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应用钢质船规范开展船用低速柴油机控制系统的出厂检验(Z.2017.8)

新闻来源:中国船检    浏览量:543 万琼 2017-09-21
        Wärtsilä RT-flex型柴油机作为目前智能柴油机的主流机型,采用先进的电喷共轨技术,能够非常精确地控制柴油机燃油喷射时间和燃油喷射量,优化燃油燃烧过程,在实船应用中,降低了船舶柴油机的耗油量,提高了燃油经济性,同时也很大程度上控制了船用柴油机的不良排放。而WECS-9520是主机控制系统的核心,掌握出厂试验时WECS-9520控制系统的功能检查,对柴油机产品检验来说非常必要。本文简要介绍Wärtsilä RT-flex智能型柴油机以及WECS-9520相关的控制功能,重点分析规范对电控系统的设计与安装要求,并根据规范要求,具体讨论WECS-9520系统出厂试验程序。
        WECS-9520系统
        一、智能型柴油机
        根据中国船级社钢质海船入级规范(以下简称规范)中对智能型柴油机的定义:一般系指对燃油喷油系统、进排气系统、油水冷却、气缸润滑、废气涡轮增压、振动平衡等各个系统实行综合电控,使系统参数全面优化,降低能耗、减少环境污染(低有害排放、低噪声、低振动),并能自动监控自身运行状况及故障的柴油机。
        而Wärtsilä RT-flex柴油机正是这样一种智能型柴油机,是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柴油机。根据柴油机燃烧理论,主要是运用了电控技术,通过控制燃喷射正时、喷油量、喷油速率、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。
        二、WECS-9520系统
        WECS-9520 (Wärtsilä Engine Control System) 是Wärtsilä-flex柴油机主机控制的核心,包括所有主机相关和气缸相关的控制功能。从图1(WECS-9520结构及相关元件系统图)可以看出:

图1 WECS-9520的结构及相关元件系统图
        1. 控制箱E90(SIB)包含一个作为在线备件的FCM-20(Flex Control Module 20)模块,作为与其他外部系统通讯的接口单元;
        2. 每个气缸控制箱E95.XX,各包含一个FCM-20模块,用于实现气缸相关的控制功能;
        3. 所有的模块之间通过系统总线CANopen system bus进行通讯。
        三、3WECS-9520与主机相关的控制功能(图2)
图2 WECS-9520 与主机相关的控制功能
        所有主机相关的控制功能被分配到各个FCM-20模块。和传统柴油机相比,电喷机的很多部件和功能看不见摸不着。传统柴油机在应急情况下,完全可以脱开控制系统,有油有水有气就有办法启动起来,而电喷机不是这样,用电子元件去实现的很多功能靠人力靠手动无法实现,所以电喷机在设计上关键部件多采用冗余设计,所有模块的输入输出信号都是冗余的,如果一个模块发生故障,主机仍会运行。电源供应也是冗余的。比如FCM-20模块每缸一块,机旁E90箱在线备用一块。一只模块故障该缸动作停止其他缸不受影响,任何一只模块都可以被在线模块替换。
        这与规范中要求的“电控系统中因功能故障可能影响主推进柴油机正常运转的设备,应具有双套系统,如电子控制器、曲轴转角测量装置,两套系统的类型与功能完全相同,当其中之一出现故障时,另一套系统能自动替换前一套继续工作,以维持柴油机正常运转,并同时发出相关报警”相吻合。
        主机相关的控制功能包括:燃油压力控制;伺服油压力控制;监测和触发功能;燃油泵促动器;气缸润滑系统控制。
        四、WECS-9520气缸相关的控制功能(图3)

图3 WECS-9520 与气缸相关的控制功能
