WARTSILA RT-flex柴油机喷油控制 系统流量活塞卡死故障分析

张有为 李真 李可顺

摘  要：近年来，电喷二冲程柴油机由于其具有低速稳定性好，燃油雾化效果好，调控方便等优点在船舶上获得了普遍应用。但由于电喷柴油机内部含有大量的电子控制系统，这对于故障的定位及维修也带来了巨大的挑战。本文详细分析了WARTSILA RT-flex型柴油机的瓦锡兰柴油机控制系统（WECS），并结合具体的故障案例，对其中的喷射控制系统（ICU： Injection Control Unit）故障进行诊断与维修。通过分析故障缸的燃油喷射参数，发现流量活塞的return电流出现异常，经过测量部件内部阻值判断是由于FQS与遮蔽铝管的位置发生改变引起的内部阻值变化，推断可能是ICU控制系统中流量活塞发生卡死现象导致内部阻值的异常，引发return电流的异常。经过后期进一步测量，得出故障原因是由于活塞头部椭圆度过大而产生沉头现象，导致套筒内出现椭圆偏磨，使流量活塞卡死，导致喷油异常，排烟温度异常。本论文对于深入探讨WECS控制系统以及喷射控制单元的工作过程，对其故障维修具有一定的借鉴意义。

关键词：电喷二冲程柴油机;WECS控制系统;ICU故障诊断;流量活塞

近年来，电喷二冲程柴油机由于其具有低速稳定性好，燃油雾化效果好，调控方便等优点在船舶上获得了普遍应用。但由于电喷柴油机内部含有大量的电子控制系统，这对于故障的定位及维修也带来了巨大的挑战。

本文详细分析了WARTSILA RT-flex型柴油机的瓦锡兰柴油机控制系统（WECS），并结合具体的故障案例，对其中的喷射控制系统（ICU： Injection Control Unit）故障进行诊断与维修，通过分析故障缸的燃油喷射参数，发现流量活塞的return电流出现异常，判断是由于FQS与遮蔽铝管的位置发生改变引起的内部阻值变化，推断可能是ICU控制系统中流量活塞发生卡死现象导致内部阻值的异常，引发return电流的异常。经过后期进一步测量，得出故障原因是由于活塞头部椭圆度过大产生沉头现象，导致套筒内出现椭圆偏磨，使流量活塞卡死，导致喷油异常，排烟温度异常。本论文对于深入理解WECS控制系统以及喷射控制单元的工作过程及故障维修具有一定的借鉴意义。

1 WARTSILA RT-flex电喷柴油机概述

随着科学电子技术迅猛发展，微型计算机已越来越广泛地应用在船舶动力控制和监测中。为了提高燃油经济性、降低排放要求、提高可靠性和操作的灵活性，实现适时调节，电控共轨柴油机已成为发展的必然趋势。电控型柴油机也称为智能型柴油机，即将电子设备及软件应用于船用柴油机并成为其重要部分的新型柴油机。根据柴油机燃烧理论，主要是应用了电控技术，通过控制燃油喷射正时、喷油量、喷射速率、压力以及排气阀正时，能够有效地实现柴油机在各种负荷下的性能最优化，从而达到在满足最新排放要求下，提高其经济性、可靠性、操纵灵活性和延长使用寿命。目前研究船舶柴油机共轨系统的公司主要包括美国的Caterpillar公司，德国Bosch公司，日本电装公司，芬兰W?rtsil?公司和德国的MANB&W公司等，国内在共轨系统研究方面，仍具有较大的进步空间[1]。

WARTSILA RT-flex型柴油机是在共轨单元的基础上，完全实现了燃油喷射和排气阀执行的电子控制，与RTA机型最大的区别是取消了凸轮轴，燃油喷射、排气阀的开关、柴油机的启动均通过WECS-9520控制系统实行电子控制[2]，如图1所示。使燃油喷射和排气阀操作更灵活，比传统RTA柴油机具有更高的效率。可以精确测定容积的燃油喷射控制，最大程度的降低排放。可以实现单个喷油器的控制，使主机的稳定转速更低，在部分负荷时降低燃油的消耗率。

