一型船用發電機組冒白煙及頻率不穩故障分析及處理

◎朱月平 中交四航局江門航通船業有限公司

柴油發電機組轉速恒定，負荷變化平順，較少出現冒煙的情況。電噴機組燃油噴射的量和時間更加準確,精度高且便于控制，出現異常冒煙的情況更少。但其始終使用的是化石燃料，冒煙現象是無法避免的，在機器冷啟動、短暫的大負荷突加等特定狀態下冒少量的煙屬于正常現象。但如果柴油發電機組在穩定的負荷下正常運行時出現了冒煙現象，則說明柴油機可能出現了故障。根據機器排出的煙色可以初步分析柴油機故障原因以進行進一步檢測，解決異常冒煙問題。

1.現象描述

某船廠在2021年建造的三艘珠海游船共使用了6臺康明斯QSB5.990kW電噴發電機組，每船2臺不并車，互為備用。6臺機組分三批先后到廠裝船，6臺機組的原動機屬同一批出廠，前4臺機組裝船調試一切正常。但最后一艘船的2臺機組出現了異常冒白煙及頻率不穩定的情況，具體表現為：冷啟動，機器正常、頻率穩定。運行約1至2分鐘后出現頻率波動同時發動機排出非常明顯的白煙，持續約20秒至30秒消失，之后頻率持續穩定，無異常現象。熱機連續啟動，則無此現象。經多次冷啟動試驗，以上現象可以重復。

盡管冒煙現象持續時間不長且僅在冷啟動后初期的2到3分鐘內出現，熱機后就會消失，完全不影響使用。但本船是雙體旅游客船，發電機排氣出口位于兩個船體片體中間主甲板下形成的通道內，白煙造成隨風向不同時船艏或者船艉煙霧繚繞。而且只有一艘船的兩臺機組出現問題且對比明顯，船東強烈要求對這兩臺機組進行檢查，消除冒煙現象。

2.異常現象產生的原因

2.1 頻率波動

①電噴機組集成了大量電子控制元器件，受到電磁干攏的可能性較大。大致可分為外接控制器件、機旁控制箱、機身電腦EMC三部分，每一部分都有可能受到電磁干擾。②機身電腦EMC中對機器標定即參數設置不準確，電子噴油量、提前角等參數有誤。③油器、油路或者機械故障問題，燃燒異常轉速不穩定造成頻率波動。

2.2 異常冒煙

①冒黑煙，黑煙主要是燃料中不完全燃燒的碳粒組成。燃料過量供給、進氣量減少、燃燒室結構出現故障、噴油器和控制系統故障等都會造成冒黑煙。②冒白煙，白煙是環境氣溫較低，冷啟動氣缸溫度低時燃料未燃燒，或者霧化后的燃料顆粒混入了水汽，或者未充份霧化的燃油隨廢氣排出就會出現排氣冒白煙。③冒藍煙，機油過量竄入燃燒室參與燃燒的結果就是冒藍煙。一般柴油機都會有一個約0.5%左右機油正常消耗量，一旦超過這個值將會有藍煙現象發生。

3.機組配置組成、故障分析及檢查

3.1 機組配置及相關電路

3.1.1 機組的組成

本批次機組原動機均為新機且屬于同一批次，但出廠先后順序不同，出現故障機組為最后出廠。原動機運至發電機組組裝廠后，由集成廠按康明斯要求配置機旁控制箱（機旁控制箱內主要模塊為康明指定專用品牌產品），安裝滿足船級社要求的傳感器，進行電氣系統接線、電球匹配及對中、油水管路濾器連接、最終的臺架試驗取證等工作。

ECM CM2880電控模塊是電噴發動機的控制電腦，電噴機的油壓油溫、冷卻液溫度、進氣壓力、曲軸轉速、噴油器控制及安全保護等幾乎所有參數均在ECM中設置，ECM通過J1939通訊接口向機旁箱HMC9000A模塊提供監測數據等，CM2880必須通過專用軟件來設置。

HMC 9000A模塊是機旁控制箱的主要組成部件，負責機組啟停、ECM參數的報警和顯示、油水溫度停機控制、轉速顯示；提供機組轉速、增益和下垂度調節電阻接口，但不參與原動機本身的控制。