        每个气缸都配有一个FCM-20模块,各个FCM-20模块通过冗余的系统总线进行通讯。如果一个FCM-20模块故障,相应的气缸会切断,而其他的FCM-20模块继续工作。
        气缸相关的控制功能包括:容积喷射控制(包括VIT);排气阀控制(包括VEO/VEC);起动阀控制。
        规范对电控系统的设计与安装要求
        规范第三篇第九章附录二对电控系统的设计与安装有具体的要求,如下:
        1. 电控系统电子设备的设计、制造、检验,包括软件设计,应参照本规范第7篇和CCS《电气电子设备型式认可试验指南》的有关规定;
        2. 电控系统应具有故障自诊断和安全保护功能,当出现故障时,系统应立即进行故障诊断,启动相应的安全保护功能,以维持柴油机工作;
        3. 电控系统中因功能故障可能影响主推进柴油机正常运转的设备,应具有双套系统,如电子控制器、曲轴转角测量装置,两套系统的类型与功能完全相同,当其中之一出现故障时,另一套系统能自动替换前一套继续工作,以维持柴油机正常运转,并同时发出相关报警;
        4. 电控系统应由2套独立电源经2条独立线路供电;
        5. 应设有机旁控制与集控室或驾驶室的控制系统;
        6. 电控系统的监测功能,应能对系统的传感器、电子控制器(ECU)及执行机构的主要功能故障进行报警;
        7. 电控系统应能监视柴油机工作情况,自动调整柴油机各系统参数,并对系统及部件故障能自动检测和报警;
        8. 电控系统的零部件在功能特性和结构尺寸上应具有可换性,在结构上应能快速拆卸、更换和安装;
        9. 对于易腐蚀损坏的材料,应采用表面防护措施。不同金属材料的直接接触,一般应采取防电解腐蚀措施;
        10. 电控系统应设有检查端口,使检测和维修方便。
        WECS-9520出厂试验功能检查
        根据规范要求,电控柴油机应按规范的有关要求进行型式试验、出厂试验、船上试验。
        根据规范第三篇第九章附录二3.3出厂试验中3.3.3条的规定:电控系统功能的有效性应在试验中验证,一般应包括下列验证项目(如适用):(1)软件版本证明;(2)燃油喷射控制阀功能;(3)排气控制阀功能;(4)1缸控制模块电源故障;(5)紧急停车装置功能;(6)1个曲轴转角传感器故障;(7)其他适用的故障与功能。
        在主机厂提供的出厂试验大纲中,有一条“WECS-9520功能检查”,要求检查柴油机WECS-9520功能。关于这项功能检查,Wärtsilä有一份具体的指导文件,根据该文件进行操作,就可以确认该台Wärtsilä RT-flex 柴油机的WECS-9520系统各项主要功能是否正常。该文件的内容是符合上述规范要求的。文件中涉及的主要检查项目及方法如下:
        检查项目一:软件确认
        检查方法:柴油机处于停车状态且随时可以起动,打开flexview中选项卡“SW info”或WECS-9520手动控制面板中的内容,填写WECS-90功能检查文件的最后一页《软件确认协议》。以确认安装在flexview电脑中WECS-9520软件版本正确。
        检查项目二:喷油器及其传感器功能
        燃油喷射控制系统中,喷油开始时间由曲轴转角信号和VIT信号决定,燃油的实际喷射量由油量活塞的行程决定,油量活塞到达计算行程时喷油结束,喷油量的计算基于调速器的控制信号。每一块FCM-20模块通过处理曲轴角度信号和从控制系统接收到的燃油指令,然后每个气缸模块独立计算出自己的喷油定时。
        喷油系统操作过程通常为:在活塞到达TDC之前的几度,FCM-20模块会考虑到VIT和FQS,计算出正确的喷油角度,然后会给出一个dead time用来补偿从控制系统给出的喷油指令到喷油真正开始的时间差。dead time是在喷油循环中,通过比较喷油指令给出,到燃油数量传感器开始动作这段时间测量到的。燃油数量传感器还提供了一个喷油量的反馈用来和燃油指令做比较,喷油的开始和结束指令都是由FCM-20模块触发的。
