基于HCU_Events曲..._ME-C型柴油机故障诊断_杜守志.pdf

2023 年 1 月航海技术第 1 期基于 HCU Events 曲线的 MAN BW ME-C型柴油机故障诊断杜守志(中远海运船员管理有限公司上海分公司)随着电喷柴油机的引入，柴油机控制系统日趋复杂，智能化程度不断提高，设备复杂同时也伴随着故障率上升。船舶航行于海上，特别是目前受新型冠状病毒感染影响，各港口控制措施严格，船舶得到岸基维修难度加大，船舶柴油机一旦出现故障，船员无法及时处理造成停机，轻则延误船期造成经济损失，重则危害船上人员生命财产安全，因此研究如何利用有限信息对柴油机快速故障排查有很大意义。1ME-C 型电喷柴油机 HCU Events 曲线介绍MAN BW ME-C 型柴油机开发了计算机控制监测 诊 断 系 统(Computer Controlled Surveillance-Engine Diagnostics System，CoCoS-EDS)及主操作面板(Main Operation Panel，MOP)内置电喷柴油机控制系统(Engine Control System)ME-ECS SW 软件结合多功能控制器(Multi-Purpose Controller，MPC)内部监控功能对柴油机状态实时监测，当故障发生时及时通过发动机接口控制单元(Engine InterfaceControl Unit，EICU)发出报警，同时提示故障发生可能原因。在 MOP B 里还有一个很有力的辅助工具就是液压控制单元(Hydraulic Control Unit，HCU)事件记录，可以在 MOP 上面查看。使用 HCU Events曲线 判 断 故 障 需 要 对 燃 油 喷 射 阀 驱 动(FuelInjection Valve Actuation，FIVA)的控制信号、反馈信号，排气阀和燃油升压器的反馈信号有较深的理解，本文以如何使用该曲线图进行快速故障诊断作详细介绍。1.1HCU Events 各曲线介绍在系统发生故障时，HCU Events 对其前后 5 s内各监控点的电流信号生成曲线图，轮机员可以通过此曲线图全面了解在此阶段时间内各主要部件的工作情况。正常状态曲线见图 1。图 1HCU Events 正常状态曲线如图 1 所示:FIVA 主阀设定点电流曲线是FIVA 主阀设定点电流曲线，以毫米为单位设定，其信号来源于气缸控制单元(Cylinder Control Unit，CCU);FIVA 位置反馈电流曲线是 FIVA 位置反馈电流曲线，其主要用来判断 FIVA 具体动作情况，FIVA 主阀设定电流曲线和 FIVA 位置反馈电流曲线在正常情况下应该是重合的，一般机械延迟导致给定曲线与反馈曲线之间存在细微的偏差是正常的，但是偏差大的时候，可能是由 MPC 板或者导阀故障引起的1;FIVA 控制阀电流信号曲线是 FIVA控制阀(导阀)电流信号，其电流信号来源于 CCU单元，如果此曲线异常可考虑是 MPC 板或者导阀故障;燃油升压器柱塞位移曲线是燃油升压器柱塞位移曲线，正常曲线状态如图中所示，当燃油升压器故障时该曲线位置与正常相比会异常(表示升压器动作幅度异常或者升压器位置传感器故障)、与正常相比下降沿增加(表示升压器回程延长);排气阀位置曲线是排气阀位移曲线，正常曲线走势也就是排气阀正常动作状态，当曲线上升速度快、持续时间短、下降沿变缓等都表示排气阀动作存在异常;角度编码器信号曲线是角度编码器信号设定曲线，以秒为单位设定，该曲线一般不大会出现异常，当曲轴角度解码器故障时曲线会异常。由于几个曲线内FIVA 主阀设定点电流曲线较为复杂且能详细反映柴油机一个工作循环过程，下文结合该曲线对柴油机一个工作循环内 FIVA 阀动作过程详细分析。1.2FIVA 阀设定值曲线分析1 2 1喷油过程分析HCU Events 工作曲线见图 2。图 2HCU Events 工作曲线12:CCU 单元给 FIVA 导阀(下文类同)发指令，电流值介于 8 12 mA 之间，FIVA 主阀有个很小的向下位移，少量液压油通过内部油道进入燃油升压器底部排除气体，为即将到来的喷油做准备，该段时间非常短。