電噴柴油機曲柄轉角系統(tǒng)工作原理與故障處理

一、引言隨著科學技術的發(fā)展，船舶智能化程度日益提高。對于船舶裝置的智能化而言，電噴柴油機的應用較具代表性，2010年以后下水的船舶幾乎全部采用電噴柴油機作為主動力推進裝置。電噴柴油機的噴油定時、排氣定時、起動定時及輔助系統(tǒng)（輔助風機、伺服油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)）均采用計算機控制，完成上述控制的系統(tǒng)為主機控制系統(tǒng)（EngineControlSystem，ECS）。主機控制系統(tǒng)一般由汽缸控制單元（CylinderControlUnit，CCU）、主機控制單元（EngineControlUnit，ECU）、輔助控制單元（AuxiliaryControlUnit，ACU）、曲柄轉角系統(tǒng)構成。其中，曲柄轉角系統(tǒng)為主機控制系統(tǒng)提供進行噴油、排氣和起動控制所需的曲柄角度信息，曲柄角度信息一旦錯誤，柴油機控制信號會出現錯亂，極易引發(fā)嚴重事故。曲柄轉角系統(tǒng)是電噴柴油機的核心部件之一，目前網絡資料和教材中尚沒有該系統(tǒng)結構、原理及常見故障的詳細介紹。為幫助輪機人員熟悉電噴柴油機曲柄轉角系統(tǒng)工作原理、提高日常管理水平，本文以MANB&WME-C系列電噴柴油機曲柄轉角系統(tǒng)為例，詳細介紹船舶電噴柴油機曲柄轉角系統(tǒng)組成及工作原理，分析系統(tǒng)常見故障并提出解決方案，最后針對常見故障提出曲柄轉角系統(tǒng)日常管理的建議。二、曲柄轉角系統(tǒng)組成及原理（一）曲柄轉角系統(tǒng)組成MANB&WME-C電噴柴油機曲柄轉角系統(tǒng)由角度編碼器（AngleEncoder）、信號放大器（TachoSystemAmplifier，TSA）、汽缸控制單元及主機控制單元組成，如圖1所示。圖1曲柄轉角系統(tǒng)組成其中，角度編碼器和信號放大器均設置兩套，互為冗余。角度編碼器分為A和B兩組，每組設置4個探頭（接近開關）。在角度編碼器A中，標號為Q1A和Q2A的探頭安裝位置一般相差1/4或3/4齒距，其作用是輸出一系列脈沖頻率信號，從而根據脈沖頻率計算出轉速，根據兩探頭輸出信號相位情況判斷轉向。標號為MMA和MSA的探頭分別安裝在第1缸上止點（TopDeadCenter，TDC）位置及第1缸上止點后90°位置，其作用是進行曲柄特定角度的位置檢測。為有效進行特定位置檢測，在角度編碼器中都設有半圓環(huán)。角度編碼器的安裝位置位于柴油機自由端，為進行角度位置校準，安裝時將MSA探頭移至飛輪端，安裝位置不變。角度編碼器B與A基本相同，只是標記位置探頭MMB和MSB的安裝位置分別在第1缸上止點后45°和135°。信號放大器分為A和B兩套，稱為TSA-A和TSA-B，安裝于角度編碼器旁邊機座上，左右各一套。其作用是對角度編碼器信號進行放大和整形，并將調理后的信號送至汽缸控制單元和主機控制單元。汽缸控制單元和主機控制單元分別安裝在特定控制箱內，電噴柴油機的每個缸都對應一個汽缸控制單元CCU，主機控制單元一般設置兩套，分別為ECUA和ECUB。關于汽缸控制單元和主機控制單元的原理詳見相關電噴柴油機資料[1]，本文僅闡述其與曲柄轉角系統(tǒng)相關的功能。