海船主機ALPHA電控汽缸注油器系統典型報警與故障診斷

高 炳，熊石鋒

(1.廣東交通職業技術學院，廣東 廣州 510800；2.廣州遠洋運輸公司，廣東 廣州 510061)

技術交流

海船主機ALPHA電控汽缸注油器系統典型報警與故障診斷

高 炳1，熊石鋒2

(1.廣東交通職業技術學院，廣東 廣州 510800；2.廣州遠洋運輸公司，廣東 廣州 510061)

文章簡要介紹了ALPHA電控汽缸注油器系統的構架和工作原理。根據長期的電控汽缸注油系統研發和實船應用操作管理經驗，總結分析了海船主機ALPHA注油系統所遇到的典型報警及其故障診斷處理，可為促進先進電子控制技術在船舶上的應用操作管理和研發水平提供有益參考。

電控注油；海船；故障診斷

對于船用低速2沖程十字頭式柴油機(海船主機)，必須選用汽缸注油器系統進行強制汽缸潤滑。基于傳統機械式注油器不能根據船舶柴油機運行工況的變化實現精準定時定量注油的缺陷，海船主機電子控制式汽缸注油系統自在德國漢堡舉行的第二十三屆國際內燃機大會上展示出現至今，引起了船舶柴油機制造商、研究機構、航運企業等各方的關注[1-4]。尤其是ALPHA電控汽缸注油系統從研發推廣至今，由于其主要特點是由液壓驅動和電子控制，能根據進入汽缸的燃油含硫量和機器工況的變化實現最佳精準定時定量注油，從而能降低汽缸潤滑油的消耗量，進而可提高船舶的可靠性和經濟性，已普遍應用于現代船舶柴油機上，基本取代了傳統機械式汽缸注油器[5-9]。

1 ALPHA電控汽缸注油器系統構架及其工作原理

1.1ALPHA注油器系統構架組成

ALPHA電控汽缸注油器系統。其主要部件有油箱、泵站、注油器單元、注油器控制單元(LCU)、各傳感器、安全與報警系統、人機交互界面(HMI)等[2,9]。

1)泵站和啟動屏。泵站用于提供給電控注油器4～5 MPa的油壓。泵站含有2臺單獨運行的泵、加熱線圈、濾器和油箱。啟動屏有2個單獨的斷路器，1臺泵1個。例如某船MAN Bamp;W 6L60MC主機采用的ALPHA電控注油器系統泵站的技術參數為：工作壓力，4.0～5.0 MPa；工作溫度：30～60 ℃；低壓力報警，3.5 MPa；高壓力報警，6.0 MPa；流量：400 L/h。

2)注油器單元。ALPHA注油器單元每缸1套，中小缸徑的發動機每套有1個注油器，98～70缸徑的發動機每套有2個注油器。注油器單元內側有1個壓力2.5～3.0 MPa的氮氣蓄壓器，外側有1個壓力0.15 MPa的氮氣蓄壓器。每臺注油器負責3～6個注油點(取決于機型)，有1個反饋探頭和1個電磁閥。

3)注油器控制單元(LCU)。把3個控制汽缸潤滑油的主要電氣部件設置在1個鋼質箱子中即為注油器控制單元。即LCU單元含有3個用于控制潤滑油的主要電子元件。它們是：MCU(主控制單元)；BCU(備用控制單元)；SBU(開關板單元)。3個部件均安裝在同一面板的3個鐵盒里，1個端子排提供了全部到發動機的電氣接口。24 V DC由2個獨立的電源提供，來自UPS單元的不同斷路器。

4)人機交互界面(HMI)。在HMI上，可以對各個汽缸進行注油潤滑調整，并顯示出各種數值和各種報警。在人機界面上還設置有泵站的控制按鈕，可以手動啟動油泵進行汽缸油預潤滑等操作。HMI面板一般安裝在集控室。

