6RT-flex48T-D 型柴油机燃油控制单元故障分析

0    引言

RT-flex 型 柴 油 机 是 船用二冲程智能电喷柴油机 中典型的机型，被越来越多地应用在远洋船舶上 。Flex Viewer 软件可以修改主机的控制参数 ，  实时提供相关 的监控数据以及在线帮助功能 。针对典型报警故障，利 用 Flex Viewer 软 件 ，结合监控数据和曲线图 ，分 析 燃 油 控 制 单 元 (Injection Control Unit，ICU) 工 作 原 理 ，给出比较合理的故障排除方法 。

某远洋公司船舶主机为 6RT-flex48T-D 型智能电 喷柴油机 。   自 2014 年 4 月接船营运以来，主机 ICU 出 现过故障报警，主机无法正常运行 。

1   故障现象

船舶在锚地准备进港备车时，主机控制系统报警， Flex Viewer 中“JOURNAL”界 面 显 示 No.1 缸 喷 油 定 时 不 正 常 ，No.1 缸喷油量检测故障 ，No.1 缸 流 量 活 塞 故 障，如图 1 所示。其他 5 个缸未见燃油喷射控制单元报 警。主机无法正常运行，在确认警报后，警报消失 。重新 起动主机，在运转过程中相同的警报再次出现，主机自 动降速 。反复试验，警报依旧 。更换 No.1 缸 2 只油头， 报警依然存在，No.1 缸能发火 ，  但 No.1 缸排烟温度远 远低于其他 5 个缸。

2   报警系统和 ICU 工作原理

2.1   ICU 和 FCM-20 的连接

主机故障信号是利用 WECS-9520 并 通 过 现 场 总  线的形式连接和传送的 。WECS-9520 由单块的FCM- 20(Flex Control Module 20)组 建 而 成 ，各 个FCM-20 通  过现场总线连接实现快速通信 。ICU 的报警由 WECS- 9520 的 FCM-20 模块发送到检测报警系统 ，监控报警  系 统 通 过 FCM -20 模 块 的 现 场总线开放接口访问  WECS-9520 。每缸对应 1 个 FCM-20 模块，FCM-20 模  块与 ICU 有关的接口位于图 2 所示的左上角。“inject” 的显示颜色和方式代表不同的故障，喷油量的反馈指示在模块的右边中部 。油量传感信号连接到 FCM-20 的 86-88 接线端子 。主机每缸安装 2 只油头 。1 号喷油共 轨喷油阀，喷油开始时连接 17-20 接线端子，喷油回油 时连接 21-24 接线端子；2 号喷油共轨喷油阀 ，喷油开 始时连接 25-28 接线端子 ，  喷油回油时连接 29-32 接 线端子 。FCM-20 中有关 ICU 的线路连接见图 3。

2.2   ICU 控制燃油喷射的机理

ICU 控制原理见图 4 。ICU 处于非喷油状态时，伺 服共轨电磁阀和喷射控制阀工作在下位 。共轨燃油通 过喷射控制阀的下位进入燃油喷 射流量控制活塞左 部。燃油喷射流量控制活塞的右部连通共轨燃油，由于 活塞左边面积大于右边面积 ，  活塞左边受力大于右边 受力，活塞在压力差的作用下处于活塞缸右部 。活塞缸 左部充满共轨燃油，燃油压力与共轨管燃油压力相同， 燃油喷射流量控制活塞连通油头的管路因喷射控制阀 工作在下位而断开，为喷油做好准备 。

