0    引言

WARTSILA 電 控 柴 油主機(jī)核心部件是 WECS - 9520 控制系統(tǒng)，由多功能 FCM-20 模塊單元、輔助控制 單 元 WECS -assistant 和各種傳感器組成 。  WECS - assistant 是人機(jī)交互窗口，提供強(qiáng)大的故障診斷和檢測(cè) 功能，主機(jī)的電子故障 、機(jī)械故障等必須依靠該系統(tǒng)判 斷和檢測(cè)，為快速發(fā)現(xiàn)、排除故障提供支持 。

輪機(jī)管理人員往往使用故障提示功能 ，   即主機(jī)出 現(xiàn)故障減速或停車后才用到該功能 ，  沒有提前使用輔 助控制單元的曲線特征分析和判斷故障 ，  在復(fù)雜航道 航行時(shí)容易給船舶帶來安全隱患 。因此，輪機(jī)管理人員 需定時(shí)查看各曲線，通過曲線特征提前判斷主機(jī)故障 。本文以主機(jī)運(yùn)行中常用的排氣閥曲線為例進(jìn)行研究 ， 供行業(yè)同人參考 。

1   排氣閥曲線

輔助控制單元提供同在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)各氣缸的 排氣閥開啟曲線和排氣閥關(guān)閉曲線，見圖 1 和 2 。輪機(jī) 員可隨時(shí)對(duì)各缸排氣閥曲線進(jìn)行掃描 、打印 。曲線精確 地記錄各缸排氣閥從 FCM-20 發(fā)出控制指令開始 ，到 排氣閥完成指令動(dòng)作終止，每個(gè)時(shí)刻的實(shí)時(shí)動(dòng)作狀態(tài) 。曲線圖檢測(cè)由對(duì)應(yīng)各缸的 FCM-20 模塊控制，為方便區(qū) 分可疑缸與正常缸排氣閥的曲線 ，  各缸排氣閥曲線都 放在同一坐標(biāo) 。正常的排氣閥曲線應(yīng)該是清晰光滑的， 各參數(shù)指標(biāo)都在正常范圍內(nèi) 。不正常的曲線發(fā)展到故 障減速報(bào)警時(shí)需要一段時(shí)間，如果輪機(jī)員利用這段時(shí)間 妥善處理電控柴油機(jī)的故障，那么采用視情的維修方式 非常有效 。  當(dāng)然，輪機(jī)員要對(duì)各缸曲線進(jìn)行正確分析， 對(duì)排氣閥的工作原理和曲線參數(shù)特征有清晰的認(rèn)識(shí) 。

1.1   排氣閥工作原理

FCM-20 模塊單元通過同步串行通信總線(SSI)接 收曲柄角度傳感器傳來的曲柄角度信號(hào) ，  并通過內(nèi)部 軟件計(jì)算排氣閥開啟角度 。  當(dāng)曲柄角度到達(dá)排氣閥開 啟角度時(shí)，F(xiàn)CM-20 模塊發(fā)出控制信號(hào)使排氣共軌閥得 電 ，排氣共軌閥上位通 ，液壓油作用排氣控制閥 ，排 氣 控制閥上位通，100 ~ 200 bar 的液壓油進(jìn)入驅(qū)動(dòng)裝置下 部，克服彈簧空氣阻力并推動(dòng)排氣閥向下打開；當(dāng)曲柄 角度到達(dá)排氣閥關(guān)閉角度時(shí)，F(xiàn)CM-20 模塊控制信號(hào)使 排氣共軌閥下位通，排氣控制閥也下位通，驅(qū)動(dòng)裝置下 部的液壓油流回曲軸箱 ，  排氣閥在彈簧空氣的作用下 關(guān)閉排氣閥 。排氣閥工作原理見圖 3。

1.2   排氣閥曲線參數(shù)