5)安全與報警系統。檢測到SBU、MCU和BCU的故障時發出警報。如果注油器已經處于BCU控制，則當檢測到BCU故障時，安全與報警系統會發出信號使主機降速。

6)負荷傳送器。負荷傳送器設計與燃油齒條相連，從而連續向MCU發送油門刻度百分比，MCU根據油門刻度百分比和所測的主機轉速計算主機負荷。

7)曲軸轉角編碼器(觸發器系統)。實際就是各缸曲柄角度譯碼器，它安裝在柴油機的前端并與安裝在飛輪端的備用轉速傳感器一起連接到主控制單元(MCU)。曲軸編碼器接在曲軸的自由端，信號通過接線箱傳至計算機板。對于無法在曲軸自由端安裝編碼器的發動機，在盤車輪旁安裝1個觸發環和測速探頭。

8)備用轉速傳感器。備用轉速傳感器系統由2個傳感器組成，他們安裝在飛輪旁的同1個盒內，從而將主機轉速傳給BCU。備用轉速傳感器同時也和MCU相連，起監視作用。

1.2ALPHA電控注油器系統工作原理

1)潤滑油從重力柜流出經泵站供給電控注油器4.0～5.0 MPa的油壓。

2)控制單元通過控制安裝在相應注油器上的電磁閥開閉實現汽缸潤滑油注射[2,9]。

3)各缸電控注油器上傳感器的反饋信號可監測注油動作是否已執行，它通過每缸中間盒上的閃亮二極管(LED)來顯示。

4)注油定時基于從曲軸轉角編碼器上傳來的2個信號，1個是1號缸的上止點信號，另1個是曲軸位置傳感器信號。

5)汽缸潤滑依靠供應恒定量的汽缸油注射為基礎，注油率由電控注油器注射頻率的變化來控制。

6)注射頻率通過油門刻度和轉速來計算，通常正比于主機的平均有效壓力。然而，也可以采用功率(POWER)模式或轉速(RPM)模式[2,8-9]。

7)在人機交互面板上注油率可在基本注油率的60%～200%之間調整，系統默認值是100%。

8)正常運行時，整個系統由主控制單元控制，安全與報警系統一旦檢測到控制單元出現故障，發出警報，并將詳細報警參數顯示到人機交互面板上。

9)如果檢測到主控制單元發生嚴重故障，備用控制單元自動接管(控制開關必須在“自動auto”檔)，同時控制板上的“BCU in control”燈亮。

10)備用控制單元是基于隨機定時和RPM模式的。備用控制單元根據轉速傳感器采到的轉速信號來計算注射頻率，即在備用控制單元上可調節注射頻率，注射頻率比較大以保證單缸循環所需汽缸油量，注射頻率最小值一般設定為基本注油率的1.5倍。

2 ALPHA電控注油器系統典型報警與故障診斷

2.1保險絲故障診斷

注油器控制單元(LCU)電源接口簡圖在ALPHA注油器系統說明書中可查看。保險絲對于注油器各控制單元非常重要，下面分別就各單元保險絲典型故障診斷進行梳理總結。

1)MCU單元。一般保險絲不會斷，但是非正常使用或意外時可能會斷。一旦保險絲斷了，重要的是在恢復正常運行前要找到出問題的部位并予以糾正。MCU單元有2種規格的保險絲：12 A和3 A。適當的位置必須安裝正確規格的保險絲。

MCU單元在濾器板上有3個保險絲F1、F2、F3，其中F1為主保險絲，規格為12 A，是MCU單元的主保險絲。如果這個保險絲斷了，可以排查接到相應插頭上的電器保險絲超負荷。拔掉保險絲檢查有無短路。用萬用表測量保險絲右座到相應端子負極的電阻。阻值低于10 Ω定義為短路。如果測量顯示短路，逐一脫開相應插頭，同時觀察表的讀數。如果能以這種方法找出短路的位置，繼續對可疑的地方進行檢查。如果用上述方法找不出短路的原因，就可懷疑是MCU內部故障。

