基于电子控制的MAN低速柴油机的调试及台架试验

李健，程勇，周梦，蒋耀龙

（合肥熔安动力机械有限公司，安徽合肥 230601）

0 引言

科学的不断进步和能源的不断消耗对船用低速柴油机提出了更高的要求，包括降低燃油和主滑油的消耗，降低污染物的排放，增加柴油机的灵活性和可靠性等。而传统的主机都是通过凸轮轴来控制喷油和排气阀的正时，很难满足以上要求。

MAN公司近几年研发出了基于电子控制的柴油机，称为ME型主机。公司在2010年接到首批ME主机订单，并于2011年5月成功造出首制机，其性能是否能够满足设计要求急需得到验证，故对其进行调试和台架试验是很有必要的。由于ME主机的调试具有一定的特殊性和复杂性，公司在对ME主机进行深入研究的基础上，根据具体的要求，自行设计开发了一套试验设备，利用此设备对主机进行了试车，并对试验结果进行分析，验证了ME主机的优越性，同时也验证了试车设备的通用性。

1 液压系统和控制系统

与传统机型相比，ME型主机的调试相对较复杂，其主要原因是ME型主机对液压系统和控制系统进行了较大幅度的改变，尤其是应用了智能型控制和大量电气模块。因此必须对液压系统和控制系统进行全面深入的理解和把握，才能顺利地进行主机调试和台架试验。

1.1 液压系统

液压系统主要包括HPS（液压动力系统）、HCU（液压气缸单元）及蓄压器单元，结构简图如图1所示。液压系统的主要功能是提供高压伺服油，用于驱动燃油泵和排气阀执行器，受主机控制系统控制。

图1 ME主机液压系统回路

公司制造的5S60ME-C8主机采用了最新的300bar伺服油驱动技术，与早期的200bar相比，结构更简单、紧凑，重量也得到了减小。

伺服油来自于主滑油，主滑油的90%用于主机运动系统的冷却和润滑，仅有10%转化为伺服油。由于ME系统对伺服油颗粒度的要求极高，所以主机自身配备了一个带反向自动冲洗功能的滤器，滤芯为6μm。

HPS主要用于给伺服油加压，由进口的2bar左右加压到300bar左右，主要使用两种泵，一种是机带泵，即由曲轴链轮带动小齿轮，小齿轮再驱动伺服油泵进行加压；另一种是电动泵，即直接由440V电源驱动。泵的数量因机型不同而不同。

图2 HCU分单元简图

在主机备车时，电动泵会自动运行，提供初始的伺服油压力。起动后，随着主机转速的上升，机带泵达到工作转速，此时机带泵即会取代电动泵运行，为主机的液压控制系统提供足够的高压伺服油压力。

稳压后的300bar伺服油进入HCU液压气缸单元，每个气缸都配置了这样一个单元，如图2所示，每个单元都包含一套燃油泵、排气阀执行器、FIVA阀、分配块、气缸注油器、蓄压器和阀件等。

1.2 控制系统

控制系统是ME主机的另一特色，控制简图如图3所示。

图3 ME主机控制系统简图

ME主机控制系统运用了大量的电子模块，一些分布在集控室内，如EICU、MOP；一些分布在柴油机控制板上，如ECU、ACU、CCU和LOP等。

分布在集控室内的EICU是柴油机接口控制单元模块，主要作为接口控制器；MOP是主操作板，位于集控台上，船员通过MOP发送指令，通过控制系统控制主机的运行。

分布在柴油机控制板上的ECU是柴油机控制单元模块，其功能相当于一个调速器；ACU是辅助控制单元模块，它控制着主机上的部分辅助设备，例如辅助鼓风机、伺服油泵、HPS电动泵等；每个气缸的CCU是气缸控制单元模块，控制着每缸的喷油、排气、气缸注油以及起动空气等；LOP是机旁操作板，用于船员在机旁操作主机。两条网络线将这些控制模块联系起来，实现数据共享，模块的ID号使得每个模块都有各自的地址码，不会造成模块间通讯的混乱，使数据交换顺利进行。两条网络线是冗余设计的概念，即当一条失效时，另外一条网络线仍可继续工作，避免了系统崩溃，提高了可靠性。

ME型主机取消了停车电磁阀，由每缸的CCU单独控制每缸的停车，这也是异于传统机型的地方，调试时需特别注意这一点。

2 台架试验

柴油机的好坏、性能的优劣及理论设计的符合度等都必须通过台架试验进行验证，公司在这方面进行了探索。

2.1 试车设备简介

ME主机的试车与传统MC型主机相比有很大的差别，根据MAN公司《ME型主机车间试验导则》[2]及公司《5S60ME-C平台提交试车大纲》[3]的具体要求，结合实际情况，公司自行开发了一套主机台架试验的设备。

由于ME主机的主要功能都由MAN本身的控制系统来实现，所以试车时无需遥控系统的设备，仅使用MAN的控制设备和一些辅助控制装置即可。公司开发的这套台架试验的设备包括以下几个部分：试车控制台，电源箱，安保装置。其中，试车控制台（图4）配有两台MOP、监测仪表、键盘鼠标、ME-C专用的调油手柄和两个EICU模块，此外，还配有几个辅助开关。

图4 试车控制台

由于ME主机用电设备很多，主要使用24V直流电，且控制模块对电源要求较高，故公司使用了有多路电源并联输出的电源箱（图5），由220V交流电供电，带有UPS模块和大容量的蓄电池。当交流电源供电发生故障时，蓄电池可保证控制模块继续运行一段时间，保证主机安全。