        在RT-flex智能型柴油气缸上,每缸都设有三个喷油器,每个都分别有单独的共轨阀控制。WECS-9520控制系统在控制燃油喷射过程中,会根据柴油机工况选择由几个喷油器动作完成燃油喷射。WECS-9520控制系统控制燃油喷射具有一定的灵活性,当柴油机运行时,负荷和转速极低的情况下,只控制一个喷油器动作完成燃油喷射,选择哪一个喷油器是根据当时气缸的气流来决定的。当柴油机处在较低转速低负荷运行时,控制两个喷油器同时动作。当主机运行时,负荷较大转速较高时,则选择三个喷油器同时动作进行燃油喷射。这种根据负荷,通过WECS-9520灵活控制喷油器喷油的设置,有利于提高燃油的经济性,也改善了船舶主机的排放条件。
        喷油器及其传感器功能的检查方法为:柴油机在很低的负荷下按照转速控制模式运行,打开flexview:INJECT,慢慢将柴油机转速提升至例如25%负荷转速,然后观察动作喷油器数量及flexview中所有值。如果INJECT将频繁变化,且所有数值在限制范围内(所有参数不应显示红色),则该项检查通过。
        检查项目三:排气阀及其传感器功能
        排气阀的控制作用如图4所示,排气阀由伺服油压打开,并且由空气弹簧压力关闭。一个分离装置将动作共轨阀的伺服油和动作排气阀阀杆的液压油分离出来,排气阀杆的运动通过两个位置传感器将其位置反馈给WECS-9520。排气阀开启角度是由每一块FCM-20模块根据测量到的曲轴角度、理论开启角和VEO(可变排气阀开启角度)计算出来的。当排气阀共轨动作到“开启”位置时,伺服油压动作排气阀控制阀,在隔离区下面的空间充满了伺服油,隔离区的活塞将油压入蓄压管,最终通过这里顶开排气阀阀杆。从开启排气阀指令发送到排气阀开始动作,这段时间称之为opening deadtime。这个deadtime会通过稍微提前一点触发排气阀电磁阀,来补偿来自液压和机械系统的时间延时。排气阀关闭角度是由FCM-20模块计算和控制的,包括VEC(可变排气阀关闭角度)和closing deadtime。

图4 排气阀控制示意图
        排气阀及其传感器功能的检查方法为:柴油机在任意负荷下按照转速控制模式运行(例如按照螺旋桨曲线,25%负荷),打开flexview :EXHV。观察flexview中所有值,如果EXHV数值将频繁变化,且所有数值在限制范围内(所有参数不应显示红色),则该项检查通过。
        检查项目四:FCM-20供电失效及一缸失效
        FCM-20模块控制气缸燃油喷射等动作,如果主机运行中一个FCM-20发生故障,相应的气缸动作就会停止,剩余其他气缸继续保持动作。在控制系统的设置中,FCM-20模块都有备件,但与传统机械备件相比,FCM-20模块可以实现工作时在线替换。备件模块安装后,会实时储存相应的软件参数,不再需要下载软件和程序。当安装一个新的FCM-20模块时,首先要将其安装在E90箱子里,作为在线备件。新模块在E90箱内进行数据同步下载。当数据下载存储后,才能作为E95控制箱内备用FCM-20模块使用。
        为保证WECS-9520控制系统电源供应不中断,每个模块都有两路供电,一路作为备用。
        检查方法:柴油机在任意负荷运行,转速应低于降速转速。然后切断E85中某一气缸FCM-20的供电。这时,除选定气缸外,其余气缸均正常发火,柴油机继续运行。在总线上,WECS反馈信息:WECS Module FCM-20 #_failed。以上都满足,则该项检查通过。
        该项检查确认了FCM-20模块通信功能正常,产生不同的报警和反馈信息,并确认安保系统可以正常触发降速信号。
        检查项目五:柴油机运行时,“Fuel Shut Down Pilot Valve 燃油切断引导阀”
       “Fuel Shut down Pilot Valve燃油切断阀”功能正常(该试验通常作为标准台架试验时的“应急停车试验”)。