雙聯油水分離器為一級粗濾器，安裝于燃油泵入口，原動機機帶二級精濾器。

3.1.2 機組控制主電路簡圖

機組電氣系統簡圖如圖1所示，該圖為機旁控制箱電路的一部分，包括電源、與ECM機身電腦的接口、與HMC9000A模塊的接口，外接調節裝置等。機旁控制箱內相對獨立的顯示和接口等與發電機本身無直接關聯的部分電路限于篇幅這里不再顯示。

如圖1 所示，該機組外接兩路DC24V電源，按船舶系統設計主電源接自機旁專用蓄電池組。備用電源來自船用DC24V充放電系統，長期由充電機浮充供電。ECM CM2880控制電腦通過插頭與機旁控制箱連接，ECM+/ECM-提供電源，J1939通訊口用與ECM與機旁箱內HCM9000A模塊的通訊。其它Droop，Gain，Speed Bias調整等均是外接電位器，用于微調機組的特性。

3.1.3 機組燃油系統

如圖2所示，04為船舶日用燃油艙，通過一級粗濾器03供油至機帶燃油提升泵07入口，經二級精濾器02過濾后進入高壓共軌噴油回路。燃油中較大的雜質經過兩級濾器之后，基本上可以滿足供油要求。但如果水份含量過大，一級濾器（油水分離器）過濾后，還有可能帶水份進入噴油回路。

圖2 機組燃油系統圖

3.2 故障的分析及排除

針對現象描述，考慮到為同一批次新電噴機且只有一艘船出現問題，故先考慮故障是否由外部電磁干擾引起，再考慮油品油路質量問題引起的游車，新機器本身的原因極少放在最后檢查。

3.2.1 頻率不穩定，從電控方向考慮

1）首先懷疑機組外接調節裝置或線路受到干擾，本船兩臺機組設計為互為備用不并車，外接裝置為3個4.7千歐微調電阻，分別用于Droop,Gain和Speed Bias調節。其中Droop用于調節并機發電機組空載到全載之間的轉速下降值，本船不并機，冒煙出現在單機運行，頻率上下波動，直接排除。Gain調整發動機的動態增益，裝在機旁控制箱內，影響發動機的穩定性和突加突卸性能，機組除在冷啟后前兩三分鐘內冒煙外一切正常，因此排除Gain設置問題。Speed Bias通過電壓調整發動機轉速,可接電阻也可接穩定的5V電壓，2.5VDC時設定為調整0轉，小于2.5VDC的偏移值為對應的轉速減小，大于2.5VDC的偏移值為對應的轉速增加。

Speed Bias調節電阻裝于主配電板內，離發電機組有20多米距離用帶屏蔽電纜接線。考慮該調節電阻品質不高或者連接電纜外套接地不好，在線路上感應出了干攏電壓導致頻率波動。檢查后重新采購一個高品質高精度的微調電阻用于更換，同時將原調節電阻連接電纜沒有完整接地的屏蔽護套兩端重新嚴格接地之后冷啟動機組觀察，仍有頻率波動及冒煙現象。

2）如圖示本機組兩路DC24V電源，根據規范要求一路來自機旁蓄電池，另一路來自船用充放電板，懷疑充放電板直流電源不純凈，雜波造成控制箱和ECM受干擾。于是采購一臺知名品牌DC24V隔離電源，先后將DC24V船電和機組控制箱、機旁蓄電池電源和控制隔離后冷啟機，問題仍未排除。

3）機旁控制箱內控制模塊干擾。經與集成商溝通后確認該控制箱模塊HMC9000A的功能僅為顯示功能和報警，不涉及發動機的控制，模塊干擾可能很小。但考慮到該模塊集成較多功能，元件復雜，是否會有干擾的可能，故還是從無異常的船上拆了一塊控制模塊試驗，問題未排除。

4）在調試時船上使用的是岸電，發電機組并沒有合閘，船上有風機、燒焊等作業、發電機組旁邊有部分電氣控制箱通了電，懷疑船上作業設備的電磁信號干擾到了ECM。于是停掉船上其它作業，檢查周圍通電的控制箱并斷電，冷啟機試驗，問題未排除。

