應用鋼質船規范開展船用低速柴油機控制系統的出廠檢驗

中國船級社宜昌分社 萬 瓊

應用鋼質船規范開展船用低速柴油機控制系統的出廠檢驗

中國船級社宜昌分社 萬 瓊

W?rtsil? RT-flex型柴油機作為目前智能柴油機的主流機型，采用先進的電噴共軌技術，能夠非常精確地控制柴油機燃油噴射時間和燃油噴射量，優化燃油燃燒過程，在實船應用中，降低了船舶柴油機的耗油量，提高了燃油經濟性，同時也很大程度上控制了船用柴油機的不良排放。而WECS-9520是主機控制系統的核心，掌握出廠試驗時WECS-9520控制系統的功能檢查，對柴油機產品檢驗來說非常必要。本文簡要介紹W?rtsil? RT-flex智能型柴油機以及WECS-9520相關的控制功能，重點分析規范對電控系統的設計與安裝要求，并根據規范要求，具體討論WECS-9520系統出廠試驗程序。

WECS-9520系統

一、智能型柴油機

根據中國船級社鋼質海船入級規范（以下簡稱規范）中對智能型柴油機的定義：一般系指對燃油噴油系統、進排氣系統、油水冷卻、氣缸潤滑、廢氣渦輪增壓、振動平衡等各個系統實行綜合電控，使系統參數全面優化，降低能耗、減少環境污染（低有害排放、低噪聲、低振動），并能自動監控自身運行狀況及故障的柴油機。

而W?rtsil? RT-flex柴油機正是這樣一種智能型柴油機，是將電子設備及軟件應用于船用柴油機并成為其重要部分的柴油機。根據柴油機燃燒理論，主要是運用了電控技術，通過控制燃噴射正時、噴油量、噴油速率、壓力以及排氣閥正時，能夠有效地實現柴油機在各種負荷下的性能最優化，從而達到在滿足最新排放要求下，提高其經濟性、可靠性、操縱靈活性和延長使用壽命。

二、WECS-9520系統

WECS-9520 (W?rtsil? Engine Control System)是W?rtsil?-flex柴油機主機控制的核心，包括所有主機相關和氣缸相關的控制功能。從圖1（WECS-9520結構及相關元件系統圖）可以看出：

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

2、每個氣缸控制箱E95.XX，各包含一個FCM-20模塊，用于實現氣缸相關的控制功能；

3、所有的模塊之間通過系統總線CANopen system bus進行通訊。

三、3WECS-9520與主機相關的控制功能（圖2）

所有主機相關的控制功能被分配到各個FCM-20模塊。和傳統柴油機相比，電噴機的很多部件和功能看不見摸不著。傳統柴油機在應急情況下，完全可以脫開控制系統，有油有水有氣就有辦法啟動起來，而電噴機不是這樣，用電子元件去實現的很多功能靠人力靠手動無法實現，所以電噴機在設計上關鍵部件多采用冗余設計，所有模塊的輸入輸出信號都是冗余的，如果一個模塊發生故障，主機仍會運行。電源供應也是冗余的。比如FCM-20模塊每缸一塊，機旁E90箱在線備用一塊。一只模塊故障該缸動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。

這與規范中要求的“電控系統中因功能故障可能影響主推進柴油機正常運轉的設備，應具有雙套系統，如電子控制器、曲軸轉角測量裝置，兩套系統的類型與功能完全相同，當其中之一出現故障時，另一套系統能自動替換前一套繼續工作，以維持柴油機正常運轉，并同時發出相關報警”相吻合。

主機相關的控制功能包括：燃油壓力控制；伺服油壓力控制；監測和觸發功能；燃油泵促動器；氣缸潤滑系統控制。

四、WECS-9520氣缸相關的控制功能（圖3）

每個氣缸都配有一個FCM-20模塊，各個FCM-20模塊通過冗余的系統總線進行通訊。如果一個FCM-20模塊故障，相應的氣缸會切斷，而其他的FCM-20模塊繼續工作。

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

規范對電控系統的設計與安裝要求

規范第三篇第九章附錄二對電控系統的設計與安裝有具體的要求，如下：

1、電控系統電子設備的設計、制造、檢驗，包括軟件設計，應參照本規范第7篇和CCS《電氣電子設備型式認可試驗指南》的有關規定；

2、電控系統應具有故障自診斷和安全保護功能，當出現故障時，系統應立即進行故障診斷，啟動相應的安全保護功能，以維持柴油機工作；

3、電控系統中因功能故障可能影響主推進柴油機正常運轉的設備，應具有雙套系統，如電子控制器、曲軸轉角測量裝置，兩套系統的類型與功能完全相同，當其中之一出現故障時，另一套系統能自動替換前一套繼續工作，以維持柴油機正常運轉，并同時發出相關報警；