保險絲F2規格為3 A，是SBU單元(運行MCU模式)的主保險絲。當以MCU模式運行時，此保險絲通過SBU單元提供控制電源(泵運行信號)至泵站和反饋傳感器。如果這個保險絲燒了，就可懷疑泵站線路或汽缸中間箱接頭故障。

保險絲F3規格為3 A，是軸編碼器的主保險絲。如果這個保險絲燒了，可排查編碼器接頭有故障。

2) BCU單元。BCU單元也有12 A和3 A 2種規格的保險絲，在正確的地方使用正確的保險絲是非常重要的。BCU單元在濾器板上同樣有3個保險絲F1、F2、F3。主保險絲F1為12 A，是BCU單元的主保險絲。如果它燒了，可懷疑連到相應插頭上的用電器有超負荷的保險絲。排查方法同MCU單元主保險絲F1。保險絲F2為3 A，是運行BCU模式時SBU單元的主保險絲。該保險絲在BCU模式下向反饋傳感器和泵站供電。如果這個保險絲燒了，可懷疑泵站線路或汽缸中間箱接頭有故障。保險絲F3為3 A，是BCU探頭的主保險絲。如果它燒了，可排查BCU探頭線路故障或BCU箱的接頭故障。

2.2外部報警信號

ALPHA注油器系統外部報警信號有報警系統信號、安全系統信號、狀態指示信號等，其歸類、觸點描述、故障診斷等總結如表1所示。

2.3MCU報警處理和故障診斷

1)反饋故障報警與診斷。如果MCU檢測到來自注油器不正常的反饋信號，就會發出反饋報警。公共報警將觸發AMS系統(發動機報警和監控系統)，并將在HMI面板里貯存報警編碼。HMI板里的報警編碼提供了有關哪臺注油器可能發生故障的信息，例如報警編碼ALR2表示1號缸的2號注油器有故障。一般建議在方便的時候用備件整臺更換有故障的注油器。如果是每缸1臺注油器，則必須立即更換有問題的單元。

如果出現反饋故障，首先檢查中間箱的反饋指示器燈光。如果反饋指示器的燈光是：一直在亮，注油器可能被卡在反饋傳感器一直在發信號的位置。為驗證注油器問題，需脫開注油器的插頭，同時觀察中間箱的指示燈。如果插頭拔掉后燈熄滅了，就是注油器里有問題。須更換注油器并予以維修。另一種情況，如果拔掉插頭后指示燈還亮，故障就不在注油器里。檢查從中間箱至注油器的電纜和插頭有沒有短路，中間箱PCB也可能有問題。如果反饋指示器的燈光一直不亮，從檢查注油器線圈插頭里的紅燈是否閃亮開始。如果線圈插頭的紅燈不閃亮，從線圈上拔下插頭，再次檢查燈是否開始閃亮。若是，則可能線圈內部短路，這可以通過測量電阻來確認。新線圈的電阻值是15～22 Ω。如果線圈插頭的紅燈閃亮，但看不到反饋信號，檢查注油器插頭的連接、電纜的安裝等有無松脫或短路。如果插頭的連接沒問題，就必須把注油器換掉并予以維修。注油器里的指示燈按規定閃亮，說明注油器工作正常，例如某船6L60MC主機所配ALPHA注油器系統規定正常工作時設置每10個注油器行程亮1次，但MCU沒有檢測到反饋信號。則需更換中間箱PCB(印刷電路板)。如果故障仍然存在，檢查至LCU的電纜。

表1 ALPHA注油器外部報警信號

2)編碼器標記信號故障報警與診斷。編碼器標記信號故障報警時，說明標記信號(每轉1個脈沖)不正常。系統將變為根據余下正常的信號隨機潤滑。接到報警信號后，首先檢查編碼器接線箱里的接頭以及LCU控制箱里的接頭。如果線路和保險絲都沒有問題，更換編碼器。如果所有的測速信號都有故障的情況，則按照沒有外部信號的應急運行處理。

