海船主机ALPHA电控汽缸注油器系统典型报警与故障诊断

高 炳，熊石锋

(1.广东交通职业技术学院，广东 广州 510800；2.广州远洋运输公司，广东 广州 510061)

技术交流

海船主机ALPHA电控汽缸注油器系统典型报警与故障诊断

高 炳1，熊石锋2

(1.广东交通职业技术学院，广东 广州 510800；2.广州远洋运输公司，广东 广州 510061)

文章简要介绍了ALPHA电控汽缸注油器系统的构架和工作原理。根据长期的电控汽缸注油系统研发和实船应用操作管理经验，总结分析了海船主机ALPHA注油系统所遇到的典型报警及其故障诊断处理，可为促进先进电子控制技术在船舶上的应用操作管理和研发水平提供有益参考。

电控注油；海船；故障诊断

对于船用低速2冲程十字头式柴油机(海船主机)，必须选用汽缸注油器系统进行强制汽缸润滑。基于传统机械式注油器不能根据船舶柴油机运行工况的变化实现精准定时定量注油的缺陷，海船主机电子控制式汽缸注油系统自在德国汉堡举行的第二十三届国际内燃机大会上展示出现至今，引起了船舶柴油机制造商、研究机构、航运企业等各方的关注[1-4]。尤其是ALPHA电控汽缸注油系统从研发推广至今，由于其主要特点是由液压驱动和电子控制，能根据进入汽缸的燃油含硫量和机器工况的变化实现最佳精准定时定量注油，从而能降低汽缸润滑油的消耗量，进而可提高船舶的可靠性和经济性，已普遍应用于现代船舶柴油机上，基本取代了传统机械式汽缸注油器[5-9]。

1 ALPHA电控汽缸注油器系统构架及其工作原理

1.1ALPHA注油器系统构架组成

ALPHA电控汽缸注油器系统。其主要部件有油箱、泵站、注油器单元、注油器控制单元(LCU)、各传感器、安全与报警系统、人机交互界面(HMI)等[2,9]。

1)泵站和启动屏。泵站用于提供给电控注油器4～5 MPa的油压。泵站含有2台单独运行的泵、加热线圈、滤器和油箱。启动屏有2个单独的断路器，1台泵1个。例如某船MAN Bamp;W 6L60MC主机采用的ALPHA电控注油器系统泵站的技术参数为：工作压力，4.0～5.0 MPa；工作温度：30～60 ℃；低压力报警，3.5 MPa；高压力报警，6.0 MPa；流量：400 L/h。

2)注油器单元。ALPHA注油器单元每缸1套，中小缸径的发动机每套有1个注油器，98～70缸径的发动机每套有2个注油器。注油器单元内侧有1个压力2.5～3.0 MPa的氮气蓄压器，外侧有1个压力0.15 MPa的氮气蓄压器。每台注油器负责3～6个注油点(取决于机型)，有1个反馈探头和1个电磁阀。

3)注油器控制单元(LCU)。把3个控制汽缸润滑油的主要电气部件设置在1个钢质箱子中即为注油器控制单元。即LCU单元含有3个用于控制润滑油的主要电子元件。它们是：MCU(主控制单元)；BCU(备用控制单元)；SBU(开关板单元)。3个部件均安装在同一面板的3个铁盒里，1个端子排提供了全部到发动机的电气接口。24 V DC由2个独立的电源提供，来自UPS单元的不同断路器。

4)人机交互界面(HMI)。在HMI上，可以对各个汽缸进行注油润滑调整，并显示出各种数值和各种报警。在人机界面上还设置有泵站的控制按钮，可以手动启动油泵进行汽缸油预润滑等操作。HMI面板一般安装在集控室。

5)安全与报警系统。检测到SBU、MCU和BCU的故障时发出警报。如果注油器已经处于BCU控制，则当检测到BCU故障时，安全与报警系统会发出信号使主机降速。

6)负荷传送器。负荷传送器设计与燃油齿条相连，从而连续向MCU发送油门刻度百分比，MCU根据油门刻度百分比和所测的主机转速计算主机负荷。

7)曲轴转角编码器(触发器系统)。实际就是各缸曲柄角度译码器，它安装在柴油机的前端并与安装在飞轮端的备用转速传感器一起连接到主控制单元(MCU)。曲轴编码器接在曲轴的自由端，信号通过接线箱传至计算机板。对于无法在曲轴自由端安装编码器的发动机，在盘车轮旁安装1个触发环和测速探头。