当喷油信号传到共轨电磁阀 ，  共轨电磁阀上部通电，共轨电磁阀工作在上位，共轨伺服控制油进入喷射 控制阀的控制端使内部阀芯动作 ，  喷油控制阀工作在 上位，切断进入喷射控制活塞的燃油，同时接通燃油喷 射流量控制活塞与油头的油路 。  由于此时燃油喷射流 量控制活塞左边的燃油压力大于油头的启阀压力 ，燃 油喷射，活塞缸左部燃油压力下降，活塞缸右部压力油 推动活塞左移 。活塞在左移的过程中，通过行程传感器 将 0 ~ 50 mm 的位移信号转变成 4 ~ 20 mA 的电信号并 反 馈 到 WECS -9520 。   当活塞位移达到设定值时 ， WECS-9520 发出停止喷油信号 。伺服共轨电磁阀恢复 下位工作，伺服控制油泄压，喷射控制阀靠下部弹簧复 位，工作在下位 。活塞左侧和燃油共轨管路接通，与油 头的管路断开 。共轨燃油进入活塞缸左侧，活塞在左右 两侧压力差的作用下恢复到右边位置 ，  活塞缸左侧充 满燃油，开始下次喷油准备 。

燃油喷射的理论过程如图 5 所示。其中，曲线 1 为 喷射曲线，指示自喷油到回油的过程；曲线 2 为指令的 时序线，表明喷油和停油的指令时序 。自喷油指令发出 到喷油开始的这段时间称为开始“喷油滞时”。在得到停 油指令后会有“停油滞时”，继续喷油动作，见曲线 1 的 粗线部分。最大油量传给 WECS-9520，提供实际的燃油 信号。“超调油量”用于补偿燃油指令以达到理想转速 。

图 6 为 主 机 在 MCR 负 荷 时 No.1 缸 的 喷 射 监 控 图，横坐标为时间，纵坐标为反映油量活塞位移的电流 信号 。当喷油指令发出后，喷射死区时间为 10.5 ms，指 从WECS-9520 发出喷射指令后，喷射控制阀尚未动作 的 时 间 ；   活塞移动时位移转化 后 的 电 流 为 4.2 mA， WECS-9520 发出停止喷射指令 ，  活塞位移最大时是 12.4 mA，然 后 向右移动到原先时的位移 ，准 备 下 一 次 喷油 。喷射时间 24.1 ms，2 个油头喷射 。

3   故障原因分析及排除

根 据 ICU 工 作 原 理 ，需要进行以下检查：喷 油 量 活 塞是否卡死 ；  位置传感器是否损坏 ；  燃油是否出现泄漏 ；  共轨阀是否故障 ；  喷射控制阀是否故障等 。Flex Viewer 软件中故 障 分 为：外 部 故 障 、通 道 故 障 、一 般 故 障、气缸故障、共轨压力故障、严重故障 。每种故障标有 不同的警示色，同时提供相应的建议及采取的措施 。有 时某种故障会导致多个报警同时显示 ，  通常第一个报 警需要重点考虑 。

此处故障发生时无外部故障和通道故障显示 ，所 显示的故障为一般故障范畴内的流量活塞故障和喷油 定时故障 。考虑到新船营运时间较短，针对此次出现的 故障，按照由简入繁的原则逐步排除故障 。

3.1   传感器故障排查

首先检查电气线路，检查 ICU 的所有电路连接，发 现油量反馈传感器的插头无松动 。FCM-20 模块上喷射 油量反馈灯如果变为红色指示 ，  可能为传感器的接 线 出现故障，此次没有显示红色指示，故排除接线故障 。

3.2   喷油定时故障排查

导致出现喷油定时故障分为 2 种情况：  一种为喷 油时间太短，另一种为喷油时间太长 。故障的原因一般 为油头的喷射针阀咬死 、裂纹或者卡死 ；  油头油管漏 泄；油头的开启压力太低；共轨阀故障 。

由于本次没有出现共轨阀相关报警 ，  首先排除共 轨阀故障 。2 只油头同时出现故障的可能性较小，也未 有漏油警报出现 。临时更换 2 只油头，对换下的油头试 压，开启压力一只为 346 bar，另一只为 349 bar，未见明 显异常 。