23:导阀电流值大于 12 mA，主阀继续向下位移，此时主阀流通面积迅速增大，燃油升压器柱塞受到液压油作用迅速上移到指定行程，该行程由导阀通电持续时长决定，为主喷阶段，从图上看出燃油升压器的反馈信号与主阀移动还是存在一定的位移差，主要由于建压过程有迟滞性。34:导阀电流值小于 8 mA，主阀上移到中间位置，关闭进燃油升压器驱动液压油，喷油结束，燃油升压器柱塞开始下行。45:主阀保持在中位，燃油升压器柱塞在压差作用下继续下行，但喷油泄放口开启很小，此段也可以从燃油升压器柱塞位移曲线看出。56:导阀电流值小于 8 mA，主阀继续上移一小段，喷油泄放孔全部打开，主阀喷油流通面积迅速增大，柱塞回到最低位置，同时排气阀泄放口关闭，为排气阀开启做准备。1 2 2排气阀开启过程分析67:导阀电磁阀电流值介于 8 12 mA，主阀保持不动，准备开启排气阀。78:导阀电磁阀电流值小于 8 mA，主阀上移到最大位置，此阶段为排气阀开启阶段。89:主阀继续保持在此位置，排气阀快速打开。910:导阀电流值大于 12 mA，主阀下移一小段，继续保持排气阀开启，此段是为了防止排气阀开43航海技术第 1 期启过大，减小开阀冲击力。1011:主阀保持在此位置，排气阀持续保持开启。1112:导阀接受 CCU 指令，导阀电流大于 12mA，主阀下移一小段，排气阀开始关闭。1213:主阀不动，排气阀继续关闭，排气阀泄放口只打开很小，此阶段为了减少排气阀落座冲击。1314:导阀电流值大于 12 mA，主阀继续向下移动到中位偏上一点，排气阀泄放口打开，喷油泄放口开启一小部分，进入喷油准备阶段。至此，一个工作循环结束。在对 HCU Events 曲线详细了解后，当电喷柴油机发生故障后，我们可以第一时间查看故障发生前后 5 s 内 HCU 主要部件工作趋势图，与正常曲线比较，以便快速锁定故障。为了柴油机工作安全，电喷柴油机当排气阀或者FIVA 阀故障后一般该缸会自动切断供油，燃油升压器和排气阀工作曲线将会变化，在应用中需要加以区分。2故障案例2.1案例 1某船主机型号 MAN BW 12K98ME-7，某日航行途 中 主 机 EICU 单 元 发 出“Fuel Plunger Noteturned-CCU6”燃油柱塞未回位警报，后发展为主机 No 6 缸燃油升压器柱塞行程太大报警，且该缸不发火。2 故障发生时候 HCU Events 曲线见图 3。图 3HCU Events 燃油升压器故障曲线一般，燃油升压器柱塞行程大和回程变慢可能有以下几个原因。1)FIVA 导阀和主阀阀芯卡阻动作迟缓，导致燃油升压器开度过大和回程过慢，此原因 FIVA 位置反馈电流应该有异常，会和 FIVA 设定点曲线分离。2)MPC 板指令异常或者和 FIVA 之间信号传递存在异常，此现象 FIVA 反馈信号曲线、FIVA 控制阀曲线应该也存在异常。3)燃油升压器本体故障，如:吸油阀卡在关闭位置、燃油升压器位置传感器零位漂移、伞形罩(防油罩)于柱塞连接处松动，上部柱塞由于燃油颗粒磨粒磨损导致动作存在阻力，下部液压活塞异常磨损或者燃油泄漏导致活塞运动周围积碳运动卡阻等。故障发生后船端按常规方法排查故障，首先封缸更换 FIVA 导阀，换好复位后故障未消除，排除导阀原因，然后更换燃油升压器的位置传感器，故障没有消除，最后决定更换 FIVA 阀，故障依然未消除。根据以上分析的几个原因，决定更换该缸 MPC 板，MPC 板换好重启后，还是依然会出现以上报警。排除以上几个原因后，故障基本锁定在燃油升压器本体上，首先更换吸油阀，确定是否由于吸油阀卡住所致，更换后依然在报警，决定维持目前局面到港后更换燃油升压器本体，船舶抵港后更换燃油升压器后试车航行报警未出现，故障排除。事后针对当时船端提供的 HCU Events 曲线可以发现，故障发生后 No 6 缸燃油升压器柱塞电流值明显偏大，正常数值在5 000 10 000 左右而图中显示数值已经大于 10 000，而且曲线下降明显变缓、斜率变大，可以推断燃油升压器回程存在阻力。经过船方处理，最后确认是燃油升压器液压柱塞套筒上部 2 道密封令老化失效，燃油漏入，引起积碳液压柱塞卡阻进而拉毛。