8)备用转速传感器。备用转速传感器系统由2个传感器组成，他们安装在飞轮旁的同1个盒内，从而将主机转速传给BCU。备用转速传感器同时也和MCU相连，起监视作用。

1.2ALPHA电控注油器系统工作原理

1)润滑油从重力柜流出经泵站供给电控注油器4.0～5.0 MPa的油压。

2)控制单元通过控制安装在相应注油器上的电磁阀开闭实现汽缸润滑油注射[2,9]。

3)各缸电控注油器上传感器的反馈信号可监测注油动作是否已执行，它通过每缸中间盒上的闪亮二极管(LED)来显示。

4)注油定时基于从曲轴转角编码器上传来的2个信号，1个是1号缸的上止点信号，另1个是曲轴位置传感器信号。

5)汽缸润滑依靠供应恒定量的汽缸油注射为基础，注油率由电控注油器注射频率的变化来控制。

6)注射频率通过油门刻度和转速来计算，通常正比于主机的平均有效压力。然而，也可以采用功率(POWER)模式或转速(RPM)模式[2,8-9]。

7)在人机交互面板上注油率可在基本注油率的60%～200%之间调整，系统默认值是100%。

8)正常运行时，整个系统由主控制单元控制，安全与报警系统一旦检测到控制单元出现故障，发出警报，并将详细报警参数显示到人机交互面板上。

9)如果检测到主控制单元发生严重故障，备用控制单元自动接管(控制开关必须在“自动auto”档)，同时控制板上的“BCU in control”灯亮。

10)备用控制单元是基于随机定时和RPM模式的。备用控制单元根据转速传感器采到的转速信号来计算注射频率，即在备用控制单元上可调节注射频率，注射频率比较大以保证单缸循环所需汽缸油量，注射频率最小值一般设定为基本注油率的1.5倍。

2 ALPHA电控注油器系统典型报警与故障诊断

2.1保险丝故障诊断

注油器控制单元(LCU)电源接口简图在ALPHA注油器系统说明书中可查看。保险丝对于注油器各控制单元非常重要，下面分别就各单元保险丝典型故障诊断进行梳理总结。

1)MCU单元。一般保险丝不会断，但是非正常使用或意外时可能会断。一旦保险丝断了，重要的是在恢复正常运行前要找到出问题的部位并予以纠正。MCU单元有2种规格的保险丝：12 A和3 A。适当的位置必须安装正确规格的保险丝。

MCU单元在滤器板上有3个保险丝F1、F2、F3，其中F1为主保险丝，规格为12 A，是MCU单元的主保险丝。如果这个保险丝断了，可以排查接到相应插头上的电器保险丝超负荷。拔掉保险丝检查有无短路。用万用表测量保险丝右座到相应端子负极的电阻。阻值低于10 Ω定义为短路。如果测量显示短路，逐一脱开相应插头，同时观察表的读数。如果能以这种方法找出短路的位置，继续对可疑的地方进行检查。如果用上述方法找不出短路的原因，就可怀疑是MCU内部故障。

保险丝F2规格为3 A，是SBU单元(运行MCU模式)的主保险丝。当以MCU模式运行时，此保险丝通过SBU单元提供控制电源(泵运行信号)至泵站和反馈传感器。如果这个保险丝烧了，就可怀疑泵站线路或汽缸中间箱接头故障。

保险丝F3规格为3 A，是轴编码器的主保险丝。如果这个保险丝烧了，可排查编码器接头有故障。

2) BCU单元。BCU单元也有12 A和3 A 2种规格的保险丝，在正确的地方使用正确的保险丝是非常重要的。BCU单元在滤器板上同样有3个保险丝F1、F2、F3。主保险丝F1为12 A，是BCU单元的主保险丝。如果它烧了，可怀疑连到相应插头上的用电器有超负荷的保险丝。排查方法同MCU单元主保险丝F1。保险丝F2为3 A，是运行BCU模式时SBU单元的主保险丝。该保险丝在BCU模式下向反馈传感器和泵站供电。如果这个保险丝烧了，可怀疑泵站线路或汽缸中间箱接头有故障。保险丝F3为3 A，是BCU探头的主保险丝。如果它烧了，可排查BCU探头线路故障或BCU箱的接头故障。