WECS-9520系统主要由各种不同的传感器（如转速，齿条位置，进气压力，燃油温度，冷却水温度等），电子控制单元（ECU），各种执行机构组成，由传感器接受外界的其他形式信号，转换为电信号，输入到控制单元，在与储存器中预先存储的调控参数相比较，若两者相同，系统保持原状。当输入参数与偏离调控参数时，控制单元按照预先设置的控制对策来调整执行机构，使系统回到原先状态。传感器是常出现故障的元件，传感器的异常将会造成较大的影响，除此之外，电控单元元件的性能不稳定也是导致系统异常的重要原因。

在船舶日常运营的过程中，当电控柴油机出现故障首先要判断是机械部分出现故障，还是电控部分出现故障，李新甫[3]提出利用故障检测仪判断是否有故障记忆，如果有故障记忆，可以确定是电控部分。常见电控部分的故障主要在于传感器，插线件等部分。传感器工作失效，导致系统不能得到柴油机的工况参数，控制单元不能及时做出调整，导致喷油异常等故障。而传感器工作失效的原因有很多包括传感器探头污染，传感器机械结构的磨损，传感器部件老化等，均可以导致系统异常。机舱环境温度较高，震动较大更能引发故障，因此在平时的对船舶设备的维修保养的过程中要多关注传感器的工作状况。对于常见机械故障来说，共轨阀损坏的也是导致系统失灵的原因之一，袁宏[4]等人发现共轨阀动作响应时间过长，将会导致喷油延迟，燃油燃烧不充分，排烟温度异常。紀宏伟[5]发现ICU偶件磨损严重也会使系统异常，严重时影响燃油共轨压力的建立。袁宏[4]提出常见的ICU泄露包括，ICV滑阀与阀体间的泄露，ICV的定距销与外孔之间的泄露，高压油管的泄露，连接部件的轴封的泄露等。范怀古[6]和张怡军等人[7]发现由于劣质燃油的使用，导致喷射控制阀出现泄露或者卡阻碍，导致主机启动困难等故障。王连海等人[8]发现，对于电子控制单元中的故障，主要由FCM-20模块失灵或者接线故障引起的，因此在电子控制单元中有多个FCM-20模块互为备用。李成福等人[9]提出高频信号干扰，电源电压不足，电缆接线座损坏，传感器量程不准也是导致WECS-9520系统出现异常的原因。

应当注意的是，WECS-9520系统流量活塞的卡死多是由于ICV腔体贯通（液压驱动活塞卡死、RAIL VALVE卡死、高压油管爆裂都能被归纳于ICV腔体贯通），或是燃油中含有杂质，使流量活塞出现拉缸卡死等造成的。在本文中结合实际案例，详细分析了流量活塞头部偏磨导致的活塞卡死故障的现象以及排除过程和处置，对于深入理解WECS控制系统以及故障维修具有一定的借鉴意义。

2 WECS-9520控制系统组成及管理

WARTSILA RT-flex 58TD型柴油机的正常运行由WECS-9520控制系统进行控制，其主要功能包括：燃油共轨压力控制，伺服油压力控制，燃油喷射控制，排气阀控制，启动阀控制，曲轴角度传感器监控。

WECS-9520控制系统主要由外部通信控制箱E90、单缸控制箱E95、电源控制箱E85组成。每个E95控制箱内均安装有一个FCM-20模块，以执行以上功能。为了保证可靠性，每个功能的执行均由两组模块同时控制，这两组模块互为备用，当一组FCM-20模块出现故障时，另一组FCM-20模块仍可以保证WECS-9520控制系统正常工作，但出现故障的模块所对应的气缸将不能正常工作。E90控制箱主要执行外部通信的功能，包括与主机遥控系统、机舱监控系统等的对接。同时，E90控制箱内也有一块FCM-20模块，该模块是备用模块，可以对系统的参数进行同步下载、保存，在其他FCM-20模块出现故障时，可以立即用该模块进行替换，并且该FCM-20模块拆除后对WECS-9520控制系统不产生任何影响。在新的FCM-20模块备件供船后，需要将其安装到E90箱内，进行数据同步下载，模板激活。若将新的模块备件直接安装到E95控制箱，则不能正常工作。在E85电源控制箱内，从安全方面考虑，电源也是两套配置。还有在主机3 m范围之内是不能进行电焊作业的，因为电焊作业会产生电弧，对FCM-20模块产生致命的危害，这是大忌千万要注意，若要进行电焊作业，一定要先关闭E85电源。