汽缸控制單元CCU和主機控制單元ECU依據角度編碼器發(fā)出的轉速、轉向及特定標記位置信息進行計算，從而得出曲柄角度信息，汽缸控制單元據此角度進行噴油、排氣和起動控制。MANB&WME-C電噴柴油機曲柄轉角系統(tǒng)有兩套，互為冗余。系統(tǒng)各部件之間的連接情況及結構如圖2所示，該圖依據實船圖紙精簡繪制。圖2曲柄轉角系統(tǒng)連接圖曲柄轉角系統(tǒng)的信號線連接從一個ECU開始至另一個ECU結束，兩套曲柄轉角系統(tǒng)的供電電源分別來自ECUA和ECUB，這種連接方式實現了兩套系統(tǒng)互為冗余。（二）曲柄轉角系統(tǒng)測量原理如前文所述，曲柄轉角系統(tǒng)中的角度編碼器將轉速和轉向及標志位置的脈沖頻率信號經TSA放大后送到汽缸控制單元CCU和主機控制單元ECU。在CCU和ECU中，可計算出轉速n為此時的曲柄角度為電噴柴油機第1缸的曲柄角度，其他缸的曲柄角度可根據柴油機汽缸數量及各缸發(fā)火順序依次推斷。當電噴柴油機的主機控制系統(tǒng)斷電重啟后，曲柄角度信息會消失。此時，柴油機將根據角度編碼器中標記位置探頭和半圓環(huán)的位置估算曲柄角度，如圖3所示。圖3曲柄轉角系統(tǒng)標記位及測速探頭位置圖一般估算方法是根據標記位置探頭MMA、MSA、MMB和MSB的輸出狀態(tài)，表1為曲柄轉角系統(tǒng)標記位置探頭與曲柄角度對應關系。確定曲柄角度的大致范圍（45°曲柄轉角），以該范圍的中間角度作為曲柄角度，此時曲柄角度偏差不超過22.5°，可以保證柴油機正常起動。待柴油機轉動后，CCU和ECU即可根據轉速信號重新計算曲柄角度。三、常見故障分析及解決在日常管理中，準確分析和判斷曲柄轉角系統(tǒng)的故障并及時解決非常重要。本部分列出了曲柄轉角系統(tǒng)常見故障并提出解決方案，供管理人員參考。（一）角度編碼器軸滑移故障現象：電噴柴油機MOP中，兩組角度編碼器偏差超過1°，出現角度編碼器偏差大報警信息。故障原因：兩套角度編碼器均安裝在柴油機自由端，此處振動較大。角度編碼器轉軸是通過內六角螺栓固定在柴油機自由端輸出軸上的，若螺栓松動，會導致角度編碼器轉軸滑移，進而出現測量不準確的情況。若兩套角度編碼器均出現滑移，將會導致角度信息錯亂，從而出現故障。故障解決方案：（1）檢查角度編碼器轉軸和殼體標記是否對齊。檢查方法是柴油機停車時，盤車至第1缸上止點位置，此時角度編碼器轉軸和殼體標記應對齊。若沒有對齊，說明出現轉軸滑移。（2）對出現滑移的角度編碼器轉軸重新校正，以角度編碼器A為例進行闡述。第一步：合上盤車機，打開示功閥。第二步：盤車至飛輪0°，松開角度編碼器A轉軸上的內六角鎖緊螺栓，在調節(jié)孔中插上銷子，手動正車旋轉角度編碼器A，直到TSA-A上的指示燈剛剛變亮。若剛開始該燈是亮的，先正車方向手動旋轉角度編碼器A，使其熄滅，然后再重復上述操作。指示燈剛變亮時，鎖緊內六角固定螺母。第三步：盤車確認飛輪在0°至180°之間時，TSA-A指示燈一直為點亮狀態(tài)。(3)在MOP中，Maintenance—FunctionTest—Tacho。根據提示步驟，完成角度編碼器靜態(tài)測試，如圖4所示。若角度編碼器B出現滑移，按照同樣步驟進行校正。圖4角度編碼器靜態(tài)測試（二）角度編碼器接線松動及接觸不良故障現象：不定時出現角度編碼器A或B信號丟失，進而引發(fā)角度錯誤或偏差大報警，報警復位后，兩組曲柄轉角信息均正常。此故障出現沒有規(guī)律性，但故障現象具有相似性。