6RT-flex48T-D 型柴油機燃油控制單元故障分析

0    引言

RT-flex 型 柴 油 機 是 船用二沖程智能電噴柴油機 中典型的機型，被越來越多地應用在遠洋船舶上 。Flex Viewer 軟件可以修改主機的控制參數 ，  實時提供相關 的監(jiān)控數據以及在線幫助功能 。針對典型報警故障，利 用 Flex Viewer 軟 件 ，結合監(jiān)控數據和曲線圖 ，分 析 燃 油 控 制 單 元 (Injection Control Unit，ICU) 工 作 原 理 ，給出比較合理的故障排除方法 。

某遠洋公司船舶主機為 6RT-flex48T-D 型智能電 噴柴油機 。   自 2014 年 4 月接船營運以來，主機 ICU 出 現過故障報警，主機無法正常運行 。

1   故障現象

船舶在錨地準備進港備車時，主機控制系統報警， Flex Viewer 中“JOURNAL”界 面 顯 示 No.1 缸 噴 油 定 時 不 正 常 ，No.1 缸噴油量檢測故障 ，No.1 缸 流 量 活 塞 故 障，如圖 1 所示。其他 5 個缸未見燃油噴射控制單元報 警。主機無法正常運行，在確認警報后，警報消失 。重新 起動主機，在運轉過程中相同的警報再次出現，主機自 動降速 。反復試驗，警報依舊 。更換 No.1 缸 2 只油頭， 報警依然存在，No.1 缸能發(fā)火 ，  但 No.1 缸排煙溫度遠 遠低于其他 5 個缸。

2   報警系統和 ICU 工作原理

2.1   ICU 和 FCM-20 的連接

主機故障信號是利用 WECS-9520 并 通 過 現 場 總  線的形式連接和傳送的 。WECS-9520 由單塊的FCM- 20(Flex Control Module 20)組 建 而 成 ，各 個FCM-20 通  過現場總線連接實現快速通信 。ICU 的報警由 WECS- 9520 的 FCM-20 模塊發(fā)送到檢測報警系統 ，監(jiān)控報警  系 統 通 過 FCM -20 模 塊 的 現 場總線開放接口訪問  WECS-9520 。每缸對應 1 個 FCM-20 模塊，FCM-20 模  塊與 ICU 有關的接口位于圖 2 所示的左上角。“inject” 的顯示顏色和方式代表不同的故障，噴油量的反饋指示在模塊的右邊中部 。油量傳感信號連接到 FCM-20 的 86-88 接線端子 。主機每缸安裝 2 只油頭 。1 號噴油共 軌噴油閥，噴油開始時連接 17-20 接線端子，噴油回油 時連接 21-24 接線端子；2 號噴油共軌噴油閥 ，噴油開 始時連接 25-28 接線端子 ，  噴油回油時連接 29-32 接 線端子 。FCM-20 中有關 ICU 的線路連接見圖 3。

2.2   ICU 控制燃油噴射的機理

ICU 控制原理見圖 4 。ICU 處于非噴油狀態(tài)時，伺 服共軌電磁閥和噴射控制閥工作在下位 。共軌燃油通 過噴射控制閥的下位進入燃油噴 射流量控制活塞左 部。燃油噴射流量控制活塞的右部連通共軌燃油，由于 活塞左邊面積大于右邊面積 ，  活塞左邊受力大于右邊 受力，活塞在壓力差的作用下處于活塞缸右部 。活塞缸 左部充滿共軌燃油，燃油壓力與共軌管燃油壓力相同， 燃油噴射流量控制活塞連通油頭的管路因噴射控制閥 工作在下位而斷開，為噴油做好準備 。