3)BCU探頭故障報警與診斷。在發動機飛輪側安裝的2個標記探頭每轉發出1個脈沖。這些信號被用于BCU系統來測定發動機轉速。在信號故障的情況下，它們也被MCU系統用作監控信號并釋放報警。BCU1號或2號探頭不正常時，會發送出相對應的報警信號。

如果ALPHA注油器系統由于MCU單元故障，以BCU模式運行，探頭故障的報警可以通過觀察BCU板上的發光二極管來發現。BCU系統只靠1個探頭提供的信號就能運行。1個探頭故障不是危險的，可在適當的時候予以更換。

BCU探頭有內裝指示燈，發動機每轉1圈閃亮1次。如果觀察到1個探頭報警，首先檢查探頭里的指示燈閃不閃。如果不閃，檢查BCU箱里相應端子上的電壓是否正常。如果相應端子上有電壓，脫開探頭接線連到1號探頭端子或2號探頭端子，觀察指示燈是否開始閃亮。若是，則為探頭到LCU箱的接線短路。如果指示燈仍然不閃，則需更換探頭。如果所有轉速信號都出故障的情況，則按照沒有外部信號的應急運行處理。

4)發動機停車信號故障報警與診斷。如果MCU檢測到不正常的發動機停車信號，將釋放發動機停車信號故障報警。有2種情況將觸發停車信號報警：①發動機在8 r/min以上運行且停車信號在MCU輸入出現超過20 min；②發動機停下來(檢測僅在停車后30 s后激活)，但沒有停車信號在MCU輸入中出現。接收到發動機停車信號故障報警后，需檢查控制系統里的停車信號線路。

5)BCU動作信號丟失報警與診斷。BCU動作信號丟失報警，說明MCU檢測到BCU不正常。

從檢查系統有無其它報警開始。BCU電源故障將觸發這個報警。如果沒有發現其它問題，中斷BCU的電源5 s再試一下。如果問題依然存在，就有可能是BCU損壞，必須更換。發動機可以在MCU模式下運行，直至得到新的BCU板。

6)倒車信號不正常報警與診斷。若MCU單元檢測到倒車信號一直接通超過24 h，則會發出倒車信號不正常報警。發動機可以在此報警出現的情況下運行，但汽缸油量增加。需檢查控制系統里的倒車信號線路。

7) 預潤滑信號不正常報警與診斷。MCU檢測到預潤滑信號且指數高于80%時，發出預潤滑信號不正常報警。此故障不危險。接到此報警后，檢查預潤滑線路。

8)油溫不正常報警與診斷。油溫不正常報警，說明油溫超過報警值。ALPHA注油器系統會設置汽缸潤滑油正常運行溫度指導值，例如某船6L60MC主機所配ALPHA注油器系統此指導值為30～60 ℃。如接到此報警，檢查油溫傳感器(PT100)，測量其電阻。制造廠商給出了在不同溫度下對應的電阻值，如果所測電阻值讀數不符合廠家提供的參考值，則是傳感器壞了，須更換。

9)油壓不正常報警與診斷。油壓不正常報警，說明油壓超出報警值。ALPHA注油器系統會設置汽缸潤滑油正常運行壓力指導值，例如某船6L60MC主機所配ALPHA注油器系統此指導值為4.0～5.0 MPa。如接到此報警，系統自動啟動備用泵且觸發公共報警和HMI板上的報警。如果啟動備用泵后油壓建立起來，公共報警還將保持，直到手動停止備用泵為止。由于檢測到故障，2臺泵將連續運行。該故障通過按HMI板上的PUMP按鈕予以消除。分別檢查泵是否在運行；檢查高壓供油管路有無泄漏；檢查油壓傳感器，測量其電流并與壓力值相比較。電流和壓力不相符合時，必須更換傳感器。

10)轉速偏差報警與診斷。MCU檢測到1個或幾個轉速信號不正常，即會發出轉速偏差報警。接警后，可檢查HMI板里的報警清單，看是BCU探頭還是角度編碼器中哪個探頭不正常，并分別按相應探頭故障診斷處理。