在日常的管理中，由于E90、E95控制箱都是安装在主机旁，主机运行时的震动和高温对这些控制箱会产生很大的影响，因此需定期检查、紧固各个控制箱内的接线。另外，对于FCM-20模块故障的确定，则是WECS-9520控制系统管理方面比较困难的事情，因为主机运行时若出现单缸工作不正常现象，其牵涉的因素太多，除了常规的机械方面的原因，还有ICU（Injection Control Unit）、VCU（Exhaust Valve Control Unit）、共轨压力传感器等等多方面的原因，这就要求管理人员要有十分清晰的思路和丰富的经验。

3 WECS系统典型故障分析

3.1 故障现象

本案例中某轮采用的主机型号为WARTSILA RT-flex 58 TD，额定转速为99.5 r/min，额定功率为9 500 kW，考虑到运营成本，日常主机转速为85 r/min。在某国内航次，行驶到山东日照港区，经济航速正常航行向日本方向行驶。主机No.5缸排烟温度异常，突然走高至540℃（平时单缸最高排烟温度为330℃）且喷油脉宽（INJECTION TIME）默认至最大位置，其余各缸排烟温度正常，并且烟囱顶部冒出大量黑烟，同时在主机监控电脑上无报警，电流值也无明显异。测量各缸爆压，发现No.5缸的爆压（P_max）出现异常为16 MPa，高于其他缸的爆压12.5 MPa。为了进一步调查故障原因，将No.5缸油门减小至98%，同时加大No.5缸汽缸油注油量。随后该缸排烟温度降至330 ℃，爆压降至13.5 MPa，其余参数正常。然而5 h之后，该缸又出现排烟温度异常的现象。故初步判断，No.5缸排温过高，由于喷油量过大，可能是FCM-20模块出现故障或是ICU的流量活塞出现磨损，卡阻等现象导致喷油量增加。

3.2 故障分析

燃烧异常可能燃油喷射系统出现异常，从可能出现问题的地方进行着手解决，由于在船舶日常的管理中，E90、E95控制箱都是安装在主机旁，主机运行时的震动和高温对这些控制箱会产生很大的影响。首先停车，将E85电源箱断电，检查No.5缸的FCM-20模块，发现FCM-20模块的三只灯都正常亮，所以可以暂时排除的FCM-20模块故障。

电喷机对燃油的清洁程度要求较高。燃油的过滤精度不够，燃油中颗粒物增多，加速燃油系统偶件的磨料磨损，会直接导致共轨电磁阀、流量活塞和ICU的磨损甚至是卡死等，严重主机运行。

本轮单缸排烟温度偏差大于60 ℃就会触发报警，主机就会进行自我保护，进行降速。No.5缸的排温过高，有可能是ICU出现问题，流量活塞卡阻可能会使喷油量增大。随后，主机ICU进行拆解。经检查，ICV 无卡阻，液压驱动模块内部干净，无积炭，液压驱动活塞活络，无卡的状况，但ICP（流量控制活塞）与燃油质量设定（FQS）中间的定距套管内已经积有大量燃油，该处是控制喷油量的执行机构，不应有燃油。初步判断，流量活塞泄漏量大，导致FQS与ICP配合法兰中间的定距套管存油严重，使得主机系统对流量活塞行程判断失效，默认至最大喷油脉宽（Injection Time）运行主机，导致单缸排温偏高。