2.2外部报警信号

ALPHA注油器系统外部报警信号有报警系统信号、安全系统信号、状态指示信号等，其归类、触点描述、故障诊断等总结如表1所示。

2.3MCU报警处理和故障诊断

1)反馈故障报警与诊断。如果MCU检测到来自注油器不正常的反馈信号，就会发出反馈报警。公共报警将触发AMS系统(发动机报警和监控系统)，并将在HMI面板里贮存报警编码。HMI板里的报警编码提供了有关哪台注油器可能发生故障的信息，例如报警编码ALR2表示1号缸的2号注油器有故障。一般建议在方便的时候用备件整台更换有故障的注油器。如果是每缸1台注油器，则必须立即更换有问题的单元。

如果出现反馈故障，首先检查中间箱的反馈指示器灯光。如果反馈指示器的灯光是：一直在亮，注油器可能被卡在反馈传感器一直在发信号的位置。为验证注油器问题，需脱开注油器的插头，同时观察中间箱的指示灯。如果插头拔掉后灯熄灭了，就是注油器里有问题。须更换注油器并予以维修。另一种情况，如果拔掉插头后指示灯还亮，故障就不在注油器里。检查从中间箱至注油器的电缆和插头有没有短路，中间箱PCB也可能有问题。如果反馈指示器的灯光一直不亮，从检查注油器线圈插头里的红灯是否闪亮开始。如果线圈插头的红灯不闪亮，从线圈上拔下插头，再次检查灯是否开始闪亮。若是，则可能线圈内部短路，这可以通过测量电阻来确认。新线圈的电阻值是15～22 Ω。如果线圈插头的红灯闪亮，但看不到反馈信号，检查注油器插头的连接、电缆的安装等有无松脱或短路。如果插头的连接没问题，就必须把注油器换掉并予以维修。注油器里的指示灯按规定闪亮，说明注油器工作正常，例如某船6L60MC主机所配ALPHA注油器系统规定正常工作时设置每10个注油器行程亮1次，但MCU没有检测到反馈信号。则需更换中间箱PCB(印刷电路板)。如果故障仍然存在，检查至LCU的电缆。

表1 ALPHA注油器外部报警信号

2)编码器标记信号故障报警与诊断。编码器标记信号故障报警时，说明标记信号(每转1个脉冲)不正常。系统将变为根据余下正常的信号随机润滑。接到报警信号后，首先检查编码器接线箱里的接头以及LCU控制箱里的接头。如果线路和保险丝都没有问题，更换编码器。如果所有的测速信号都有故障的情况，则按照没有外部信号的应急运行处理。

3)BCU探头故障报警与诊断。在发动机飞轮侧安装的2个标记探头每转发出1个脉冲。这些信号被用于BCU系统来测定发动机转速。在信号故障的情况下，它们也被MCU系统用作监控信号并释放报警。BCU1号或2号探头不正常时，会发送出相对应的报警信号。

如果ALPHA注油器系统由于MCU单元故障，以BCU模式运行，探头故障的报警可以通过观察BCU板上的发光二极管来发现。BCU系统只靠1个探头提供的信号就能运行。1个探头故障不是危险的，可在适当的时候予以更换。

BCU探头有内装指示灯，发动机每转1圈闪亮1次。如果观察到1个探头报警，首先检查探头里的指示灯闪不闪。如果不闪，检查BCU箱里相应端子上的电压是否正常。如果相应端子上有电压，脱开探头接线连到1号探头端子或2号探头端子，观察指示灯是否开始闪亮。若是，则为探头到LCU箱的接线短路。如果指示灯仍然不闪，则需更换探头。如果所有转速信号都出故障的情况，则按照没有外部信号的应急运行处理。

4)发动机停车信号故障报警与诊断。如果MCU检测到不正常的发动机停车信号，将释放发动机停车信号故障报警。有2种情况将触发停车信号报警：①发动机在8 r/min以上运行且停车信号在MCU输入出现超过20 min；②发动机停下来(检测仅在停车后30 s后激活)，但没有停车信号在MCU输入中出现。接收到发动机停车信号故障报警后，需检查控制系统里的停车信号线路。

5)BCU动作信号丢失报警与诊断。BCU动作信号丢失报警，说明MCU检测到BCU不正常。

从检查系统有无其它报警开始。BCU电源故障将触发这个报警。如果没有发现其它问题，中断BCU的电源5 s再试一下。如果问题依然存在，就有可能是BCU损坏，必须更换。发动机可以在MCU模式下运行，直至得到新的BCU板。

6)倒车信号不正常报警与诊断。若MCU单元检测到倒车信号一直接通超过24 h，则会发出倒车信号不正常报警。发动机可以在此报警出现的情况下运行，但汽缸油量增加。需检查控制系统里的倒车信号线路。

