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應(yīng)用鋼質(zhì)船規(guī)范開展船用低速柴油機(jī)控制系統(tǒng)的出廠檢驗(yàn)

2017-09-03 10:55中國船級(jí)社宜昌分社
中國船檢 2017年8期
關(guān)鍵詞:噴油電控氣缸

中國船級(jí)社宜昌分社 萬 瓊

應(yīng)用鋼質(zhì)船規(guī)范開展船用低速柴油機(jī)控制系統(tǒng)的出廠檢驗(yàn)

中國船級(jí)社宜昌分社 萬 瓊

W?rtsil? RT-flex型柴油機(jī)作為目前智能柴油機(jī)的主流機(jī)型,采用先進(jìn)的電噴共軌技術(shù),能夠非常精確地控制柴油機(jī)燃油噴射時(shí)間和燃油噴射量,優(yōu)化燃油燃燒過程,在實(shí)船應(yīng)用中,降低了船舶柴油機(jī)的耗油量,提高了燃油經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)也很大程度上控制了船用柴油機(jī)的不良排放。而WECS-9520是主機(jī)控制系統(tǒng)的核心,掌握出廠試驗(yàn)時(shí)WECS-9520控制系統(tǒng)的功能檢查,對(duì)柴油機(jī)產(chǎn)品檢驗(yàn)來說非常必要。本文簡要介紹W?rtsil? RT-flex智能型柴油機(jī)以及WECS-9520相關(guān)的控制功能,重點(diǎn)分析規(guī)范對(duì)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝要求,并根據(jù)規(guī)范要求,具體討論WECS-9520系統(tǒng)出廠試驗(yàn)程序。

WECS-9520系統(tǒng)

一、智能型柴油機(jī)

根據(jù)中國船級(jí)社鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范(以下簡稱規(guī)范)中對(duì)智能型柴油機(jī)的定義:一般系指對(duì)燃油噴油系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、油水冷卻、氣缸潤滑、廢氣渦輪增壓、振動(dòng)平衡等各個(gè)系統(tǒng)實(shí)行綜合電控,使系統(tǒng)參數(shù)全面優(yōu)化,降低能耗、減少環(huán)境污染(低有害排放、低噪聲、低振動(dòng)),并能自動(dòng)監(jiān)控自身運(yùn)行狀況及故障的柴油機(jī)。

而W?rtsil? RT-flex柴油機(jī)正是這樣一種智能型柴油機(jī),是將電子設(shè)備及軟件應(yīng)用于船用柴油機(jī)并成為其重要部分的柴油機(jī)。根據(jù)柴油機(jī)燃燒理論,主要是運(yùn)用了電控技術(shù),通過控制燃噴射正時(shí)、噴油量、噴油速率、壓力以及排氣閥正時(shí),能夠有效地實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在各種負(fù)荷下的性能最優(yōu)化,從而達(dá)到在滿足最新排放要求下,提高其經(jīng)濟(jì)性、可靠性、操縱靈活性和延長使用壽命。

二、WECS-9520系統(tǒng)

WECS-9520 (W?rtsil? Engine Control System)是W?rtsil?-flex柴油機(jī)主機(jī)控制的核心,包括所有主機(jī)相關(guān)和氣缸相關(guān)的控制功能。從圖1(WECS-9520結(jié)構(gòu)及相關(guān)元件系統(tǒng)圖)可以看出:

1、控制箱E90(SIB)包含一個(gè)作為在線備件的FCM-20(Flex Control Module 20)模塊,作為與其他外部系統(tǒng)通訊的接口單元;

2、每個(gè)氣缸控制箱E95.XX,各包含一個(gè)FCM-20模塊,用于實(shí)現(xiàn)氣缸相關(guān)的控制功能;

3、所有的模塊之間通過系統(tǒng)總線CANopen system bus進(jìn)行通訊。

三、3WECS-9520與主機(jī)相關(guān)的控制功能(圖2)

所有主機(jī)相關(guān)的控制功能被分配到各個(gè)FCM-20模塊。和傳統(tǒng)柴油機(jī)相比,電噴機(jī)的很多部件和功能看不見摸不著。傳統(tǒng)柴油機(jī)在應(yīng)急情況下,完全可以脫開控制系統(tǒng),有油有水有氣就有辦法啟動(dòng)起來,而電噴機(jī)不是這樣,用電子元件去實(shí)現(xiàn)的很多功能靠人力靠手動(dòng)無法實(shí)現(xiàn),所以電噴機(jī)在設(shè)計(jì)上關(guān)鍵部件多采用冗余設(shè)計(jì),所有模塊的輸入輸出信號(hào)都是冗余的,如果一個(gè)模塊發(fā)生故障,主機(jī)仍會(huì)運(yùn)行。電源供應(yīng)也是冗余的。比如FCM-20模塊每缸一塊,機(jī)旁E90箱在線備用一塊。一只模塊故障該缸動(dòng)作停止其他缸不受影響,任何一只模塊都可以被在線模塊替換。