液压柱塞落座迟缓，单循环供油量无法满足，CCU 单元会发指令增大喷油量进而引起柱塞升程变大，出现报警。若是当时船上能重视该曲线的应用，应该在故障排查上更快一些。2.2案例 2某船主机型号 MAN BW 8L90ME-C10.2，某日航行途中主机突发“Exhaust Valve Closing Too SlowCCU8-03023315”报警，随即主机自动减速，查看相关报警记录及 MOP B 内部故障发生时 HCU Events曲线(见图 4)。判断故障应该是出现在排气阀系统相关部件，分析可能有如下几个原因:1)排气阀传感器故障，如传感器探头脏污、接线松脱、与传感器连接的电缆短路等。2)排气阀驱动器故障，如内部柱塞磨损卡阻、驱动器上部低压滑油进口单向阀故障。53第 1 期杜守志:基于 HCU Events 曲线的 MAN BW ME-C 型柴油机故障诊断图 4HCU Events 排气阀故障曲线3)FIVA 阀及导阀故障、MPC 板故障、排气阀驱动器液压油泄放慢，导致排气阀关闭阻力大，蓄压器膜片损坏、压力不足，此故障 FIVA 反馈曲线也会异常。4)排气阀液压油管故障，如油管接触面漏油、油管弯头处裂纹漏油等。5)排气阀本体故障，如排气阀本体节流塞堵塞、安全阀弹簧断裂密封令失效漏油、排气阀空气止回阀损坏、排气阀气腔内部密封令磨损导致空气压力无法满足关阀需求等。根据 HCU Events 曲线分析该排气阀开启行程电流值比正常值偏大很多，说明排气阀开启时空气弹簧的阻尼作用大大削弱，但排气阀迅速开启可排除驱动器油管等液压腔室部件损坏，且排气阀关闭慢报警，所以基本可以断定排气阀关阀的动力不足，空气弹簧压力低或者空气腔室存在泄漏。排查最终结果发现排气阀阀杆处密封胶木令(备件号 343A-21)磨损，关闭排气阀的空气压力无法维持，导致排气阀关闭慢报警。此胶木令质量要求比较高，若是发现损坏，航行中停车后可以采取现场解体方式更换。目前电喷柴油机排气阀故障率非常高，在平时保养中，需及时按保养周期对排气阀进行检修，一般在 28 000 32 000 h，1 2 个月对排气阀做 1 次气密性试验。液压油和系统滑油没有分开的系统排气阀的节流塞，比较容易堵塞，平时需经常打开检查清通。遇到排气阀故障报警时，首先区分是开启还是关闭，开启和关闭都有相应的行程高和行程低两种状态报警，对于关闭问题主要排查空气侧，对于开启问题主要排查动力滑油侧，遵循先易后难原则。3结束语柴油机故障诊断过程有很大的不确定性和随机性，需要船舶一线人员有丰富的处理故障知识储备，平时一线人员在工作中借助可能的状态参数和故障报警信息等对故障机理、故障现象、故障原因进行分析总结，积累经验。本文介绍的 HCU Events 曲线图，是一种在故障发生后的排查方法，HCU Events不仅可以在 MOP 上面查看，也可以保存为“dat”格式文件，使用小程序软件打开后可以分析判断TACHO、FIVA 阀、燃油升压器、排气阀系统的工作情况，此格式文件存量小，也可以发送管理公司由技术主管等查看分析。在设备正常运转的情况下，在MOP B 中建议对各缸控制阀手动标绘一个趋势曲线，日后可以使用该曲线判断相关故障。当发生故障时柴油机会及时通过 EICU 单元发出报警，故障发生后 MOP 会提示相应的故障发生可能的原因，一线人员还可以通过主操作面板维护保养功能测试，基本都能找到问题发生的原因并自行解决。在故障排查中若是对该曲线了解较多，有利于及时找出HCU 中存在故障的部件，可以避免盲目排查。平时可以借助 MAN BW 提供的 CoCoS-EDS和 PMI 在线性能监测软件，结合主机运转参数及各种传感器信息来监视、诊断、预测和管理柴油机状态，准确评估柴油机的健康状况，通过故障预测和健康管理减少故障发生的概率，提高系统稳定性和可靠性，降低维修成本，这也是当前需要重点关注和研究的课题。参考文献 1上海市航海学会 船舶主流机型服务手册(2019 版)M 上海:上海科学技术出版社，2019 2陈启云 主机燃油升压器故障实例J 航海技术，2020(1):33-34作者简介:杜守志，轮机长，(Email)haizhizi_du163 com63航海技术第 1 期