輔助控制單元提供的排氣閥開啟 曲線和排氣閥關(guān) 閉曲線由安裝在排氣閥頂部的 2 個(gè)冗余位置傳感器檢 測(cè) 。在排氣閥上 、下開關(guān)動(dòng)作時(shí)，排氣閥上的倒錐形錐 面與傳感器的距離發(fā)生改變 ，  通過位置傳感器對(duì)不同

距離的處理，轉(zhuǎn)變?yōu)?4 ~ 20 mA 電流的模擬量信號(hào)反饋 給對(duì)應(yīng)氣缸 FCM-20 模塊，表示排氣閥所處的位置，最 終通過輔助控制單元顯示 。

在輔助控制單元 ，  可隨時(shí)在線監(jiān)測(cè)各氣缸 1 個(gè)工 作循環(huán)的排氣閥開啟和關(guān)閉曲線 。理想狀態(tài)各氣缸的 排氣閥曲線在同一個(gè)工作循環(huán)應(yīng)該重合 ，  但實(shí)際各氣 缸曲線會(huì)有一些差異 。為表示排氣閥曲線差異的大小， 排氣閥開關(guān)曲線設(shè)置 2 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：open dead time(排 氣閥開啟 延 遲 時(shí) 間 )和 close dead time(排 氣 閥 關(guān) 閉 延 遲 時(shí) 間)。  open dead time 指 FCM-20 發(fā)出開啟排氣閥 指令開始，到排氣閥打開時(shí)間終止這段延遲的時(shí)間 ，計(jì) 算排氣閥打開時(shí)間以排氣閥約 15%的 行 程 為 終 止 ，此 時(shí)的模擬量電流值為 threshold(臨界值)。  由圖 1 可知， open dead time 是從 FCM-20 發(fā)出開啟指令開始 ，到排 氣閥模擬量電流為 14.1 mA 的臨界值這段時(shí)間 。同理， close dead time 指 FCM-20 發(fā)出關(guān)閉排氣閥指令開始， 到排氣閥關(guān)閉時(shí)間終止這段延遲的時(shí)間 ，  計(jì)算排氣閥 關(guān)閉時(shí)間以排氣閥約 85%的行程為終止 。每個(gè)工作循 環(huán)排氣閥開啟和關(guān)閉的延遲時(shí)間是 FCM-20 模塊對(duì)下 一工作循環(huán)延遲時(shí)間進(jìn)行校正 ，  作為補(bǔ)償延遲時(shí)間的 依據(jù)，以更加準(zhǔn)確地控制排氣閥開關(guān) 。

排氣閥曲線的斜率是另一個(gè)重要的參數(shù)指標(biāo) ，能 直觀地反應(yīng)排氣閥動(dòng)作快慢 。同時(shí)，與排氣閥延遲時(shí)間 相互聯(lián)系，斜率大，排氣閥動(dòng)作快，排氣閥延遲時(shí)間短；相反，斜率小，排氣閥動(dòng)作慢，排氣閥延遲時(shí)間長 。

1.3   排氣閥故障曲線分析

由排氣閥的工作過程分析 ，  排氣閥延遲時(shí)間包括 共軌電磁閥的閥芯動(dòng)作時(shí)間 、排氣控制閥動(dòng)作時(shí)間 、驅(qū) 動(dòng)裝置動(dòng)作時(shí)間以及排氣閥的動(dòng)作時(shí)間等 。如果某缸 close dead time 或 open dead time 的任意一個(gè)值超出系 統(tǒng)內(nèi)部軟件設(shè)定的值 ，   同時(shí)曲線斜率與其他缸有較大 區(qū)別，那么說明排氣閥系統(tǒng)出現(xiàn)故障，影響排氣閥正常 工作或者排氣閥定，輔助控制單元將發(fā)出報(bào)警，同時(shí)安 保系統(tǒng)對(duì)主機(jī)進(jìn)行自動(dòng)降速 。排氣閥故障的警報(bào)如下 。

(1)exhaust valve open too late 。出現(xiàn)這種警報(bào)的氣 缸，在曲線上顯示的 open dead time 會(huì)明顯超出各氣缸 的平均值，整條曲線的斜率也偏小 。