這與規(guī)范中要求的“電控系統(tǒng)中因功能故障可能影響主推進(jìn)柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備,應(yīng)具有雙套系統(tǒng),如電子控制器、曲軸轉(zhuǎn)角測量裝置,兩套系統(tǒng)的類型與功能完全相同,當(dāng)其中之一出現(xiàn)故障時(shí),另一套系統(tǒng)能自動(dòng)替換前一套繼續(xù)工作,以維持柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn),并同時(shí)發(fā)出相關(guān)報(bào)警”相吻合。

主機(jī)相關(guān)的控制功能包括:燃油壓力控制;伺服油壓力控制;監(jiān)測和觸發(fā)功能;燃油泵促動(dòng)器;氣缸潤滑系統(tǒng)控制。

四、WECS-9520氣缸相關(guān)的控制功能(圖3)

每個(gè)氣缸都配有一個(gè)FCM-20模塊,各個(gè)FCM-20模塊通過冗余的系統(tǒng)總線進(jìn)行通訊。如果一個(gè)FCM-20模塊故障,相應(yīng)的氣缸會(huì)切斷,而其他的FCM-20模塊繼續(xù)工作。

氣缸相關(guān)的控制功能包括:容積噴射控制(包括VIT);排氣閥控制(包括VEO/VEC);起動(dòng)閥控制。

規(guī)范對(duì)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝要求

規(guī)范第三篇第九章附錄二對(duì)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝有具體的要求,如下:

1、電控系統(tǒng)電子設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn),包括軟件設(shè)計(jì),應(yīng)參照本規(guī)范第7篇和CCS《電氣電子設(shè)備型式認(rèn)可試驗(yàn)指南》的有關(guān)規(guī)定;

2、電控系統(tǒng)應(yīng)具有故障自診斷和安全保護(hù)功能,當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)應(yīng)立即進(jìn)行故障診斷,啟動(dòng)相應(yīng)的安全保護(hù)功能,以維持柴油機(jī)工作;

3、電控系統(tǒng)中因功能故障可能影響主推進(jìn)柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備,應(yīng)具有雙套系統(tǒng),如電子控制器、曲軸轉(zhuǎn)角測量裝置,兩套系統(tǒng)的類型與功能完全相同,當(dāng)其中之一出現(xiàn)故障時(shí),另一套系統(tǒng)能自動(dòng)替換前一套繼續(xù)工作,以維持柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn),并同時(shí)發(fā)出相關(guān)報(bào)警;

4、電控系統(tǒng)應(yīng)由2套獨(dú)立電源經(jīng)2條獨(dú)立線路供電;

5、應(yīng)設(shè)有機(jī)旁控制與集控室或駕駛室的控制系統(tǒng);

6、電控系統(tǒng)的監(jiān)測功能,應(yīng)能對(duì)系統(tǒng)的傳感器、電子控制器(ECU)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要功能故障進(jìn)行報(bào)警;

7、電控系統(tǒng)應(yīng)能監(jiān)視柴油機(jī)工作情況,自動(dòng)調(diào)整柴油機(jī)各系統(tǒng)參數(shù),并對(duì)系統(tǒng)及部件故障能自動(dòng)檢測和報(bào)警;

8、電控系統(tǒng)的零部件在功能特性和結(jié)構(gòu)尺寸上應(yīng)具有可換性,在結(jié)構(gòu)上應(yīng)能快速拆卸、更換和安裝;

9、對(duì)于易腐蝕損壞的材料,應(yīng)采用表面防護(hù)措施。不同金屬材料的直接接觸,一般應(yīng)采取防電解腐蝕措施;

10、電控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有檢查端口,使檢測和維修方便。

WECS-9520出廠試驗(yàn)功能檢查

根據(jù)規(guī)范要求,電控柴油機(jī)應(yīng)按規(guī)范的有關(guān)要求進(jìn)行型式試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)、船上試驗(yàn)。

根據(jù)規(guī)范第三篇第九章附錄二3.3出廠試驗(yàn)中3.3.3條的規(guī)定:電控系統(tǒng)功能的有效性應(yīng)在試驗(yàn)中驗(yàn)證,一般應(yīng)包括下列驗(yàn)證項(xiàng)目(如適用):(1)軟件版本證明;(2)燃油噴射控制閥功能;(3)排氣控制閥功能;(4)1缸控制模塊電源故障;(5)緊急停車裝置功能;(6)1個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角傳感器故障;(7)其他適用的故障與功能。