當噴油信號傳到共軌電磁閥 ，  共軌電磁閥上部通電，共軌電磁閥工作在上位，共軌伺服控制油進入噴射 控制閥的控制端使內部閥芯動作 ，  噴油控制閥工作在 上位，切斷進入噴射控制活塞的燃油，同時接通燃油噴 射流量控制活塞與油頭的油路 。  由于此時燃油噴射流 量控制活塞左邊的燃油壓力大于油頭的啟閥壓力 ，燃 油噴射，活塞缸左部燃油壓力下降，活塞缸右部壓力油 推動活塞左移 。活塞在左移的過程中，通過行程傳感器 將 0 ~ 50 mm 的位移信號轉變成 4 ~ 20 mA 的電信號并 反 饋 到 WECS -9520 。   當活塞位移達到設定值時 ， WECS-9520 發(fā)出停止噴油信號 。伺服共軌電磁閥恢復 下位工作，伺服控制油泄壓，噴射控制閥靠下部彈簧復 位，工作在下位 。活塞左側和燃油共軌管路接通，與油 頭的管路斷開 。共軌燃油進入活塞缸左側，活塞在左右 兩側壓力差的作用下恢復到右邊位置 ，  活塞缸左側充 滿燃油，開始下次噴油準備 。

燃油噴射的理論過程如圖 5 所示。其中，曲線 1 為 噴射曲線，指示自噴油到回油的過程；曲線 2 為指令的 時序線，表明噴油和停油的指令時序 。自噴油指令發(fā)出 到噴油開始的這段時間稱為開始“噴油滯時”。在得到停 油指令后會有“停油滯時”，繼續(xù)噴油動作，見曲線 1 的 粗線部分。最大油量傳給 WECS-9520，提供實際的燃油 信號。“超調油量”用于補償燃油指令以達到理想轉速 。

圖 6 為 主 機 在 MCR 負 荷 時 No.1 缸 的 噴 射 監(jiān) 控 圖，橫坐標為時間，縱坐標為反映油量活塞位移的電流 信號 。當噴油指令發(fā)出后，噴射死區(qū)時間為 10.5 ms，指 從WECS-9520 發(fā)出噴射指令后，噴射控制閥尚未動作 的 時 間 ；   活塞移動時位移轉化 后 的 電 流 為 4.2 mA， WECS-9520 發(fā)出停止噴射指令 ，  活塞位移最大時是 12.4 mA，然 后 向右移動到原先時的位移 ，準 備 下 一 次 噴油 。噴射時間 24.1 ms，2 個油頭噴射 。

3   故障原因分析及排除

根 據 ICU 工 作 原 理 ，需要進行以下檢查：噴 油 量 活 塞是否卡死 ；  位置傳感器是否損壞 ；  燃油是否出現泄漏 ；  共軌閥是否故障 ；  噴射控制閥是否故障等 。Flex Viewer 軟件中故 障 分 為：外 部 故 障 、通 道 故 障 、一 般 故 障、氣缸故障、共軌壓力故障、嚴重故障 。每種故障標有 不同的警示色，同時提供相應的建議及采取的措施 。有 時某種故障會導致多個報警同時顯示 ，  通常第一個報 警需要重點考慮 。

此處故障發(fā)生時無外部故障和通道故障顯示 ，所 顯示的故障為一般故障范疇內的流量活塞故障和噴油 定時故障 。考慮到新船營運時間較短，針對此次出現的 故障，按照由簡入繁的原則逐步排除故障 。

3.1   傳感器故障排查

首先檢查電氣線路，檢查 ICU 的所有電路連接，發(fā) 現油量反饋傳感器的插頭無松動 。FCM-20 模塊上噴射 油量反饋燈如果變?yōu)榧t色指示 ，  可能為傳感器的接 線 出現故障，此次沒有顯示紅色指示，故排除接線故障 。

3.2   噴油定時故障排查

導致出現噴油定時故障分為 2 種情況：  一種為噴 油時間太短，另一種為噴油時間太長 。故障的原因一般 為油頭的噴射針閥咬死 、裂紋或者卡死 ；  油頭油管漏 泄；油頭的開啟壓力太低；共軌閥故障 。

由于本次沒有出現共軌閥相關報警 ，  首先排除共 軌閥故障 。2 只油頭同時出現故障的可能性較小，也未 有漏油警報出現 。臨時更換 2 只油頭，對換下的油頭試 壓，開啟壓力一只為 346 bar，另一只為 349 bar，未見明 顯異常 。