4、電控系統應由2套獨立電源經2條獨立線路供電；

5、應設有機旁控制與集控室或駕駛室的控制系統；

6、電控系統的監測功能，應能對系統的傳感器、電子控制器（ECU）及執行機構的主要功能故障進行報警；

7、電控系統應能監視柴油機工作情況，自動調整柴油機各系統參數，并對系統及部件故障能自動檢測和報警；

8、電控系統的零部件在功能特性和結構尺寸上應具有可換性，在結構上應能快速拆卸、更換和安裝；

9、對于易腐蝕損壞的材料，應采用表面防護措施。不同金屬材料的直接接觸，一般應采取防電解腐蝕措施；

10、電控系統應設有檢查端口，使檢測和維修方便。

WECS-9520出廠試驗功能檢查

根據規范要求，電控柴油機應按規范的有關要求進行型式試驗、出廠試驗、船上試驗。

根據規范第三篇第九章附錄二3.3出廠試驗中3.3.3條的規定：電控系統功能的有效性應在試驗中驗證，一般應包括下列驗證項目（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個曲軸轉角傳感器故障；（7）其他適用的故障與功能。

在主機廠提供的出廠試驗大綱中，有一條“WECS-9520功能檢查”，要求檢查柴油機WECS-9520功能。關于這項功能檢查，W?rtsil?有一份具體的指導文件，根據該文件進行操作，就可以確認該臺W?rtsil? RT-flex柴油機的WECS-9520系統各項主要功能是否正常。該文件的內容是符合上述規范要求的。文件中涉及的主要檢查項目及方法如下：

檢查項目一：軟件確認

檢查方法：柴油機處于停車狀態且隨時可以起動，打開flexview中選項卡“SW info”或WECS-9520手動控制面板中的內容，填寫WECS-90功能檢查文件的最后一頁《軟件確認協議》。以確認安裝在flexview電腦中WECS-9520軟件版本正確。

檢查項目二：噴油器及其傳感器功能

燃油噴射控制系統中，噴油開始時間由曲軸轉角信號和VIT信號決定，燃油的實際噴射量由油量活塞的行程決定，油量活塞到達計算行程時噴油結束，噴油量的計算基于調速器的控制信號。每一塊FCM-20模塊通過處理曲軸角度信號和從控制系統接收到的燃油指令，然后每個氣缸模塊獨立計算出自己的噴油定時。

噴油系統操作過程通常為：在活塞到達TDC之前的幾度，FCM-20模塊會考慮到VIT和FQS，計算出正確的噴油角度，然后會給出一個dead time用來補償從控制系統給出的噴油指令到噴油真正開始的時間差。dead time是在噴油循環中，通過比較噴油指令給出，到燃油數量傳感器開始動作這段時間測量到的。燃油數量傳感器還提供了一個噴油量的反饋用來和燃油指令做比較，噴油的開始和結束指令都是由FCM-20模塊觸發的。

在RT-flex智能型柴油氣缸上，每缸都設有三個噴油器，每個都分別有單獨的共軌閥控制。WECS-9520控制系統在控制燃油噴射過程中，會根據柴油機工況選擇由幾個噴油器動作完成燃油噴射。WECS-9520控制系統控制燃油噴射具有一定的靈活性，當柴油機運行時，負荷和轉速極低的情況下，只控制一個噴油器動作完成燃油噴射，選擇哪一個噴油器是根據當時氣缸的氣流來決定的。當柴油機處在較低轉速低負荷運行時，控制兩個噴油器同時動作。當主機運行時，負荷較大轉速較高時，則選擇三個噴油器同時動作進行燃油噴射。這種根據負荷，通過WECS-9520靈活控制噴油器噴油的設置，有利于提高燃油的經濟性，也改善了船舶主機的排放條件。

噴油器及其傳感器功能的檢查方法為：柴油機在很低的負荷下按照轉速控制模式運行，打開flexview：INJECT，慢慢將柴油機轉速提升至例如25%負荷轉速，然后觀察動作噴油器數量及flexview中所有值。如果INJECT將頻繁變化，且所有數值在限制范圍內（所有參數不應顯示紅色），則該項檢查通過。