        在主机停车的控制环节,从主机安保系统发出的停车信号将会有以下动作:安保系统触发泄油信号,燃油从中间燃油蓄压器回到油管,通过打开液压燃油泄放阀3.07,并通过应急停车电磁阀3.08进行应急停车。WECS-9520将燃油泵的执行机构调到0位,用来停止燃油供应,喷油控制将被WECS-9520闭锁。
        燃油切断阀功能的检查方法:柴油机在极低负荷(例如按照螺旋桨曲线,10%负荷)按照转速控制模式运行。按下任意位置的“Emergency Stop应急停车”按钮(例如在ECR控制台),然后观察手动控制面板或者fV :INDIC中共轨燃油压力值。此时燃油促动器中的燃油压力应降至200bar以下。此外,柴油机应作出以下反馈:1.WECS将切断所有气缸的燃油供应;2.燃油泵促动器会降至0位,直至柴油机停车;3.flexView中反馈信息显示“ME Shut down On Safety System”。
        该项检查说明切断阀的开启,可以触发柴油机停车。
        检查项目六:气缸润滑功能故障
        检查方法:使柴油机在低于降速转速下的任意负荷运行,将其中一个泵单元的插头从压力传感器上拆下。此时柴油机保持运行,而主机有如下变化:WECS在总线上反馈信息:ME Cylinder Lubrication Malfunction Cyl#_;flexview中信息:Lubrication Module Cylinder#__ pressure measuring failure;安保系统触发降速命令。
        检查项目七:增压器控制单元通讯失败(仅适用于可调增压器系统VTG主机)
        检查方法:速度控制模式下,主机在任意负荷运行(比如25%负荷),VTG位于AUTO(自动)模式。拔下E99.X箱上的一个VTG插头,此时柴油机在过载保护模式下主机持续运行,增压器转子锁死。WECS发出故障信息:WECS Passive Failure,T/CCommunication fail。
        检查项目八:曲轴角度总线/传感器故障—曲轴角度总线接线(仅适用于带CAS盘车轮的RTflex主机)
        曲轴角度编码器是电喷机的一个核心部件,为WECS-9520控制系统提供完整的曲轴圆周角度。如果两个角度传感器中有一个故障,WECS-9520会利用剩下的那个好的传感器继续工作。但是至少要有一个角度传感器正常工作,两只角度编码器连接在一根驱动轴上,如果两只都损坏主机无法运行。
        检查方法: 转速控制模式下柴油机在任意负荷下运行(例如按照螺旋桨曲线,25%负荷),然后在E95.4或E95.5中拔下其中一个FCM-20模块的X26接头。此时主机应正常运行,而检查WECS在总线上反馈故障信息。WECS及fv中均有反馈信息。然后打开flexview中的TEST选项卡,发现:柴油机停车状态下,所有FCM-20显示在线的曲轴角度传感器角度,而拔下插头的不显示角度。
        检查项目九:柴油机故障及WECS-9520与安保系统通信测试(仅适用于带CAS盘车轮的RTflex主机)
        检查方法:在柴油机在只有一个ACM-20单元工作的状态下运行时(在上一步试验中另一个ACM-20单元接头已断开), 将目前正在工作的ACM-20的接线也断开, 在E96.1或E96.2中将ACM-20的接头X3拔下。
        这时柴油机发生如下反应:1.WECS控制柴油机停车;2.WECS反馈信息:→ WECSCritical Failure:ME Crank angle 1+2 fail,该信息在推进控制/安保系统中也有显示;3.flexView上的信息:CA 1 and 2 on all FCM fail;CAN M bus ACM#1failure; CAN M bus ACM#2failure。将插头X3重新连上后,仍然能获得曲柄角度值。
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