基于電子控制的MAN低速柴油機的調試及臺架試驗

李健，程勇，周夢，蔣耀龍

（合肥熔安動力機械有限公司，安徽合肥 230601）

0 引言

科學的不斷進步和能源的不斷消耗對船用低速柴油機提出了更高的要求，包括降低燃油和主滑油的消耗，降低污染物的排放，增加柴油機的靈活性和可靠性等。而傳統的主機都是通過凸輪軸來控制噴油和排氣閥的正時，很難滿足以上要求。

MAN公司近幾年研發出了基于電子控制的柴油機，稱為ME型主機。公司在2010年接到首批ME主機訂單，并于2011年5月成功造出首制機，其性能是否能夠滿足設計要求急需得到驗證，故對其進行調試和臺架試驗是很有必要的。由于ME主機的調試具有一定的特殊性和復雜性，公司在對ME主機進行深入研究的基礎上，根據具體的要求，自行設計開發了一套試驗設備，利用此設備對主機進行了試車，并對試驗結果進行分析，驗證了ME主機的優越性，同時也驗證了試車設備的通用性。

1 液壓系統和控制系統

與傳統機型相比，ME型主機的調試相對較復雜，其主要原因是ME型主機對液壓系統和控制系統進行了較大幅度的改變，尤其是應用了智能型控制和大量電氣模塊。因此必須對液壓系統和控制系統進行全面深入的理解和把握，才能順利地進行主機調試和臺架試驗。

1.1 液壓系統

液壓系統主要包括HPS（液壓動力系統）、HCU（液壓氣缸單元）及蓄壓器單元，結構簡圖如圖1所示。液壓系統的主要功能是提供高壓伺服油，用于驅動燃油泵和排氣閥執行器，受主機控制系統控制。

圖1 ME主機液壓系統回路

公司制造的5S60ME-C8主機采用了最新的300bar伺服油驅動技術，與早期的200bar相比，結構更簡單、緊湊，重量也得到了減小。

伺服油來自于主滑油，主滑油的90%用于主機運動系統的冷卻和潤滑，僅有10%轉化為伺服油。由于ME系統對伺服油顆粒度的要求極高，所以主機自身配備了一個帶反向自動沖洗功能的濾器，濾芯為6μm。

HPS主要用于給伺服油加壓，由進口的2bar左右加壓到300bar左右，主要使用兩種泵，一種是機帶泵，即由曲軸鏈輪帶動小齒輪，小齒輪再驅動伺服油泵進行加壓；另一種是電動泵，即直接由440V電源驅動。泵的數量因機型不同而不同。

圖2 HCU分單元簡圖

在主機備車時，電動泵會自動運行，提供初始的伺服油壓力。起動后，隨著主機轉速的上升，機帶泵達到工作轉速，此時機帶泵即會取代電動泵運行，為主機的液壓控制系統提供足夠的高壓伺服油壓力。

穩壓后的300bar伺服油進入HCU液壓氣缸單元，每個氣缸都配置了這樣一個單元，如圖2所示，每個單元都包含一套燃油泵、排氣閥執行器、FIVA閥、分配塊、氣缸注油器、蓄壓器和閥件等。

1.2 控制系統

控制系統是ME主機的另一特色，控制簡圖如圖3所示。

圖3 ME主機控制系統簡圖

ME主機控制系統運用了大量的電子模塊，一些分布在集控室內，如EICU、MOP；一些分布在柴油機控制板上，如ECU、ACU、CCU和LOP等。

分布在集控室內的EICU是柴油機接口控制單元模塊，主要作為接口控制器；MOP是主操作板，位于集控臺上，船員通過MOP發送指令，通過控制系統控制主機的運行。

分布在柴油機控制板上的ECU是柴油機控制單元模塊，其功能相當于一個調速器；ACU是輔助控制單元模塊，它控制著主機上的部分輔助設備，例如輔助鼓風機、伺服油泵、HPS電動泵等；每個氣缸的CCU是氣缸控制單元模塊，控制著每缸的噴油、排氣、氣缸注油以及起動空氣等；LOP是機旁操作板，用于船員在機旁操作主機。兩條網絡線將這些控制模塊聯系起來，實現數據共享，模塊的ID號使得每個模塊都有各自的地址碼，不會造成模塊間通訊的混亂，使數據交換順利進行。兩條網絡線是冗余設計的概念，即當一條失效時，另外一條網絡線仍可繼續工作，避免了系統崩潰，提高了可靠性。