5）檢查ECM模塊，ECM模塊是一個有較高IP防護等級的整體模塊，無法拆解且僅有幾個插口無法從外觀上判斷出好壞，另外ECM模塊在機器上的安裝也比較正規，各傳感器的安裝和接線也非常規范，因此從機器可以正常運行可判斷出ECM本身故障可能性沒有。

6）聯系康明斯售后，懷疑機器標定問題，遂派人使用專用軟件對機器ECM進行刷機重新標定。售后工程師具體標定了什么內容，我們無從得知，但標定后確有一臺機組在初期出現冒白煙減輕的現象，另一臺沒有變化。這次的減輕現象使得大家相信是標定的問題，于是不斷改變參數重復標定，兩臺機組互相對比，但是故障一直都沒有排除，在這里耗時較長。

3.2.2 從油品油路考慮冒煙問題

1）油管路受到污染，有污染物或者水份進入燃油系統。拆開燃油管路檢查，船廠油管路干凈符合要求，油水分離器濾芯和機帶精濾器干凈無污染，初步排除油路問題。

2）油品質量不高，油內含水量過大會造成白煙現象。于是采購了一些與船廠不同渠道的燃油，裝于一個干凈油桶放在機艙專門供油給機組，冷啟動后還是會出現同樣的故障，排除油品原因。

3.2.3 從機械方向考慮

柴油機噴入氣缸的霧化燃油未燃燒就被排出，就會出現冒白煙的現象，同時燃燒不充分也會使機組頻率波動。造成這樣情況的原因主要有以下幾個，逐一檢查排除。

1）發動機溫度過低，一般在環境溫度比較低時冷啟動機器，會出現一些冒白煙現象，但僅處于啟動時冒白煙。但當時調試正值9月份左右，環境溫度不低，而且是在冷啟動后約1至2分鐘才出現冒白煙現象，同時其它4臺機組沒有任何異常，因此溫度過低問題不太可能。又檢查了中冷器冷卻后的進機空氣溫度，與其它正常機組對比，發現溫度也是正常，排除溫度過低問題。

2）油路有空氣，油品不純。此項已在3.2小節排除。

3.2.4 原動機故障

在前面所有檢查中大家均認為同一批次、新機出現這種奇怪現象是不可能的，大家也懷疑過是不是機器本身的問題，但因為新機不便于拆檢。在上述所有項目都檢查完后，在與康明斯深圳公司的一位同行交流時認為，既然外圍所有因素已經排除到這一步，那基本可以確定就是機器本身的問題，不用懷疑。因此造成頻率波動和冒白煙的原因無非就是噴油有問題或者冷卻液泄漏。

在與康明斯售后聯系溝通后，該機型缸體、缸蓋采用集成化設計，基本不可能有漏水現象的發生，除非內部產生了裂紋，但綜合來看這也不可能。于是決定先檢查機組的噴油嘴，拆下一臺機組的噴油嘴后，發現有兩個噴油嘴上有少許積碳，其它4個噴油嘴則比較干凈。由于是新機，最后將整套噴油嘴全部換新，冷啟機后發現不再出現冒白煙的頻率不穩的現象。多次重復，機組運行正常。

將另一機組拆開后，同樣發現有部分噴油嘴有積碳的問題，換新后問題解決。

3.2.5 可能的原因

安裝于這兩臺機組上的噴油嘴在品控上可能出現了不一致的問題或者出廠批次不一等原因，機器在冷啟動后1至2分鐘內氣缸溫度并沒有達到正常值，噴油嘴出現積碳，積碳使噴油霧化不良而造成冒白煙現象，而部分氣缸燃燒不完全則造成轉速（頻率）不穩定。之后隨運行時間的增加，氣缸內溫度升高而積碳減少，噴油霧化正常后異常現象也隨之消失。再次冷啟，上述問題重復。

4.結語

船用發動機出現異常冒煙的情況比較復雜，不同的煙色有不同的原因，這些可能是機器本身的故障，也可能是安裝和使用不當造成。船用發動機如應用于發電機組，異常的現象又會多一些。如本例中的頻率不穩定，在主機的應用中可能就不會考慮。如果出現異常現象，就需要我們逐一認真分析，找出原因，排除故障，解決問題。本例在幾乎檢查了整個系統后，才確定噴油嘴的問題。盡管同一批次出廠新機，但其噴油嘴有可能品控不同出現問題，從而造成了這個問題，這個連廠家售后都無法相信。