电喷柴油机曲柄转角系统工作原理与故障处理

马 川 于风卫 韩加卓 李永鹏

一、引言

随着科学技术的发展，船舶智能化程度日益提高。对于船舶装置的智能化而言，电喷柴油机的应用较具代表性，2010年以后下水的船舶几乎全部采用电喷柴油机作为主动力推进装置。

电喷柴油机的喷油定时、排气定时、起动定时及辅助系统（辅助风机、伺服油系统、燃油系统）均采用计算机控制，完成上述控制的系统为主机控制系统（Engine Control System，ECS）。主机控制系统一般由汽缸控制单元（Cylinder Control Unit，CCU）、主机控制单元（Engine Control Unit，ECU）、辅助控制单元（Auxiliary Control Unit，ACU）、曲柄转角系统构成。其中，曲柄转角系统为主机控制系统提供进行喷油、排气和起动控制所需的曲柄角度信息，曲柄角度信息一旦错误，柴油机控制信号会出现错乱，极易引发严重事故。

曲柄转角系统是电喷柴油机的核心部件之一，目前网络资料和教材中尚没有该系统结构、原理及常见故障的详细介绍。为帮助轮机人员熟悉电喷柴油机曲柄转角系统工作原理、提高日常管理水平，本文以MAN B&W ME-C系列电喷柴油机曲柄转角系统为例，详细介绍船舶电喷柴油机曲柄转角系统组成及工作原理，分析系统常见故障并提出解决方案，最后针对常见故障提出曲柄转角系统日常管理的建议。

二、曲柄转角系统组成及原理

（一）曲柄转角系统组成

MAN B&W ME-C电喷柴油机曲柄转角系统由角度编码器（Angle Encoder）、信号放大器（Tacho System Amplifier，TSA）、汽缸控制单元及主机控制单元组成，如图1所示。其中，角度编码器和信号放大器均设置两套，互为冗余。

角度编码器分为A和B两组，每组设置4个探头（接近开关）。在角度编码器A中，标号为Q1A和Q2A的探头安装位置一般相差1/4或3/4齿距，其作用是输出一系列脉冲频率信号，从而根据脉冲频率计算出转速，根据两探头输出信号相位情况判断转向。标号为MMA和MSA的探头分别安装在第1缸上止点（Top Dead Center，TDC）位置及第1缸上止点后90°位置，其作用是进行曲柄特定角度的位置检测。为有效进行特定位置检测，在角度编码器中都设有半圆环。角度编码器的安装位置位于柴油机自由端，为进行角度位置校准，安装时将MSA探头移至飞轮端，安装位置不变。角度编码器B与A基本相同，只是标记位置探头MMB和MSB的安装位置分别在第1缸上止点后45°和135°。

图1 曲柄转角系统组成

信号放大器分为A和B两套，称为TSA-A和TSA-B，安装于角度编码器旁边机座上，左右各一套。其作用是对角度编码器信号进行放大和整形，并将调理后的信号送至汽缸控制单元和主机控制单元。

汽缸控制单元和主机控制单元分别安装在特定控制箱内，电喷柴油机的每个缸都对应一个汽缸控制单元CCU，主机控制单元一般设置两套，分别为ECUA和ECUB。关于汽缸控制单元和主机控制单元的原理详见相关电喷柴油机资料[1]，本文仅阐述其与曲柄转角系统相关的功能。汽缸控制单元CCU和主机控制单元ECU依据角度编码器发出的转速、转向及特定标记位置信息进行计算，从而得出曲柄角度信息，汽缸控制单元据此角度进行喷油、排气和起动控制。

MAN B&W ME-C电喷柴油机曲柄转角系统有两套，互为冗余。系统各部件之间的连接情况及结构如图2所示，该图依据实船图纸精简绘制。曲柄转角系统的信号线连接从一个ECU开始至另一个ECU结束，两套曲柄转角系统的供电电源分别来自ECUA和ECUB，这种连接方式实现了两套系统互为冗余。

（二）曲柄转角系统测量原理

图2 曲柄转角系统连接图

如前文所述，曲柄转角系统中的角度编码器将转速和转向及标志位置的脉冲频率信号经TSA放大后送到汽缸控制单元CCU和主机控制单元ECU。在CCU和ECU中，可计算出转速n为