檢查項目三：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閉。一個分離裝置將動作共軌閥的伺服油和動作排氣閥閥桿的液壓油分離出來，排氣閥桿的運動通過兩個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）計算出來的。當排氣閥共軌動作到“開啟”位置時，伺服油壓動作排氣閥控制閥，在隔離區下面的空間充滿了伺服油，隔離區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送到排氣閥開始動作，這段時間稱之為opening deadtime。這個deadtime會通過稍微提前一點觸發排氣閥電磁閥，來補償來自液壓和機械系統的時間延時。排氣閥關閉角度是由FCM-20模塊計算和控制的，包括VEC(可變排氣閥關閉角度）和closing deadtime。

排氣閥及其傳感器功能的檢查方法為：柴油機在任意負荷下按照轉速控制模式運行（例如按照螺旋槳曲線，25%負荷），打開flexview：EXHV。觀察flexview中所有值，如果EXHV數值將頻繁變化，且所有數值在限制范圍內（所有參數不應顯示紅色），則該項檢查通過。

檢查項目四：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作，如果主機運行中一個FCM-20發生故障，相應的氣缸動作就會停止，剩余其他氣缸繼續保持動作。在控制系統的設置中，FCM-20模塊都有備件，但與傳統機械備件相比，FCM-20模塊可以實現工作時在線替換。備件模塊安裝后，會實時儲存相應的軟件參數，不再需要下載軟件和程序。當安裝一個新的FCM-20模塊時，首先要將其安裝在E90箱子里，作為在線備件。新模塊在E90箱內進行數據同步下載。當數據下載存儲后，才能作為E95控制箱內備用FCM-20模塊使用。

為保證WECS-9520控制系統電源供應不中斷，每個模塊都有兩路供電，一路作為備用。

檢查方法：柴油機在任意負荷運行，轉速應低于降速轉速。然后切斷E85中某一氣缸FCM-20的供電。這時，除選定氣缸外，其余氣缸均正常發火，柴油機繼續運行。在總線上，WECS反饋信息：WECS Module FCM-20 #_ failed。以上都滿足，則該項檢查通過。

該項檢查確認了FCM-20模塊通信功能正常，產生不同的報警和反饋信息，并確認安保系統可以正常觸發降速信號。

檢查項目五：柴油機運行時，“Fuel Shut Down Pilot Valve燃油切斷引導閥”

“Fuel Shut down Pilot Valve燃油切斷閥”功能正常（該試驗通常作為標準臺架試驗時的“應急停車試驗”）。

在主機停車的控制環節，從主機安保系統發出的停車信號將會有以下動作：安保系統觸發泄油信號，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，并通過應急停車電磁閥3.08進行應急停車。WECS-9520將燃油泵的執行機構調到0位，用來停止燃油供應，噴油控制將被WECS-9520閉鎖。

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

該項檢查說明切斷閥的開啟，可以觸發柴油機停車。

檢查項目六：氣缸潤滑功能故障

檢查方法：使柴油機在低于降速轉速下的任意負荷運行，將其中一個泵單元的插頭從壓力傳感器上拆下。此時柴油機保持運行，而主機有如下變化：WECS在總線上反饋信息：ME Cylinder Lubrication Malfunction Cyl#_；flexview中信息：Lubrication Module Cylinder #__ pressure measuring failure；安保系統觸發降速命令。

檢查項目七：增壓器控制單元通訊失敗（僅適用于可調增壓器系統VTG主機）

檢查方法：速度控制模式下，主機在任意負荷運行（比如25%負荷），VTG位于AUTO（自動）模式。拔下E99.X箱上的一個VTG插頭，此時柴油機在過載保護模式下主機持續運行，增壓器轉子鎖死。WECS發出故障信息：WECS Passive Failure ，T/C Communication fail。

檢查項目八：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）

曲軸角度編碼器是電噴機的一個核心部件，為WECS-9520控制系統提供完整的曲軸圓周角度。如果兩個角度傳感器中有一個故障，WECS-9520會利用剩下的那個好的傳感器繼續工作。但是至少要有一個角度傳感器正常工作，兩只角度編碼器連接在一根驅動軸上，如果兩只都損壞主機無法運行。

檢查方法： 轉速控制模式下柴油機在任意負荷下運行（例如按照螺旋槳曲線，25%負荷），然后在E95.4或E95.5中拔下其中一個FCM-20模塊的X26接頭。此時主機應正常運行，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選項卡，發現：柴油機停車狀態下，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。

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

檢查方法：在柴油機在只有一個ACM-20單元工作的狀態下運行時（在上一步試驗中另一個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。

這時柴油機發生如下反應：1、WECS控 制柴油機 停車；2、WECS反饋信息：→WECS Critical Failure:ME Crank angle 1+2 fail，該信息在推進控制/安保系統中也有顯示；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。