 (2)exhaust valve close too late 。出現(xiàn)這種警報(bào)的氣 缸，在曲線上顯示的 close dead time 會(huì)明顯超出各氣缸 的平均值，整條曲線的斜率也偏小 。

  (3)exhaust valve close too early 。  出現(xiàn)這種警報(bào)的 氣缸，在曲線上顯示的 close dead time 會(huì)明顯小于各氣 缸的平均值，整條曲線的斜率也偏大 。在傳統(tǒng)主機(jī)上， 認(rèn)為排氣閥關(guān)閉迅速是有利的；但在電噴主機(jī)上，排 氣 閥的關(guān)閉不能太早，否則將導(dǎo)致單缸停油，主機(jī)減速 。

  (4)on time open/close abnormal。On time open/close 指排氣共軌閥的電磁閥接收到指令 ，  到電磁閥開始動(dòng) 作的響應(yīng)時(shí)間 。電磁閥有低電壓(24 V)大電流(50 A 左 右 ) 的 特 點(diǎn) ，為 防止頻繁動(dòng)作的電磁閥燒壞 ，On time open/close 一般在 2.5 ms 內(nèi) 。  出現(xiàn)這種警報(bào)的氣缸，排 氣閥曲線的延遲時(shí)間會(huì)增加 ，  原因是電磁閥閥芯卡阻 或線圈燒毀 。

1.4   排氣閥故障報(bào)警原因分析

排氣閥的開啟，相當(dāng)于 1 個(gè)液壓活塞的動(dòng)作過程， 影響伺服油供給和泄漏的因素都會(huì)影響排氣閥的動(dòng)作 時(shí)間。

由圖 3 可知 ，  位于排氣閥上 2 個(gè)液壓油節(jié)流孔的 狀況會(huì)影響排氣閥的動(dòng)作時(shí)間 。如果節(jié)流孔 1 臟堵，那 么為驅(qū)動(dòng)裝置頂部空間補(bǔ)油的速度變慢 ，  在上部腔室 液壓油不足的情況下 ，  排氣閥動(dòng)作延遲 ，  導(dǎo)致該氣缸 open dead time 變長，排氣閥開啟曲線斜率變小 。排氣 閥頂部液壓油節(jié)流孔 2 可防止排氣閥在關(guān)閉情況下的 液壓沖擊，理論上，其與補(bǔ)油節(jié)流孔 1 的孔徑相同 。如 果該節(jié)流孔臟堵 ，  一方面會(huì)發(fā)生排氣閥關(guān)閉時(shí)頂部液 壓敲擊聲，另一方面排氣閥的關(guān)閉動(dòng)作變慢，導(dǎo)致排氣 閥 close dead time 變長 ，排氣閥關(guān)閉曲線斜率變小 ，嚴(yán) 重時(shí)發(fā)生 exhaust valve close too late 的警報(bào) 。

在排氣閥控制單元內(nèi)部還有 2 個(gè)節(jié)流孔和 1 個(gè)濾 器，其臟堵引起的故障分析與上述相似，不贅述 。

在排氣閥彈簧空氣管路還有 1 個(gè)節(jié)流孔 3，當(dāng)排氣 閥空氣彈簧的氣密失效，就會(huì)有滑油漏進(jìn)空氣腔室，并 污染空氣管路 ，時(shí)間長了還會(huì)堵塞節(jié)流孔 3(見 圖 4)。當(dāng)排氣閥開啟時(shí)，彈簧空氣在腔室內(nèi)不能通過節(jié)流孔 3 得 到 釋 放 ，  空 氣 壓 力 變 大 ，  氣閥打開速度變慢 ，open dead time 變長，排氣閥開啟曲線斜率變??；當(dāng)排氣閥關(guān) 閉時(shí) ，由于空氣彈簧壓力大 ，排氣閥關(guān)閉速度快 ，close dead time 變小，排氣閥關(guān)閉曲線斜率變大 。