3.3   流量活塞故障排查

流量活塞结构如图 7 所示。活塞故障指示出现的原 因有：动作晚或者没有停油信号；活塞没有移动；活塞卡 在最大位置。燃油共轨阀响应时间太长会导致活塞故障 报警，原因是反馈信号认为活塞出现问题 。燃油共轨阀 的响应时间不应该大于 3 ms ，在 Flex Viewer 软件中查 看到，本故障出现时燃油共轨阀响应时间为 1 ms，故排 除这个原因 。  因为更换新的油头，排除油头不喷油导致 燃油活塞不动的故障。假如活塞卡死，如图 4 所示原理， 喷射控制阀打开时，活塞左边的燃油压力大于油头的喷 射压力，会有部分燃油喷出，当压力小于油头启阀压力， 则没有油喷射。活塞要想向左移动维持喷油，活塞右部的 推力需大于活塞左边的力加上克服活塞卡死的阻力。喷射控制阀关闭时，共轨油又进入活塞缸左部，压力同共 轨燃油一致，如果活塞左右的压力差能克服活塞卡死的 阻力，活塞还会向右部移动，否则活塞不移动。活塞卡死， 只有喷油控制阀打开初期时的短时喷油，其他时间不喷 油 。气缸只有少量油燃烧 。  同此次故障的现象相符 。

3.4   故障排除及预防

首先更换 No.1 缸的 2 只油头 。经分析确定流量活 塞卡死，更换 ICU 模块。图 8 为实船 ICU，在泄放掉燃油 后，整体更换 ICU 。试车，柴油机运转恢复正常。

拆开换下旧件的流量活塞连接件保护套 ，  脱开固 定螺母 ，使传感器同活塞分离 ，用外力移动活塞 ，活 塞 未移动，判断活塞卡死，照相留底后，根据厂家的指导， ICU 整体送厂检修 。

导致活塞卡住的原因一般是存在杂质；  部件受热 不均热胀冷缩；活塞偏磨严重；活塞连接柱塞均压环内 燃油积碳等 。在随后厂家修理完毕返船的检修报告中提到 ，故障原因是“活塞卡 死 ，有杂质和积碳被发现在 活塞与油缸中”。  与现场的判断基本相符 。

此次 ICU 故障在使用过程中较常发生。ICU 模块是 RT-flex 型柴油机的重要部分，主管人员必须熟练掌握 其工作原理和结构，熟练使用 Flex Viewer 软件监控柴油 机状态，及时发现问题隐患 。ICU 模块厂家要求送厂检 修，除需要其他的专业工具和方法外，技术垄断保护也是 其中不可忽视的原因。检修过程其实并没有高深的技术， 像清洁 ICU、测量活塞和油缸的间隙等，都属常规项目， 只是在重新组装后的调试校检需要特殊的设备，如测量 共轨阀的响应时间等，是船上没有配备的 。远洋船舶如 果航行期间出现这种故障，必须通过自己的检修排除故 障，可以把柴油机本身作为测试台 。而像传感器这样的 特殊备件，因不具有可维修性，必须备有充足的备件 。

在日常管理中 ，  共轨燃油的温度要保持在要求范 围内，共轨管的伴温加热要保持良好，防止伴温不好导 致油温变化出现热胀冷缩现象 。伴温效果差会导致燃 油黏度变大，影响活塞移动 。如果长时间不用车，再次 起动前可通过短时泄放燃油，保持燃油均匀性 。此外， 燃油必须保持清洁性，防止杂质混入 。

4   结束语

RT-flex 型柴油机是典型的智能电喷柴油机，能够有效控制排放，具有良好的节油性能，市场占有率越来 越高。轮机主管人员必须掌握电喷柴油机的工作原理， 熟练使用监控操作软件，理解图表和数据的含义 。当主机发生故障时，Flex Viewer 软件会显示相关的警报，轮机主管人员需要综合分析，结合故障现象和监控参数， 找出故障原因并排除 。

来源：航海技术，作者王连海，苑仁民