期间一直动作, 进一步防止卡阻。该型电喷柴油机采用较多的电子元件和软件实现启动空气分配功能, 既增加维护保养工作, 又提高启动故障诊断难度, 导致故障频发。

据统计, 已有多艘船舶的多种型号电喷柴油机发生类似的启动故障, 分析原因都是由于启动压缩空气不洁、潮湿, 导致启动控制电磁阀卡阻。为防止类似故障的发生, 必须加强空气侧的清洁工作, 除空气瓶、勤放残外, 在主启动阀前的压缩空气管上设置1个小气瓶进一步放残, 在主启动阀后至气缸启动电磁阀的压缩空气管上加装干燥器和滤器。改进后, 该船的柴油机未再出现类似启动困难的现象。

另外, 轮机员在启动柴油机后应当检查空气分配器的控制电磁阀电磁线圈的温度, 发现异常高温时就应当引起重视, 拆检并及时解体清洁滤器和更换干燥剂。启动控制电磁阀必须定期解体清洁, 更换电磁阀密封圈。