故障原因：角度編碼器連接電纜接口采用的是航空插頭，在長時間振動較大時，插頭連接處及電纜與航空插頭接線處容易出現插頭松動或電纜磨損，從而導致接線松動或接觸不良的情況發(fā)生。故障解決方案：（1）在合適情況停車處理，檢查角度編碼器與TSA之間電纜連接情況，特別是角度編碼器的電纜接頭。多數情況下，故障出現在角度編碼器接頭處。（2）若角度編碼器接頭處出現松動或電纜磨損，應拆開接頭連接處，檢查插頭端子是否損壞或臟污，必要時進行清潔；檢查電纜與接頭的連接是否牢固，必要時可用萬用表測量接頭處電纜到TSA內接線端子間的電纜連通情況。（三）角度編碼器供電故障故障現象：曲柄轉角系統(tǒng)出現電源故障，TSA左上角指示燈一直處于熄滅狀態(tài)，正常情況下，該指示燈會隨著曲柄角度變化而閃爍。停車檢查后，角度編碼器轉軸上的標記與殼體標記重合，接頭沒有松動現象。萬用表測量TSA內電源端子，沒有電壓。若兩套曲柄轉角系統(tǒng)均出現電源故障，CCU和ECU將收不到曲柄轉角信號，柴油機將停車。故障原因：由圖2可知，角度編碼器A和TSAA由ECUA供電，角度編碼器B和TSA-B由ECUB供電。若出現電源故障，多數情況是由于ECUA或ECUB對外供電出現問題。故障解決方案：以TSA-A供電故障為例進行闡述。（1）用萬用表測量TSA-A箱內電源情況。若沒有電壓，則進一步測量ECUA中J40通道的A和D端子間電壓情況，若還沒有電壓，則說明ECUA對曲柄轉角系統(tǒng)的供電通道出現問題。（2）繼續(xù)測量ECUA中J41-J47通道的A和D端子是否有電壓，如果電壓為24V，則將J40通道A和D端子接線移至J41-J47中任一通道的A和D端子即可。（3）如果J40-J47通道的A和D端子均沒有電壓，則說明這些通道的保險損壞，檢查更換即可。（四）飛輪端MSA標記位置探頭故障故障現象：安裝在飛輪端的MSA標記位置探頭指示燈無閃爍，曲柄轉角系統(tǒng)A和B的曲柄角度偏差大，MOP中出現曲柄角度偏差大報警。故障原因：角度編碼器A中有兩個標記位置探頭，為了進行角度校準，MSA標記位置探頭安裝在飛輪端。MSA標記位置探頭會由于與飛輪距離發(fā)生變化及振動大等原因出現故障，最直接的判斷方式是觀察探頭上指示燈閃爍情況。故障解決方案：在TSA-A箱內，有兩組MSA標記位置探頭連接線，分別來自飛輪端MSA探頭和角度編碼器內部MSA探頭。TSA使用的是來自飛輪端的探頭連接線，而角度編碼器內部的MSA探頭連接線在箱子內處于懸空狀態(tài)沒有使用。飛輪端MSA探頭出現故障后，處理方案是在TSA-A箱內，用角度編碼器內部MSA探頭連接線臨時代替飛輪端MSA探頭連接線，待飛輪端探頭修復后，再恢復即可。四、日常管理建議電噴柴油機日常管理中應特別注意對曲柄轉角系統(tǒng)的檢查與測試，針對曲柄轉角系統(tǒng)常見故障，提出以下管理建議：（1）每航次或長時間航行后，檢查角度編碼器鎖緊螺栓是否松動，必要時用內六角扳手緊固。檢查MOP界面Maintenance—FunctionTest中DeltaTachoB里面的數值應小于1°。（2）定期盤車檢查在上止點時，TSA-A指示燈點亮；在飛輪上止點后45°時，TSA-B指示燈點亮。若指示燈點亮時，飛輪角度相差太大，應重新松開角度編碼器鎖緊螺栓進行調整并校正。（3）定期檢查角度編碼器連接電纜是否磨損，電纜插頭連接是否松動，必要時進行緊固。（4）定期檢查安裝于飛輪端MSA標記位置探頭與飛輪的間隙情況，該間隙一般為3±1