3.3 故障处理

故障找到后，更换ICP及配合的偶件法兰，一切恢复正常，等到达安全区域内进行检修。

然而在后期的检修过程中发现流量活塞泄漏量过大只是故障现象，但问题的根本可能在于活塞杆与运动法兰的配合间隙过大，导致流量活塞在高压状态瞬间卡阻，导致主机系统判断异常，该缸排温异常且喷油脉宽位于最大位置。首先对故障ICU进行研究分析时，对总成泄漏量进行测量，数据如表4所示，在60 MPa压力下，进行静压测试， No.5缸的ICU測量总成泄漏量为3.3 L/h，约为No.1和 No.3缸数据的一倍。由此可见，No.5缸发生泄漏。

其次，燃油泄漏是一个缓慢增加的过程，泄漏初期，燃油泄漏量较少，对传感器影响较小，所以排烟温度变化不明显。随着泄漏量增加，燃油污染传感器探头致使感应失败，燃油流量传感器不能及时给控制系统反馈燃油量，引发系统异常，从而出现排烟温度异常。除非有外力导致流量活塞活塞杆套筒完全贯通，否则不会出现瞬间异常。为了探究产生故障的原因，分析故障当天的喷油曲线图和喷油参数。如图5所示。图5（a）为故障当天的喷油曲线图，从图中可知：故障当天ICU的return 电流一直维持在4.9 mA，中途产生曲线波动，可以发现FQS没有产生通讯失效，正常反馈电流给电脑。图5（b）为故障当天喷油参数，可以看出No.5缸流量活塞的return的电流为4.8mA与其余正常缸的电流差值相差约为0.6 mA，可以看出No.5缸出现异常。除此之外No.5流量活塞的inject电流为4.9 mA近似等于return电流，说明流量活塞几乎没有发生移动，一直维持在4.9  mA，产生电流波动的一瞬间是反方向。

No.5缸流量活塞的return电流与其余正常缸的return电流值差值约为0.6 mA，可以看出该缸出现异常，该0.6 mA的差值是由FQS与外层的铝合金套的相对位置变化引起的，如图6为FQS的结构图，该结构主要由FQS、屏蔽管和调整垫片等组成。FQS结构可以看做非接触式的滑动变阻器，其通电电压为24V ，工作电流为4～20 mA。铝套通过切断磁力线起屏蔽作用。通过调整定距套中间的垫片可以改变铝合金管与FQS的距离，可以看作改变阻值，间接改变通过的电流。通过实验发现，调整垫片每加厚1 mm，铝合金管就会对FQS多遮蔽1 mm，对应输出电流减少0.22～0.23 mA。

因此，0.6 mA的差值可能是由FQS与铝合金套发生相对移动所产生的，而发生相对移动是由于活塞卡死在某个位置，类似于增加调整垫片的作用。活塞卡死的位置距离原来正常工作的位置约为2.5～3.0 mm。这同时也能解释图5（a）为什么产生反方向的电流波动，如图7所示，该图为ICU系统结构图，ICU系统正常工作时在燃油油量活塞内部左右两端形成压差波动，但是当流量活塞卡的不是很严重，活塞产生轻微运动，产生微量电流，但是活塞没有打开，return电流仍然保持在4.9 mA。

在后期的进一步的检测中，发现流量活塞卡死主要由活塞沉头导致的，活塞是一种偏重结构，活塞运行过程中，是靠活塞杆进行导向，大头导向位只起辅组作用，当活塞杆和套筒圆度，垂直度，配合间隙小的情况下，是不会发生卡死。但是，当活塞头部椭圆度超过一定范围的时候，沉头现象就会出现，导致套筒内出现“鸡蛋形”椭圆偏磨，严重甚至有些活塞杆因此弯曲。

3.4 经验与教训

通过这次故障，提醒我们应加强船舶设备的日常维护与保养，多关注电控柴油机的易损部件，需定期测试主机燃油泄漏警报，定期拆检ICU泄漏管检测ICU泄漏量。在日常检查中密切关注ICU燃油喷射曲线图，个别气缸喷射曲线尾部明显偏离即为ICU泄漏的征兆。力求做到故障现象尽早发现，准确分析，及时解决。轮机长必须对设备的维护保养严格把关， 履行好提醒和监督的职能，在关键环节上须亲自指导。

参考文献

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[4] 袁宏.瓦锡兰RT-flex型主机ICU故障实例 [J].航海技术，2018（4）：59-61.

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