式中：Z为齿轮齿数；f为脉冲频率，Hz。

将转速n的单位r/min转换为角速度可表示为6n °/s。

MAN B&W ME-C电喷柴油机曲柄角度可精确到0.1n，曲柄角度转过0.1n所需时间t为

当角度编码器经过标记位置探头时，汽缸控制单元CCU和主机控制单元ECU开始计时，计时时间用tc表示。由式（2），在计时时间tc内曲柄转过的角度θa可表示为

角度编码器中的半圆环每经过一个标记位置探头时，重新开始计时tc=0。若CCU和ECU每10μs刷新一次曲柄角度，则每隔10μs计算一次θa即可。

曲柄转角角度θCA可表示为

式中：θM为标记位置探头所在角度，°。

此时的曲柄角度为电喷柴油机第1缸的曲柄角度，其他缸的曲柄角度可根据柴油机汽缸数量及各缸发火顺序依次推断。

当电喷柴油机的主机控制系统断电重启后，曲柄角度信息会消失。此时，柴油机将根据角度编码器中标记位置探头和半圆环的位置估算曲柄角度，如图3所示。

图3 曲柄转角系统标记位及测速探头位置图

一般估算方法是根据标记位置探头MMA、MSA、MMB和MSB的输出状态，表1为曲柄转角系统标记位置探头与曲柄角度对应关系。确定曲柄角度的大致范围（45°曲柄转角），以该范围的中间角度作为曲柄角度，此时曲柄角度偏差不超过22.5°，可以保证柴油机正常起动。待柴油机转动后，CCU和ECU即可根据转速信号重新计算曲柄角度。

表1 曲柄转角系统标记位置探头与曲柄角度对应关系

三、常见故障分析及解决

在日常管理中，准确分析和判断曲柄转角系统的故障并及时解决非常重要。本部分列出了曲柄转角系统常见故障并提出解决方案，供管理人员参考。

（一）角度编码器轴滑移

故障现象：电喷柴油机MOP中，两组角度编码器偏差超过1°，出现角度编码器偏差大报警信息。

故障原因：两套角度编码器均安装在柴油机自由端，此处振动较大。角度编码器转轴是通过内六角螺栓固定在柴油机自由端输出轴上的，若螺栓松动，会导致角度编码器转轴滑移，进而出现测量不准确的情况。若两套角度编码器均出现滑移，将会导致角度信息错乱，从而出现故障。

故障解决方案：（1）检查角度编码器转轴和壳体标记是否对齐。检查方法是柴油机停车时，盘车至第1缸上止点位置，此时角度编码器转轴和壳体标记应对齐。若没有对齐，说明出现转轴滑移。（2）对出现滑移的角度编码器转轴重新校正，以角度编码器A为例进行阐述。第一步：合上盘车机，打开示功阀。第二步：盘车至飞轮0°，松开角度编码器A转轴上的内六角锁紧螺栓，在调节孔中插上销子，手动正车旋转角度编码器A，直到TSA-A上的指示灯刚刚变亮。若刚开始该灯是亮的，先正车方向手动旋转角度编码器A，使其熄灭，然后再重复上述操作。指示灯刚变亮时，锁紧内六角固定螺母。第三步：盘车确认飞轮在0°至180°之间时，TSA-A指示灯一直为点亮状态。（3）在MOP中，Maintenance—Function Test—Tacho。根据提示步骤，完成角度编码器静态测试，如图4所示。若角度编码器B出现滑移，按照同样步骤进行校正。

（二）角度编码器接线松动及接触不良

故障现象：不定时出现角度编码器A或B信号丢失，进而引发角度错误或偏差大报警，报警复位后，两组曲柄转角信息均正常。此故障出现没有规律性，但故障现象具有相似性。

图4 角度编码器静态测试

故障原因：角度编码器连接电缆接口采用的是航空插头，在长时间振动较大时，插头连接处及电缆与航空插头接线处容易出现插头松动或电缆磨损，从而导致接线松动或接触不良的情况发生。