7) 预润滑信号不正常报警与诊断。MCU检测到预润滑信号且指数高于80%时，发出预润滑信号不正常报警。此故障不危险。接到此报警后，检查预润滑线路。

8)油温不正常报警与诊断。油温不正常报警，说明油温超过报警值。ALPHA注油器系统会设置汽缸润滑油正常运行温度指导值，例如某船6L60MC主机所配ALPHA注油器系统此指导值为30～60 ℃。如接到此报警，检查油温传感器(PT100)，测量其电阻。制造厂商给出了在不同温度下对应的电阻值，如果所测电阻值读数不符合厂家提供的参考值，则是传感器坏了，须更换。

9)油压不正常报警与诊断。油压不正常报警，说明油压超出报警值。ALPHA注油器系统会设置汽缸润滑油正常运行压力指导值，例如某船6L60MC主机所配ALPHA注油器系统此指导值为4.0～5.0 MPa。如接到此报警，系统自动启动备用泵且触发公共报警和HMI板上的报警。如果启动备用泵后油压建立起来，公共报警还将保持，直到手动停止备用泵为止。由于检测到故障，2台泵将连续运行。该故障通过按HMI板上的PUMP按钮予以消除。分别检查泵是否在运行；检查高压供油管路有无泄漏；检查油压传感器，测量其电流并与压力值相比较。电流和压力不相符合时，必须更换传感器。

10)转速偏差报警与诊断。MCU检测到1个或几个转速信号不正常，即会发出转速偏差报警。接警后，可检查HMI板里的报警清单，看是BCU探头还是角度编码器中哪个探头不正常，并分别按相应探头故障诊断处理。

11)燃油指数发送器不正常报警与诊断。若燃油指数发送器不正常报警，说明燃油指数水平与发动机转速不相符合。由于检测到此故障，燃油指数被内部设定为100%的固定值。该故障需用激发发动机停车信号来清除。检查指数发送器的调整。指数发送器本身也可能损坏。若指数发送器电缆中断或指数发送器损坏，应该纠正电缆故障或更换指数发送器。如果指数发送器被更换，必须进行重新调整。

12)BCU在控制报警与诊断。若出现BCU在控制报警，表明注油器正在以BCU模式运行。检查模式选择开关是否在自动位置。然后查找转换为BCU模式的原因。如果BCU是自动转换且没有降速命令，说明MCU系统可能出现不正常。

13)电机超热负荷报警与诊断。电机因过热负荷跳闸，便会发出电机超热负荷报警。首先检查泵站控制箱里的热保护断路器，按热保护断路器上的复位按钮，重新开动电机，检查电流。然后检查三相电压是否都正常。如果不正常，检查配电板上的保险丝。还要通过测量电阻来确认电机的绕组是否正常，若查不出有电气故障，就是油泵有机械故障。

14)MCU参数清单没有加载报警与诊断。MCU参数清单没有加载报警表明，MCU计算机里没有它的配置文件，或丢失了。应该通过模式选择开关强制采用BCU运行，并在可能的时候更换MCU。

15)角度偏差故障报警与诊断。角度偏差故障报警表示，来自角度编码器的上死点标记和来自BCU探头的上死点标记之间的角度差值超过报警水平。接警后，检查角度编码器的初始调整，若有必要，重新调整。同时还要检查发动机和编码器之间的挠性联轴器是否正常。

16)备用泵在运行报警与诊断。由于低压，备用泵被启动，即会发出备用泵在运行报警。诊断方法如上9)油压不正常报警与诊断。

2.4BCU报警处理和故障诊断

1)BCU内部故障报警与诊断。此报警指示BCU内部故障。接警后首先检查BCU板上的相应小开关SW3是否在正常位置。可中断供电5 s，重新引导BCU计算机。如果报警还存在，那就可能是BCU板损坏了，必须进行更换。

2)发动机停车信号故障报警与诊断。在发动机运行的时候，发动机停车信号接通超过20 min，便会发出发动机停车信号故障报警。发动机没有运行，停车信号关断。接警后，检查停车信号线路有无问题，以及发动机控制系统是否在正确的位置。