在主機(jī)廠提供的出廠試驗(yàn)大綱中,有一條“WECS-9520功能檢查”,要求檢查柴油機(jī)WECS-9520功能。關(guān)于這項(xiàng)功能檢查,W?rtsil?有一份具體的指導(dǎo)文件,根據(jù)該文件進(jìn)行操作,就可以確認(rèn)該臺(tái)W?rtsil? RT-flex柴油機(jī)的WECS-9520系統(tǒng)各項(xiàng)主要功能是否正常。該文件的內(nèi)容是符合上述規(guī)范要求的。文件中涉及的主要檢查項(xiàng)目及方法如下:

檢查項(xiàng)目一:軟件確認(rèn)

檢查方法:柴油機(jī)處于停車狀態(tài)且隨時(shí)可以起動(dòng),打開flexview中選項(xiàng)卡“SW info”或WECS-9520手動(dòng)控制面板中的內(nèi)容,填寫WECS-90功能檢查文件的最后一頁《軟件確認(rèn)協(xié)議》。以確認(rèn)安裝在flexview電腦中WECS-9520軟件版本正確。

檢查項(xiàng)目二:噴油器及其傳感器功能

燃油噴射控制系統(tǒng)中,噴油開始時(shí)間由曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)和VIT信號(hào)決定,燃油的實(shí)際噴射量由油量活塞的行程決定,油量活塞到達(dá)計(jì)算行程時(shí)噴油結(jié)束,噴油量的計(jì)算基于調(diào)速器的控制信號(hào)。每一塊FCM-20模塊通過處理曲軸角度信號(hào)和從控制系統(tǒng)接收到的燃油指令,然后每個(gè)氣缸模塊獨(dú)立計(jì)算出自己的噴油定時(shí)。

噴油系統(tǒng)操作過程通常為:在活塞到達(dá)TDC之前的幾度,F(xiàn)CM-20模塊會(huì)考慮到VIT和FQS,計(jì)算出正確的噴油角度,然后會(huì)給出一個(gè)dead time用來補(bǔ)償從控制系統(tǒng)給出的噴油指令到噴油真正開始的時(shí)間差。dead time是在噴油循環(huán)中,通過比較噴油指令給出,到燃油數(shù)量傳感器開始動(dòng)作這段時(shí)間測量到的。燃油數(shù)量傳感器還提供了一個(gè)噴油量的反饋用來和燃油指令做比較,噴油的開始和結(jié)束指令都是由FCM-20模塊觸發(fā)的。

在RT-flex智能型柴油氣缸上,每缸都設(shè)有三個(gè)噴油器,每個(gè)都分別有單獨(dú)的共軌閥控制。WECS-9520控制系統(tǒng)在控制燃油噴射過程中,會(huì)根據(jù)柴油機(jī)工況選擇由幾個(gè)噴油器動(dòng)作完成燃油噴射。WECS-9520控制系統(tǒng)控制燃油噴射具有一定的靈活性,當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí),負(fù)荷和轉(zhuǎn)速極低的情況下,只控制一個(gè)噴油器動(dòng)作完成燃油噴射,選擇哪一個(gè)噴油器是根據(jù)當(dāng)時(shí)氣缸的氣流來決定的。當(dāng)柴油機(jī)處在較低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),控制兩個(gè)噴油器同時(shí)動(dòng)作。當(dāng)主機(jī)運(yùn)行時(shí),負(fù)荷較大轉(zhuǎn)速較高時(shí),則選擇三個(gè)噴油器同時(shí)動(dòng)作進(jìn)行燃油噴射。這種根據(jù)負(fù)荷,通過WECS-9520靈活控制噴油器噴油的設(shè)置,有利于提高燃油的經(jīng)濟(jì)性,也改善了船舶主機(jī)的排放條件。

噴油器及其傳感器功能的檢查方法為:柴油機(jī)在很低的負(fù)荷下按照轉(zhuǎn)速控制模式運(yùn)行,打開flexview:INJECT,慢慢將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速提升至例如25%負(fù)荷轉(zhuǎn)速,然后觀察動(dòng)作噴油器數(shù)量及flexview中所有值。如果INJECT將頻繁變化,且所有數(shù)值在限制范圍內(nèi)(所有參數(shù)不應(yīng)顯示紅色),則該項(xiàng)檢查通過。