節(jié)流孔常見故障為臟堵，由于系統(tǒng)介質(zhì)是滑油，節(jié) 流孔吹蝕的情況一般不會(huì)發(fā)生 。在排氣閥開啟時(shí)間不 正常報(bào)警時(shí)，首先懷疑節(jié)流孔發(fā)生臟堵 。節(jié)流孔的清洗 十分簡(jiǎn)單，方便排除故障 。

除上述液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和彈簧空氣系統(tǒng)的原因?qū)е?排氣閥動(dòng)作不正常外 ，  排氣閥本身的機(jī)械故障也會(huì)導(dǎo) 致曲線不正常 。排氣閥的機(jī)械卡阻主要是排氣閥桿與 導(dǎo)套密封不良，燃?xì)馍细Z；彈簧空氣腔室內(nèi)空氣夾帶滑 油 ，造成油泥集聚在閥桿周圍 ，排氣閥動(dòng)作出現(xiàn)卡阻 、延遲。排氣閥的 open dead time 和 close dead time 都會(huì) 變長，曲線斜率都變小 。

在實(shí)踐中，排氣閥故障曲線還有不穩(wěn)定的跳針型。根據(jù)排氣閥工作原理，跳針型曲線表示排氣閥在向下打開的過程中會(huì)頻繁地向上運(yùn)動(dòng)，但實(shí)際中不會(huì)發(fā)生這樣的情況。這應(yīng)該是干擾信號(hào)電流也在 4 ～ 20 mA 內(nèi)，而FCM-20 單元不能識(shí)別干擾信號(hào)，實(shí)際上是位置傳感器本身的故障。位置傳感器每缸有前后 2 個(gè)，如果其中 1個(gè)損壞將發(fā)出警報(bào)，但不影響正常工作；如果 2 個(gè)都損壞，F(xiàn)CM-20 根據(jù)固有的內(nèi)部程序，仍然發(fā)出控制排氣閥開關(guān)的指令，排氣閥仍能工作，但不能對(duì)排氣閥啟閉狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也不能對(duì)排氣閥定時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

2 幾點(diǎn)建議

伺服油系統(tǒng)的清潔度對(duì)排氣閥液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響很大，日常管理時(shí)要密切注意保持伺服油干凈、清潔。

（1）保持伺服油自動(dòng)濾器工作正常，注意日常沖洗次數(shù)。如果每天沖洗次數(shù)在 20 次以上，說明系統(tǒng)油質(zhì)變差，應(yīng)進(jìn)行有效凈化。

（2）伺服油濾器濾芯對(duì)主滑油泵輸送的滑油進(jìn)行二次過濾（6 μm），容易臟堵，要嚴(yán)格按照說明書的規(guī)定定期清洗濾芯。

（3）保持系統(tǒng)中節(jié)流孔干凈，根據(jù)伺服油的潔凈度定期清潔。

（4）定期化驗(yàn)滑油油質(zhì)，監(jiān)控滑油狀況。條件許可時(shí)，最好將伺服油與系統(tǒng)滑油分開，系統(tǒng)獨(dú)立，有利于保持伺服油的潔凈度。

（5）在節(jié)能減排的當(dāng)下，適當(dāng)縮短排氣閥的解體保養(yǎng)時(shí)間，避免機(jī)械卡阻。主機(jī)運(yùn)行時(shí)，每天要對(duì)彈簧空氣徹底放殘，防止閥桿積碳。

（6）定期查看排氣閥曲線，在出現(xiàn)主機(jī)故障減速前出現(xiàn)主機(jī)故障減速前排除排氣閥故障。

3 結(jié)束語

電控柴油主機(jī)能提供各系統(tǒng)實(shí)時(shí)的曲線，輪機(jī)管理人員應(yīng)充分利用這些曲線，隨時(shí)了解主機(jī)的工作狀態(tài)，提前判斷和處理主機(jī)故障，提高對(duì)電控主機(jī)的管理水平。