3.3   流量活塞故障排查

流量活塞結構如圖 7 所示。活塞故障指示出現的原 因有：動作晚或者沒有停油信號；活塞沒有移動；活塞卡 在最大位置。燃油共軌閥響應時間太長會導致活塞故障 報警，原因是反饋信號認為活塞出現問題 。燃油共軌閥 的響應時間不應該大于 3 ms ，在 Flex Viewer 軟件中查 看到，本故障出現時燃油共軌閥響應時間為 1 ms，故排 除這個原因 。  因為更換新的油頭，排除油頭不噴油導致 燃油活塞不動的故障。假如活塞卡死，如圖 4 所示原理， 噴射控制閥打開時，活塞左邊的燃油壓力大于油頭的噴 射壓力，會有部分燃油噴出，當壓力小于油頭啟閥壓力， 則沒有油噴射。活塞要想向左移動維持噴油，活塞右部的 推力需大于活塞左邊的力加上克服活塞卡死的阻力。噴射控制閥關閉時，共軌油又進入活塞缸左部，壓力同共 軌燃油一致，如果活塞左右的壓力差能克服活塞卡死的 阻力，活塞還會向右部移動，否則活塞不移動。活塞卡死， 只有噴油控制閥打開初期時的短時噴油，其他時間不噴 油 。氣缸只有少量油燃燒 。  同此次故障的現象相符 。

3.4   故障排除及預防

首先更換 No.1 缸的 2 只油頭 。經分析確定流量活 塞卡死，更換 ICU 模塊。圖 8 為實船 ICU，在泄放掉燃油 后，整體更換 ICU 。試車，柴油機運轉恢復正常。

拆開換下舊件的流量活塞連接件保護套 ，  脫開固 定螺母 ，使傳感器同活塞分離 ，用外力移動活塞 ，活 塞 未移動，判斷活塞卡死，照相留底后，根據廠家的指導， ICU 整體送廠檢修 。

導致活塞卡住的原因一般是存在雜質；  部件受熱 不均熱脹冷縮；活塞偏磨嚴重；活塞連接柱塞均壓環(huán)內 燃油積碳等 。在隨后廠家修理完畢返船的檢修報告中提到 ，故障原因是“活塞卡 死 ，有雜質和積碳被發(fā)現在 活塞與油缸中”。  與現場的判斷基本相符 。

此次 ICU 故障在使用過程中較常發(fā)生。ICU 模塊是 RT-flex 型柴油機的重要部分，主管人員必須熟練掌握 其工作原理和結構，熟練使用 Flex Viewer 軟件監(jiān)控柴油 機狀態(tài)，及時發(fā)現問題隱患 。ICU 模塊廠家要求送廠檢 修，除需要其他的專業(yè)工具和方法外，技術壟斷保護也是 其中不可忽視的原因。檢修過程其實并沒有高深的技術， 像清潔 ICU、測量活塞和油缸的間隙等，都屬常規(guī)項目， 只是在重新組裝后的調試校檢需要特殊的設備，如測量 共軌閥的響應時間等，是船上沒有配備的 。遠洋船舶如 果航行期間出現這種故障，必須通過自己的檢修排除故 障，可以把柴油機本身作為測試臺 。而像傳感器這樣的 特殊備件，因不具有可維修性，必須備有充足的備件 。

在日常管理中 ，  共軌燃油的溫度要保持在要求范 圍內，共軌管的伴溫加熱要保持良好，防止伴溫不好導 致油溫變化出現熱脹冷縮現象 。伴溫效果差會導致燃 油黏度變大，影響活塞移動 。如果長時間不用車，再次 起動前可通過短時泄放燃油，保持燃油均勻性 。此外， 燃油必須保持清潔性，防止雜質混入 。

4   結束語

RT-flex 型柴油機是典型的智能電噴柴油機，能夠有效控制排放，具有良好的節(jié)油性能，市場占有率越來 越高。輪機主管人員必須掌握電噴柴油機的工作原理， 熟練使用監(jiān)控操作軟件，理解圖表和數據的含義 。當主機發(fā)生故障時，Flex Viewer 軟件會顯示相關的警報，輪機主管人員需要綜合分析，結合故障現象和監(jiān)控參數， 找出故障原因并排除 。