檢查項(xiàng)目三:排氣閥及其傳感器功能

排氣閥的控制作用如圖4所示,排氣閥由伺服油壓打開,并且由空氣彈簧壓力關(guān)閉。一個(gè)分離裝置將動(dòng)作共軌閥的伺服油和動(dòng)作排氣閥閥桿的液壓油分離出來,排氣閥桿的運(yùn)動(dòng)通過兩個(gè)位置傳感器將其位置反饋給WECS-9520。排氣閥開啟角度是由每一塊FCM-20模塊根據(jù)測量到的曲軸角度、理論開啟角和VEO(可變排氣閥開啟角度)計(jì)算出來的。當(dāng)排氣閥共軌動(dòng)作到“開啟”位置時(shí),伺服油壓動(dòng)作排氣閥控制閥,在隔離區(qū)下面的空間充滿了伺服油,隔離區(qū)的活塞將油壓入蓄壓管,最終通過這里頂開排氣閥閥桿。從開啟排氣閥指令發(fā)送到排氣閥開始動(dòng)作,這段時(shí)間稱之為opening deadtime。這個(gè)deadtime會(huì)通過稍微提前一點(diǎn)觸發(fā)排氣閥電磁閥,來補(bǔ)償來自液壓和機(jī)械系統(tǒng)的時(shí)間延時(shí)。排氣閥關(guān)閉角度是由FCM-20模塊計(jì)算和控制的,包括VEC(可變排氣閥關(guān)閉角度)和closing deadtime。

排氣閥及其傳感器功能的檢查方法為:柴油機(jī)在任意負(fù)荷下按照轉(zhuǎn)速控制模式運(yùn)行(例如按照螺旋槳曲線,25%負(fù)荷),打開flexview:EXHV。觀察flexview中所有值,如果EXHV數(shù)值將頻繁變化,且所有數(shù)值在限制范圍內(nèi)(所有參數(shù)不應(yīng)顯示紅色),則該項(xiàng)檢查通過。

檢查項(xiàng)目四:FCM-20供電失效及一缸失效

FCM-20模塊控制氣缸燃油噴射等動(dòng)作,如果主機(jī)運(yùn)行中一個(gè)FCM-20發(fā)生故障,相應(yīng)的氣缸動(dòng)作就會(huì)停止,剩余其他氣缸繼續(xù)保持動(dòng)作。在控制系統(tǒng)的設(shè)置中,F(xiàn)CM-20模塊都有備件,但與傳統(tǒng)機(jī)械備件相比,F(xiàn)CM-20模塊可以實(shí)現(xiàn)工作時(shí)在線替換。備件模塊安裝后,會(huì)實(shí)時(shí)儲(chǔ)存相應(yīng)的軟件參數(shù),不再需要下載軟件和程序。當(dāng)安裝一個(gè)新的FCM-20模塊時(shí),首先要將其安裝在E90箱子里,作為在線備件。新模塊在E90箱內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步下載。當(dāng)數(shù)據(jù)下載存儲(chǔ)后,才能作為E95控制箱內(nèi)備用FCM-20模塊使用。

為保證WECS-9520控制系統(tǒng)電源供應(yīng)不中斷,每個(gè)模塊都有兩路供電,一路作為備用。

檢查方法:柴油機(jī)在任意負(fù)荷運(yùn)行,轉(zhuǎn)速應(yīng)低于降速轉(zhuǎn)速。然后切斷E85中某一氣缸FCM-20的供電。這時(shí),除選定氣缸外,其余氣缸均正常發(fā)火,柴油機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。在總線上,WECS反饋信息:WECS Module FCM-20 #_ failed。以上都滿足,則該項(xiàng)檢查通過。

該項(xiàng)檢查確認(rèn)了FCM-20模塊通信功能正常,產(chǎn)生不同的報(bào)警和反饋信息,并確認(rèn)安保系統(tǒng)可以正常觸發(fā)降速信號(hào)。

檢查項(xiàng)目五:柴油機(jī)運(yùn)行時(shí),“Fuel Shut Down Pilot Valve燃油切斷引導(dǎo)閥”

“Fuel Shut down Pilot Valve燃油切斷閥”功能正常(該試驗(yàn)通常作為標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)的“應(yīng)急停車試驗(yàn)”)。

在主機(jī)停車的控制環(huán)節(jié),從主機(jī)安保系統(tǒng)發(fā)出的停車信號(hào)將會(huì)有以下動(dòng)作:安保系統(tǒng)觸發(fā)泄油信號(hào),燃油從中間燃油蓄壓器回到油管,通過打開液壓燃油泄放閥3.07,并通過應(yīng)急停車電磁閥3.08進(jìn)行應(yīng)急停車。WECS-9520將燃油泵的執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)到0位,用來停止燃油供應(yīng),噴油控制將被WECS-9520閉鎖。

