電噴柴油機曲柄轉角系統工作原理與故障處理

馬 川 于風衛 韓加卓 李永鵬

一、引言

隨著科學技術的發展，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（輔助風機、伺服油系統、燃油系統）均采用計算機控制，完成上述控制的系統為主機控制系統（Engine Control System，ECS）。主機控制系統一般由汽缸控制單元（Cylinder Control Unit，CCU）、主機控制單元（Engine Control Unit，ECU）、輔助控制單元（Auxiliary Control Unit，ACU）、曲柄轉角系統構成。其中，曲柄轉角系統為主機控制系統提供進行噴油、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，極易引發嚴重事故。

曲柄轉角系統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工作原理、提高日常管理水平，本文以MAN B&W ME-C系列電噴柴油機曲柄轉角系統為例，詳細介紹船舶電噴柴油機曲柄轉角系統組成及工作原理，分析系統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日常管理的建議。

二、曲柄轉角系統組成及原理

（一）曲柄轉角系統組成

MAN B&W ME-C電噴柴油機曲柄轉角系統由角度編碼器（Angle Encoder）、信號放大器（Tacho System Amplifier，TSA）、汽缸控制單元及主機控制單元組成，如圖1所示。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（Top Dead Center，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。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°。

圖1 曲柄轉角系統組成

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。

MAN B&W ME-C電噴柴油機曲柄轉角系統有兩套，互為冗余。系統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。曲柄轉角系統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互為冗余。

（二）曲柄轉角系統測量原理

圖2 曲柄轉角系統連接圖

如前文所述，曲柄轉角系統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

式中：Z為齒輪齒數；f為脈沖頻率，Hz。

將轉速n的單位r/min轉換為角速度可表示為6n °/s。

MAN B&W ME-C電噴柴油機曲柄角度可精確到0.1n，曲柄角度轉過0.1n所需時間t為

當角度編碼器經過標記位置探頭時，汽缸控制單元CCU和主機控制單元ECU開始計時，計時時間用tc表示。由式（2），在計時時間tc內曲柄轉過的角度θa可表示為

角度編碼器中的半圓環每經過一個標記位置探頭時，重新開始計時tc=0。若CCU和ECU每10μs刷新一次曲柄角度，則每隔10μs計算一次θa即可。

曲柄轉角角度θCA可表示為

式中：θM為標記位置探頭所在角度，°。

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火順序依次推斷。

當電噴柴油機的主機控制系統斷電重啟后，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的位置估算曲柄角度，如圖3所示。

圖3 曲柄轉角系統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，表1為曲柄轉角系統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。

表1 曲柄轉角系統標記位置探頭與曲柄角度對應關系

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的故障并及時解決非常重要。本部分列出了曲柄轉角系統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。（3）在MOP中，Maintenance—Function Test—Tacho。根據提示步驟，完成角度編碼器靜態測試，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。

（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。此故障出現沒有規律性，但故障現象具有相似性。

圖4 角度編碼器靜態測試

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：曲柄轉角系統出現電源故障，TSA左上角指示燈一直處于熄滅狀態，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對曲柄轉角系統的供電通道出現問題。（2）繼續測量ECUA中J41-J47通道的A和D端子是否有電壓，如果電壓為24 V，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的檢查與測試，針對曲柄轉角系統常見故障，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—Function Test中Delta Tacho B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 mm，間隙過大易造成脈沖信號丟失。

（5）定期檢查角度編碼器傳動安裝軸的徑向偏移情況，要求該軸徑向偏移量在±0.3 mm以內。

（6）角度編碼器進行調整后，必須在MOP中做靜態測試。

五、結語

本文詳細闡述了曲柄轉角系統的結構及工作原理，分析并給出曲柄轉角角度的計算方法，列舉了曲柄轉角系統的常見故障，分析故障產生原因，并提出解決方案，最后提出曲柄轉角系統日常管理的建議，為提高輪機人員管理水平、降低電噴柴油機故障發生率提供一定參考。