ME型主機取消了停車電磁閥，由每缸的CCU單獨控制每缸的停車，這也是異于傳統機型的地方，調試時需特別注意這一點。

2 臺架試驗

柴油機的好壞、性能的優劣及理論設計的符合度等都必須通過臺架試驗進行驗證，公司在這方面進行了探索。

2.1 試車設備簡介

ME主機的試車與傳統MC型主機相比有很大的差別，根據MAN公司《ME型主機車間試驗導則》[2]及公司《5S60ME-C平臺提交試車大綱》[3]的具體要求，結合實際情況，公司自行開發了一套主機臺架試驗的設備。

由于ME主機的主要功能都由MAN本身的控制系統來實現，所以試車時無需遙控系統的設備，僅使用MAN的控制設備和一些輔助控制裝置即可。公司開發的這套臺架試驗的設備包括以下幾個部分：試車控制臺，電源箱，安保裝置。其中，試車控制臺（圖4）配有兩臺MOP、監測儀表、鍵盤鼠標、ME-C專用的調油手柄和兩個EICU模塊，此外，還配有幾個輔助開關。

圖4 試車控制臺

由于ME主機用電設備很多，主要使用24V直流電，且控制模塊對電源要求較高，故公司使用了有多路電源并聯輸出的電源箱（圖5），由220V交流電供電，帶有UPS模塊和大容量的蓄電池。當交流電源供電發生故障時，蓄電池可保證控制模塊繼續運行一段時間，保證主機安全。

圖5 電源箱圖

圖6 安保系統試車裝置

安保系統試車裝置（圖6），可以實現自動停車，也可以實現手動的緊急停車。手動停車功能是通過按“下一個”按鈕開關，送出一個緊急停車的命令給安保系統，同時點亮指示燈，顯示當前停車的原因。主機上的一些很重要的參數需要被監測，一旦這些參數值超過設定值，則會有開關量或模擬量（轉速信號）信號輸入給安保系統，安保系統在預先設定的延時后會輸出一個停車信號給ME控制系統，實現自動停車，保障主機的安全。主機停車保護起作用后，必須將操車手柄移動到停車位置，此時安保系統才會復位，主機才能重新起動。為了防止因系統故障導致主機不能應急停車，還應配置一套備用系統，以實現無延時的接替工作。

此套試車設備可以滿足所有的ME主機的試車，保證了通用性，降低了成本。

2.2 試車前的準備

動車之前需完成以下工作：首先是電纜鋪設完整、正確，電氣連接無誤；其次是對整機管路進行投油，保證管路沖洗干凈，管內污物不會進入柴油機以損壞軸承、閥件等精密器件。投油分三步，先是外圍管系的投油，再是主滑油管路的投油，最后是HCU管路的投油。經取樣檢查合格后，方可動車。ME主機是電控主機，許多操作都是由電腦完成，各個控制模塊之間也是通過冗余網絡線進行連接，所以必須先安裝軟件和設定各模塊的地址。

試車時，使用最新的電控系統軟件MEECS0905-8.2版，新版本增加了新功能，主要包括：HCU、HPS和角度編碼器的調試界面，HCU和HPS故障問題分析和數據記錄，絕緣監測和電源噪聲監測，與外部報警系統相連接。

另外，在臺架試驗之前，以Chief的身份進入系統，通過MOP對各個子模塊進行標定和監測。

2.3 臺架試驗

在主機提交時，公司首先進行了安保系統的試驗，保證主機在試車過程中遇險時能自動停車，為后續試驗提供安全保證。主要測試以下幾點：超速保護、曲柄箱油霧濃度高、主滑油壓力低、推力塊溫度高等。另外，還外還包括ME自身控制系統的幾個點，如HPS泄漏液位高，液壓系統壓力低等。試驗證明，所有的點都自動停車，安保系統順利通過試驗，能夠滿足MAN公司和船級社的要求，也驗證了公司開發的安保系統的可靠性。