燃油切斷閥功能的檢查方法:柴油機(jī)在極低負(fù)荷(例如按照螺旋槳曲線,10%負(fù)荷)按照轉(zhuǎn)速控制模式運(yùn)行。按下任意位置的“Emergency Stop應(yīng)急停車”按鈕(例如在ECR控制臺(tái)),然后觀察手動(dòng)控制面板或者fV:INDIC中共軌燃油壓力值。此時(shí)燃油促動(dòng)器中的燃油壓力應(yīng)降至200bar以下。此外,柴油機(jī)應(yīng)作出以下反饋:1、WECS將切斷所有氣缸的燃油供應(yīng);2、燃油泵促動(dòng)器會(huì)降至0位,直至柴油機(jī)停車;3、flexView中反饋信息顯示“ME Shut down On Safety System”。

該項(xiàng)檢查說明切斷閥的開啟,可以觸發(fā)柴油機(jī)停車。

檢查項(xiàng)目六:氣缸潤滑功能故障

檢查方法:使柴油機(jī)在低于降速轉(zhuǎn)速下的任意負(fù)荷運(yùn)行,將其中一個(gè)泵單元的插頭從壓力傳感器上拆下。此時(shí)柴油機(jī)保持運(yùn)行,而主機(jī)有如下變化:WECS在總線上反饋信息:ME Cylinder Lubrication Malfunction Cyl#_;flexview中信息:Lubrication Module Cylinder #__ pressure measuring failure;安保系統(tǒng)觸發(fā)降速命令。

檢查項(xiàng)目七:增壓器控制單元通訊失?。▋H適用于可調(diào)增壓器系統(tǒng)VTG主機(jī))

檢查方法:速度控制模式下,主機(jī)在任意負(fù)荷運(yùn)行(比如25%負(fù)荷),VTG位于AUTO(自動(dòng))模式。拔下E99.X箱上的一個(gè)VTG插頭,此時(shí)柴油機(jī)在過載保護(hù)模式下主機(jī)持續(xù)運(yùn)行,增壓器轉(zhuǎn)子鎖死。WECS發(fā)出故障信息:WECS Passive Failure ,T/C Communication fail。

檢查項(xiàng)目八:曲軸角度總線/傳感器故障—曲軸角度總線接線(僅適用于帶CAS盤車輪的RT-flex主機(jī))

曲軸角度編碼器是電噴機(jī)的一個(gè)核心部件,為WECS-9520控制系統(tǒng)提供完整的曲軸圓周角度。如果兩個(gè)角度傳感器中有一個(gè)故障,WECS-9520會(huì)利用剩下的那個(gè)好的傳感器繼續(xù)工作。但是至少要有一個(gè)角度傳感器正常工作,兩只角度編碼器連接在一根驅(qū)動(dòng)軸上,如果兩只都損壞主機(jī)無法運(yùn)行。

檢查方法: 轉(zhuǎn)速控制模式下柴油機(jī)在任意負(fù)荷下運(yùn)行(例如按照螺旋槳曲線,25%負(fù)荷),然后在E95.4或E95.5中拔下其中一個(gè)FCM-20模塊的X26接頭。此時(shí)主機(jī)應(yīng)正常運(yùn)行,而檢查WECS在總線上反饋故障信息。WECS及fv中均有反饋信息。然后打開flexview中的TEST選項(xiàng)卡,發(fā)現(xiàn):柴油機(jī)停車狀態(tài)下,所有FCM-20顯示在線的曲軸角度傳感器角度,而拔下插頭的不顯示角度。

檢查項(xiàng)目九:柴油機(jī)故障及WECS-9520與安保系統(tǒng)通信測試(僅適用于帶CAS盤車輪的RT-flex主機(jī))

檢查方法:在柴油機(jī)在只有一個(gè)ACM-20單元工作的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)(在上一步試驗(yàn)中另一個(gè)ACM-20單元接頭已斷開),將目前正在工作的ACM-20的接線也斷開, 在E96.1或E96.2中將ACM-20的接頭X3拔下。

這時(shí)柴油機(jī)發(fā)生如下反應(yīng):1、WECS控 制柴油機(jī) 停車;2、WECS反饋信息:→WECS Critical Failure:ME Crank angle 1+2 fail,該信息在推進(jìn)控制/安保系統(tǒng)中也有顯示;3、flexView上的信息:CA 1 and 2 on all FCM fail;CAN M bus ACM#1 failure; CAN M bus ACM#2 failure。將插頭X3重新連上后,仍然能獲得曲柄角度值。

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