11)燃油指數發送器不正常報警與診斷。若燃油指數發送器不正常報警，說明燃油指數水平與發動機轉速不相符合。由于檢測到此故障，燃油指數被內部設定為100%的固定值。該故障需用激發發動機停車信號來清除。檢查指數發送器的調整。指數發送器本身也可能損壞。若指數發送器電纜中斷或指數發送器損壞，應該糾正電纜故障或更換指數發送器。如果指數發送器被更換，必須進行重新調整。

12)BCU在控制報警與診斷。若出現BCU在控制報警，表明注油器正在以BCU模式運行。檢查模式選擇開關是否在自動位置。然后查找轉換為BCU模式的原因。如果BCU是自動轉換且沒有降速命令，說明MCU系統可能出現不正常。

13)電機超熱負荷報警與診斷。電機因過熱負荷跳閘，便會發出電機超熱負荷報警。首先檢查泵站控制箱里的熱保護斷路器，按熱保護斷路器上的復位按鈕，重新開動電機，檢查電流。然后檢查三相電壓是否都正常。如果不正常，檢查配電板上的保險絲。還要通過測量電阻來確認電機的繞組是否正常，若查不出有電氣故障，就是油泵有機械故障。

14)MCU參數清單沒有加載報警與診斷。MCU參數清單沒有加載報警表明，MCU計算機里沒有它的配置文件，或丟失了。應該通過模式選擇開關強制采用BCU運行，并在可能的時候更換MCU。

15)角度偏差故障報警與診斷。角度偏差故障報警表示，來自角度編碼器的上死點標記和來自BCU探頭的上死點標記之間的角度差值超過報警水平。接警后，檢查角度編碼器的初始調整，若有必要，重新調整。同時還要檢查發動機和編碼器之間的撓性聯軸器是否正常。

16)備用泵在運行報警與診斷。由于低壓，備用泵被啟動，即會發出備用泵在運行報警。診斷方法如上9)油壓不正常報警與診斷。

2.4BCU報警處理和故障診斷

1)BCU內部故障報警與診斷。此報警指示BCU內部故障。接警后首先檢查BCU板上的相應小開關SW3是否在正常位置。可中斷供電5 s，重新引導BCU計算機。如果報警還存在，那就可能是BCU板損壞了，必須進行更換。

2)發動機停車信號故障報警與診斷。在發動機運行的時候，發動機停車信號接通超過20 min，便會發出發動機停車信號故障報警。發動機沒有運行，停車信號關斷。接警后，檢查停車信號線路有無問題，以及發動機控制系統是否在正確的位置。

3)MCU動作信號丟失報警與診斷。MCU動作信號丟失報警，表明BCU單元檢測到MCU單元不正常。在這種條件下BCU仍為完全運行。檢查系統中有沒有其它報警開始。MCU的電源故障給出這個報警，同時發出公共報警。通常在這種狀態將轉換到BCU模式。然后檢查MCU活動信號的接口相應端子接線是否正常。激活的信號是1個脈沖信號，頻率約為0.5 Hz。測量此信號需要用振蕩器。如果沒有上述問題，中斷MCU的電源5 s試一試。如果問題依然出現，就可能是MCU單元損壞了，必須進行更換。然而，發動機可以在BCU模式下運行，直到更換好新的MCU為止。

4)在2個注油器上無反饋信號報警與診斷。如果來自注油器的反饋信號被BCU檢測為是不正常信號，就會發出報警(BCU故障報警)。如果系統因為MCU故障而正以BCU模式運行，MCU就可能不在HMI板上指示任何報警編碼。通過觀察機旁中間箱的反饋指示燈來找有故障的注油器。該報警指示哪一缸的潤滑停止，并將發出降速信號。

首先檢查故障是否多于1缸。如果多于1缸，檢查供油系統。可能油壓低或來自重力油柜的供油停止，檢查供油管路有沒有泄漏。如果問題僅限于1缸，則檢查相關缸中間箱到控制箱LCU的反饋接線。中間箱PCB(印刷電路板)本身也可能損壞。