其次，公司進行了正倒車起動試驗以及盤車機連鎖功能試驗。

最后進行的是跑負荷試驗。公司按照試車大綱的 要 求， 選 擇25%，50%，70%，75%，90%，100%和110%幾個負荷點進行試驗，并同時進行主機性能的測試、數據的記錄、排放的測試、油耗的測試以及增壓器數據的測試等。

在試車時，公司采用世界上最新的帶Autotuning功能的PMI on-line 系統，該系統可自動調節最大的爆壓值和平衡各缸之間的壓力，圖7是100%負荷處各缸噴射曲線，由圖可知，各缸之間有著很好的壓力平衡，使得最終的油耗更省，滿足設計要求。

圖7 100%負荷處噴射曲線

作為首制機，公司還進行了停缸試驗，在65%左右的負荷下，停止一缸，進行試驗。試驗表明，ME主機在低負荷時很穩定。由于ME機型采用了單缸直接控制，相比傳統機型，其停缸操作更簡單。

3 試車結果及分析

修正后的各負荷點處的油耗曲線見圖8，由圖可知，燃油消耗值在70%負荷時最低，為170.7g/kWh，而在考核點100%負荷時，也僅為175.32g/kWh，滿足設計要求，比傳統的MC主機相比，油耗更低。因此，結果顯示出電子控制柴油機具有一定的優越性。

圖8 各負荷點處油耗的數據

排放試驗分別選擇在25%，50%，75%，100%處的4個負荷點進行測試，采用E3循環，每個點至少穩定運行20min后開始測量。測量結果如圖9所示，將100%負荷點的NOx排放的連續測量曲線（圖10）上的具體數值帶入計算公式后，得出在最大負荷點處NOx排放量為11.13g/kWh，小于國際船舶組織規定的第二代排放的限定值14.4g/kWh，滿足設計要求。

圖9 各負荷點處排放的數據

圖10 100%負荷點處NOx數據

臺架試驗的過程中也遇到了各種問題。主要有：

1）布線。主機電纜多，接線工作量大，且在電氣調試過程中，出現了很多報警，如接線問題導致的角度編碼器接線盒短路燒板。信號線與電源線捆在一起可導致信號干擾。

2）設置出現問題易導致錯誤發生。如通電調試過程中，DIP SWITCH網絡地址設定時，二進制撥碼順序顛倒易導致MPC地址判斷錯誤。角度編碼器標定時，2#碼器調整45°運行位置設定成225°時，易導致MOP報警。

3）裝配問題。如油霧探測器的吸氣管路未安裝好易導致油霧串缸誤報警，測速傳感器支架未正確安裝易導致距離不正確等。

以上這些問題均需在后續主機研制時多加注意并解決。

4 結論及展望

公司首臺機ME型主機已經順利提交，從臺架試驗的結果來看，與傳統機型相比，油耗和NOx排放量確實有所降低，且通過PMI on-line系統，使得主機的調諧過程更加簡單可靠。整個試車設備在主機運行過程中發揮了很大的作用，未出現大的問題，實現了通用性，為后續ME主機的試驗提供了堅實的平臺。但由于用于電子控制的主機電纜以及電子設備多，控制系統和液壓系統較復雜，調試和日后維護工作復雜，信號存在干擾問題，故在以后的工作中需著重考慮這些問題。電子控制的柴油機是技術發展和研究的重要課題，ME主機進入市場是一種趨勢，相信隨著技術的不斷進步，ME主機的前途會更加光明。因此，與ME主機相關的技術也急需研發。

參考資料：

[1]MAN Corporation.MAN B&W S60ME-C8-TII project guide[Z].2010.

[2]MAN Corporation.General guideline for shop testing[Z].2010.

[3]Hefei Rongan Power Machinery Co.,Ltd.5S60ME-C8 shop delivery test plan[Z].2011.