3)MCU动作信号丢失报警与诊断。MCU动作信号丢失报警，表明BCU单元检测到MCU单元不正常。在这种条件下BCU仍为完全运行。检查系统中有没有其它报警开始。MCU的电源故障给出这个报警，同时发出公共报警。通常在这种状态将转换到BCU模式。然后检查MCU活动信号的接口相应端子接线是否正常。激活的信号是1个脉冲信号，频率约为0.5 Hz。测量此信号需要用振荡器。如果没有上述问题，中断MCU的电源5 s试一试。如果问题依然出现，就可能是MCU单元损坏了，必须进行更换。然而，发动机可以在BCU模式下运行，直到更换好新的MCU为止。

4)在2个注油器上无反馈信号报警与诊断。如果来自注油器的反馈信号被BCU检测为是不正常信号，就会发出报警(BCU故障报警)。如果系统因为MCU故障而正以BCU模式运行，MCU就可能不在HMI板上指示任何报警编码。通过观察机旁中间箱的反馈指示灯来找有故障的注油器。该报警指示哪一缸的润滑停止，并将发出降速信号。

首先检查故障是否多于1缸。如果多于1缸，检查供油系统。可能油压低或来自重力油柜的供油停止，检查供油管路有没有泄漏。如果问题仅限于1缸，则检查相关缸中间箱到控制箱LCU的反馈接线。中间箱PCB(印刷电路板)本身也可能损坏。

为检查BCU板是否损坏，可将相关缸的插头从BCU上拔掉，临时把1个没问题的缸的插头接上，如果原来工作的缸现在也有故障，就说明BCU板可能坏了。检查完不要忘记要把临时插头换回去。可以通过中断主电源5 s重新引导BCU计算机。

5)1个注油器没有反馈信号报警与诊断。如果BCU测到1个注油器的反馈信号是不正常的，就发出报警(BCU故障报警)。同样，如果系统因MCU故障正以BCU模式运行，MCU将不会在HMI板上显示报警编码。可通过观察机旁中间箱的反馈指示灯来找有故障的注油器。一般情况下，诊断操作方法是在方便的时候用备件整套替换有故障的注油器。如果每缸配置1台注油器，就必须立即更换有故障的单元。

6)BCU没有转速标记信号。2个标记探头装在发动机盘车轮处，发动机每转发出1个脉冲。这些信号被BCU系统用来确定发动机转速。它们也被MCU系统用作监控信号并在信号故障的情况下发出报警。注意，如果系统因MCU故障正以BCU模式运行，MCU将不会在HMI板上显示报警编码。这种情况下，润滑将停止，并激发降速命令。这类故障通常是由机械故障引起探头损坏或中断BCU探头的电源造成的。应该分别检查传感器和触发器支架有无机械损坏；检查探头间隙是否符合制造商的建议；检查BCU接线箱相应端子上电压是否24 V。如果没有电压，则查BCU探头系统的接线在哪个位置短路了。

2.5没有外部信号的应急运行

一般出现故障时，强烈建议尽一切努力去修复触发器系统，只有在万不得已的情况下才使用应急运行模式。在所有至汽缸润滑系统的触发信号都出故障的情况下(角度编码器和BCU系统探头)，可以通过MCU或BCU卡上的内部行程发生器维持一定水平的润滑。该行程发生器每秒发射1个脉冲，即约60 r/min。为能以这种应急模式运行，必须改变相应的电气接口，具体操作方法可参考制造商说明书。

改变相应电气接口时，系统以应急模式运行，系统开始润滑，不管发动机是否运行。系统也将给出各种报警。然而，反馈报警仍有功能，指出是否所有缸都被润滑。当以这种模式运行时，BCU系统没有动作。而MCU降速功能仍然起作用。汽缸润滑是随机的并取决于转速，但对个别汽缸增加25%的油量设定，以确保汽缸润滑安全。

3 结束语

电子控制新技术在船舶上的应用越来越多，很多新船安装或旧船改装了更节能减排的先进ALPHA注油系统。而由于新技术应用对知识更新水平要求更高，轮机管理人员及相关专业技术人员在实际操作管理时经验不足，提出了很多疑惑并反应出很多问题。笔者认为轮机管理人员及相关专业技术人员应加强学习以适应新技术的发展，从熟悉摸透系统的构架和工作原理为基点，与同行轮机专业技术人员一同总结ALPHA注油系统典型报警及其故障诊断，交流其操作管理经验，来共同促进电控注油器的应用操作管理和研发水平。

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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

广东省交通运输厅科技项目(2010-04-007)；中国交通教育研究会2012-2014年度教育科学研究课题(交教研1202-169)

高炳(1983-)，男，湖北孝感人，讲师，硕士，研究方向为轮机工程技术、船舶动力装置性能优化。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.03.006

2014-04-17