為檢查BCU板是否損壞，可將相關缸的插頭從BCU上拔掉，臨時把1個沒問題的缸的插頭接上，如果原來工作的缸現在也有故障，就說明BCU板可能壞了。檢查完不要忘記要把臨時插頭換回去。可以通過中斷主電源5 s重新引導BCU計算機。

5)1個注油器沒有反饋信號報警與診斷。如果BCU測到1個注油器的反饋信號是不正常的，就發出報警(BCU故障報警)。同樣，如果系統因MCU故障正以BCU模式運行，MCU將不會在HMI板上顯示報警編碼。可通過觀察機旁中間箱的反饋指示燈來找有故障的注油器。一般情況下，診斷操作方法是在方便的時候用備件整套替換有故障的注油器。如果每缸配置1臺注油器，就必須立即更換有故障的單元。

6)BCU沒有轉速標記信號。2個標記探頭裝在發動機盤車輪處，發動機每轉發出1個脈沖。這些信號被BCU系統用來確定發動機轉速。它們也被MCU系統用作監控信號并在信號故障的情況下發出報警。注意，如果系統因MCU故障正以BCU模式運行，MCU將不會在HMI板上顯示報警編碼。這種情況下，潤滑將停止，并激發降速命令。這類故障通常是由機械故障引起探頭損壞或中斷BCU探頭的電源造成的。應該分別檢查傳感器和觸發器支架有無機械損壞；檢查探頭間隙是否符合制造商的建議；檢查BCU接線箱相應端子上電壓是否24 V。如果沒有電壓，則查BCU探頭系統的接線在哪個位置短路了。

2.5沒有外部信號的應急運行

一般出現故障時，強烈建議盡一切努力去修復觸發器系統，只有在萬不得已的情況下才使用應急運行模式。在所有至汽缸潤滑系統的觸發信號都出故障的情況下(角度編碼器和BCU系統探頭)，可以通過MCU或BCU卡上的內部行程發生器維持一定水平的潤滑。該行程發生器每秒發射1個脈沖，即約60 r/min。為能以這種應急模式運行，必須改變相應的電氣接口，具體操作方法可參考制造商說明書。

改變相應電氣接口時，系統以應急模式運行，系統開始潤滑，不管發動機是否運行。系統也將給出各種報警。然而，反饋報警仍有功能，指出是否所有缸都被潤滑。當以這種模式運行時，BCU系統沒有動作。而MCU降速功能仍然起作用。汽缸潤滑是隨機的并取決于轉速，但對個別汽缸增加25%的油量設定，以確保汽缸潤滑安全。

3 結束語

電子控制新技術在船舶上的應用越來越多，很多新船安裝或舊船改裝了更節能減排的先進ALPHA注油系統。而由于新技術應用對知識更新水平要求更高，輪機管理人員及相關專業技術人員在實際操作管理時經驗不足，提出了很多疑惑并反應出很多問題。筆者認為輪機管理人員及相關專業技術人員應加強學習以適應新技術的發展，從熟悉摸透系統的構架和工作原理為基點，與同行輪機專業技術人員一同總結ALPHA注油系統典型報警及其故障診斷，交流其操作管理經驗，來共同促進電控注油器的應用操作管理和研發水平。

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This paper introduces briefly the structure and working principle of ALPHA electro-controlled cylinder lubricator system.According to the long-term lubricator system development and application in ship operation and management experiences,the typical ALPHA lubricator or system alarm and fault diagnosis treat-ment are summarized and analyzed,which can provide useful reference for the promotion of advanced electro-control technology application in ship operation and management.

electro-controlled cylinder lubricator;ship;fault diagnosis

廣東省交通運輸廳科技項目(2010-04-007)；中國交通教育研究會2012-2014年度教育科學研究課題(交教研1202-169)

高炳(1983-)，男，湖北孝感人，講師，碩士，研究方向為輪機工程技術、船舶動力裝置性能優化。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.03.006

2014-04-17