故障解决方案：（1）在合适情况停车处理，检查角度编码器与TSA之间电缆连接情况，特别是角度编码器的电缆接头。多数情况下，故障出现在角度编码器接头处。（2）若角度编码器接头处出现松动或电缆磨损，应拆开接头连接处，检查插头端子是否损坏或脏污，必要时进行清洁；检查电缆与接头的连接是否牢固，必要时可用万用表测量接头处电缆到TSA内接线端子间的电缆连通情况。

（三）角度编码器供电故障

故障现象：曲柄转角系统出现电源故障，TSA左上角指示灯一直处于熄灭状态，正常情况下，该指示灯会随着曲柄角度变化而闪烁。停车检查后，角度编码器转轴上的标记与壳体标记重合，接头没有松动现象。万用表测量TSA内电源端子，没有电压。若两套曲柄转角系统均出现电源故障，CCU和ECU将收不到曲柄转角信号，柴油机将停车。

故障原因：由图2可知，角度编码器A和TSAA由ECUA供电，角度编码器B和TSA-B由ECUB供电。若出现电源故障，多数情况是由于ECUA或ECUB对外供电出现问题。

故障解决方案：以TSA-A供电故障为例进行阐述。（1）用万用表测量TSA-A箱内电源情况。若没有电压，则进一步测量ECUA中J40通道的A和D端子间电压情况，若还没有电压，则说明ECUA对曲柄转角系统的供电通道出现问题。（2）继续测量ECUA中J41-J47通道的A和D端子是否有电压，如果电压为24 V，则将J40通道A和D端子接线移至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端子均没有电压，则说明这些通道的保险损坏，检查更换即可。

（四）飞轮端MSA标记位置探头故障

故障现象：安装在飞轮端的MSA标记位置探头指示灯无闪烁，曲柄转角系统A和B的曲柄角度偏差大，MOP中出现曲柄角度偏差大报警。

故障原因：角度编码器A中有两个标记位置探头，为了进行角度校准，MSA标记位置探头安装在飞轮端。MSA标记位置探头会由于与飞轮距离发生变化及振动大等原因出现故障，最直接的判断方式是观察探头上指示灯闪烁情况。

故障解决方案：在TSA-A箱内，有两组MSA标记位置探头连接线，分别来自飞轮端MSA探头和角度编码器内部MSA探头。TSA使用的是来自飞轮端的探头连接线，而角度编码器内部的MSA探头连接线在箱子内处于悬空状态没有使用。飞轮端MSA探头出现故障后，处理方案是在TSA-A箱内，用角度编码器内部MSA探头连接线临时代替飞轮端MSA探头连接线，待飞轮端探头修复后，再恢复即可。

四、日常管理建议

电喷柴油机日常管理中应特别注意对曲柄转角系统的检查与测试，针对曲柄转角系统常见故障，提出以下管理建议：

（1）每航次或长时间航行后，检查角度编码器锁紧螺栓是否松动，必要时用内六角扳手紧固。检查MOP界面Maintenance—Function Test中Delta Tacho B里面的数值应小于1°。

（2）定期盘车检查在上止点时，TSA-A指示灯点亮；在飞轮上止点后45°时，TSA-B指示灯点亮。若指示灯点亮时，飞轮角度相差太大，应重新松开角度编码器锁紧螺栓进行调整并校正。

（3）定期检查角度编码器连接电缆是否磨损，电缆插头连接是否松动，必要时进行紧固。

（4）定期检查安装于飞轮端MSA标记位置探头与飞轮的间隙情况，该间隙一般为3±1 mm，间隙过大易造成脉冲信号丢失。

（5）定期检查角度编码器传动安装轴的径向偏移情况，要求该轴径向偏移量在±0.3 mm以内。

（6）角度编码器进行调整后，必须在MOP中做静态测试。

五、结语

本文详细阐述了曲柄转角系统的结构及工作原理，分析并给出曲柄转角角度的计算方法，列举了曲柄转角系统的常见故障，分析故障产生原因，并提出解决方案，最后提出曲柄转角系统日常管理的建议，为提高轮机人员管理水平、降低电喷柴油机故障发生率提供一定参考。