图5 电源箱图

图6 安保系统试车装置

安保系统试车装置（图6），可以实现自动停车，也可以实现手动的紧急停车。手动停车功能是通过按“下一个”按钮开关，送出一个紧急停车的命令给安保系统，同时点亮指示灯，显示当前停车的原因。主机上的一些很重要的参数需要被监测，一旦这些参数值超过设定值，则会有开关量或模拟量（转速信号）信号输入给安保系统，安保系统在预先设定的延时后会输出一个停车信号给ME控制系统，实现自动停车，保障主机的安全。主机停车保护起作用后，必须将操车手柄移动到停车位置，此时安保系统才会复位，主机才能重新起动。为了防止因系统故障导致主机不能应急停车，还应配置一套备用系统，以实现无延时的接替工作。

此套试车设备可以满足所有的ME主机的试车，保证了通用性，降低了成本。

2.2 试车前的准备

动车之前需完成以下工作：首先是电缆铺设完整、正确，电气连接无误；其次是对整机管路进行投油，保证管路冲洗干净，管内污物不会进入柴油机以损坏轴承、阀件等精密器件。投油分三步，先是外围管系的投油，再是主滑油管路的投油，最后是HCU管路的投油。经取样检查合格后，方可动车。ME主机是电控主机，许多操作都是由电脑完成，各个控制模块之间也是通过冗余网络线进行连接，所以必须先安装软件和设定各模块的地址。

试车时，使用最新的电控系统软件MEECS0905-8.2版，新版本增加了新功能，主要包括：HCU、HPS和角度编码器的调试界面，HCU和HPS故障问题分析和数据记录，绝缘监测和电源噪声监测，与外部报警系统相连接。

另外，在台架试验之前，以Chief的身份进入系统，通过MOP对各个子模块进行标定和监测。

2.3 台架试验

在主机提交时，公司首先进行了安保系统的试验，保证主机在试车过程中遇险时能自动停车，为后续试验提供安全保证。主要测试以下几点：超速保护、曲柄箱油雾浓度高、主滑油压力低、推力块温度高等。另外，还外还包括ME自身控制系统的几个点，如HPS泄漏液位高，液压系统压力低等。试验证明，所有的点都自动停车，安保系统顺利通过试验，能够满足MAN公司和船级社的要求，也验证了公司开发的安保系统的可靠性。

其次，公司进行了正倒车起动试验以及盘车机连锁功能试验。

最后进行的是跑负荷试验。公司按照试车大纲的 要 求， 选 择25%，50%，70%，75%，90%，100%和110%几个负荷点进行试验，并同时进行主机性能的测试、数据的记录、排放的测试、油耗的测试以及增压器数据的测试等。

在试车时，公司采用世界上最新的带Autotuning功能的PMI on-line 系统，该系统可自动调节最大的爆压值和平衡各缸之间的压力，图7是100%负荷处各缸喷射曲线，由图可知，各缸之间有着很好的压力平衡，使得最终的油耗更省，满足设计要求。

图7 100%负荷处喷射曲线

作为首制机，公司还进行了停缸试验，在65%左右的负荷下，停止一缸，进行试验。试验表明，ME主机在低负荷时很稳定。由于ME机型采用了单缸直接控制，相比传统机型，其停缸操作更简单。

3 试车结果及分析

修正后的各负荷点处的油耗曲线见图8，由图可知，燃油消耗值在70%负荷时最低，为170.7g/kWh，而在考核点100%负荷时，也仅为175.32g/kWh，满足设计要求，比传统的MC主机相比，油耗更低。因此，结果显示出电子控制柴油机具有一定的优越性。

图8 各负荷点处油耗的数据

排放试验分别选择在25%，50%，75%，100%处的4个负荷点进行测试，采用E3循环，每个点至少稳定运行20min后开始测量。测量结果如图9所示，将100%负荷点的NOx排放的连续测量曲线（图10）上的具体数值带入计算公式后，得出在最大负荷点处NOx排放量为11.13g/kWh，小于国际船舶组织规定的第二代排放的限定值14.4g/kWh，满足设计要求。

图9 各负荷点处排放的数据

图10 100%负荷点处NOx数据

台架试验的过程中也遇到了各种问题。主要有：

1）布线。主机电缆多，接线工作量大，且在电气调试过程中，出现了很多报警，如接线问题导致的角度编码器接线盒短路烧板。信号线与电源线捆在一起可导致信号干扰。

2）设置出现问题易导致错误发生。如通电调试过程中，DIP SWITCH网络地址设定时，二进制拨码顺序颠倒易导致MPC地址判断错误。角度编码器标定时，2#码器调整45°运行位置设定成225°时，易导致MOP报警。

3）装配问题。如油雾探测器的吸气管路未安装好易导致油雾串缸误报警，测速传感器支架未正确安装易导致距离不正确等。

以上这些问题均需在后续主机研制时多加注意并解决。

4 结论及展望

公司首台机ME型主机已经顺利提交，从台架试验的结果来看，与传统机型相比，油耗和NOx排放量确实有所降低，且通过PMI on-line系统，使得主机的调谐过程更加简单可靠。整个试车设备在主机运行过程中发挥了很大的作用，未出现大的问题，实现了通用性，为后续ME主机的试验提供了坚实的平台。但由于用于电子控制的主机电缆以及电子设备多，控制系统和液压系统较复杂，调试和日后维护工作复杂，信号存在干扰问题，故在以后的工作中需着重考虑这些问题。电子控制的柴油机是技术发展和研究的重要课题，ME主机进入市场是一种趋势，相信随着技术的不断进步，ME主机的前途会更加光明。因此，与ME主机相关的技术也急需研发。

参考资料：

[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.