李健，程勇，周夢，蔣耀龍

（合肥熔安動力機械有限公司，安徽合肥 230601）

0 引言

科學(xué)的不斷進步和能源的不斷消耗對船用低速柴油機提出了更高的要求，包括降低燃油和主滑油的消耗，降低污染物的排放，增加柴油機的靈活性和可靠性等。而傳統(tǒng)的主機都是通過凸輪軸來控制噴油和排氣閥的正時，很難滿足以上要求。

MAN公司近幾年研發(fā)出了基于電子控制的柴油機，稱為ME型主機。公司在2010年接到首批ME主機訂單，并于2011年5月成功造出首制機，其性能是否能夠滿足設(shè)計要求急需得到驗證，故對其進行調(diào)試和臺架試驗是很有必要的。由于ME主機的調(diào)試具有一定的特殊性和復(fù)雜性，公司在對ME主機進行深入研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的要求，自行設(shè)計開發(fā)了一套試驗設(shè)備，利用此設(shè)備對主機進行了試車，并對試驗結(jié)果進行分析，驗證了ME主機的優(yōu)越性，同時也驗證了試車設(shè)備的通用性。

1 液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)

與傳統(tǒng)機型相比，ME型主機的調(diào)試相對較復(fù)雜，其主要原因是ME型主機對液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了較大幅度的改變，尤其是應(yīng)用了智能型控制和大量電氣模塊。因此必須對液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行全面深入的理解和把握，才能順利地進行主機調(diào)試和臺架試驗。

1.1 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要包括HPS（液壓動力系統(tǒng)）、HCU（液壓氣缸單元）及蓄壓器單元，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。液壓系統(tǒng)的主要功能是提供高壓伺服油，用于驅(qū)動燃油泵和排氣閥執(zhí)行器，受主機控制系統(tǒng)控制。

圖1 ME主機液壓系統(tǒng)回路

公司制造的5S60ME-C8主機采用了最新的300bar伺服油驅(qū)動技術(shù)，與早期的200bar相比，結(jié)構(gòu)更簡單、緊湊，重量也得到了減小。

伺服油來自于主滑油，主滑油的90%用于主機運動系統(tǒng)的冷卻和潤滑，僅有10%轉(zhuǎn)化為伺服油。由于ME系統(tǒng)對伺服油顆粒度的要求極高，所以主機自身配備了一個帶反向自動沖洗功能的濾器，濾芯為6μm。

HPS主要用于給伺服油加壓，由進口的2bar左右加壓到300bar左右，主要使用兩種泵，一種是機帶泵，即由曲軸鏈輪帶動小齒輪，小齒輪再驅(qū)動伺服油泵進行加壓；另一種是電動泵，即直接由440V電源驅(qū)動。泵的數(shù)量因機型不同而不同。

圖2 HCU分單元簡圖

在主機備車時，電動泵會自動運行，提供初始的伺服油壓力。起動后，隨著主機轉(zhuǎn)速的上升，機帶泵達到工作轉(zhuǎn)速，此時機帶泵即會取代電動泵運行，為主機的液壓控制系統(tǒng)提供足夠的高壓伺服油壓力。

穩(wěn)壓后的300bar伺服油進入HCU液壓氣缸單元，每個氣缸都配置了這樣一個單元，如圖2所示，每個單元都包含一套燃油泵、排氣閥執(zhí)行器、FIVA閥、分配塊、氣缸注油器、蓄壓器和閥件等。

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是ME主機的另一特色，控制簡圖如圖3所示。

圖3 ME主機控制系統(tǒng)簡圖

ME主機控制系統(tǒng)運用了大量的電子模塊，一些分布在集控室內(nèi)，如EICU、MOP；一些分布在柴油機控制板上，如ECU、ACU、CCU和LOP等。

分布在集控室內(nèi)的EICU是柴油機接口控制單元模塊，主要作為接口控制器；MOP是主操作板，位于集控臺上，船員通過MOP發(fā)送指令，通過控制系統(tǒng)控制主機的運行。

分布在柴油機控制板上的ECU是柴油機控制單元模塊，其功能相當(dāng)于一個調(diào)速器；ACU是輔助控制單元模塊，它控制著主機上的部分輔助設(shè)備，例如輔助鼓風(fēng)機、伺服油泵、HPS電動泵等；每個氣缸的CCU是氣缸控制單元模塊，控制著每缸的噴油、排氣、氣缸注油以及起動空氣等；LOP是機旁操作板，用于船員在機旁操作主機。兩條網(wǎng)絡(luò)線將這些控制模塊聯(lián)系起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，模塊的ID號使得每個模塊都有各自的地址碼，不會造成模塊間通訊的混亂，使數(shù)據(jù)交換順利進行。兩條網(wǎng)絡(luò)線是冗余設(shè)計的概念，即當(dāng)一條失效時，另外一條網(wǎng)絡(luò)線仍可繼續(xù)工作，避免了系統(tǒng)崩潰，提高了可靠性。

ME型主機取消了停車電磁閥，由每缸的CCU單獨控制每缸的停車，這也是異于傳統(tǒng)機型的地方，調(diào)試時需特別注意這一點。

2 臺架試驗

柴油機的好壞、性能的優(yōu)劣及理論設(shè)計的符合度等都必須通過臺架試驗進行驗證，公司在這方面進行了探索。

2.1 試車設(shè)備簡介

ME主機的試車與傳統(tǒng)MC型主機相比有很大的差別，根據(jù)MAN公司《ME型主機車間試驗導(dǎo)則》[2]及公司《5S60ME-C平臺提交試車大綱》[3]的具體要求，結(jié)合實際情況，公司自行開發(fā)了一套主機臺架試驗的設(shè)備。

由于ME主機的主要功能都由MAN本身的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，所以試車時無需遙控系統(tǒng)的設(shè)備，僅使用MAN的控制設(shè)備和一些輔助控制裝置即可。公司開發(fā)的這套臺架試驗的設(shè)備包括以下幾個部分：試車控制臺，電源箱，安保裝置。其中，試車控制臺（圖4）配有兩臺MOP、監(jiān)測儀表、鍵盤鼠標、ME-C專用的調(diào)油手柄和兩個EICU模塊，此外，還配有幾個輔助開關(guān)。

圖4 試車控制臺

由于ME主機用電設(shè)備很多，主要使用24V直流電，且控制模塊對電源要求較高，故公司使用了有多路電源并聯(lián)輸出的電源箱（圖5），由220V交流電供電，帶有UPS模塊和大容量的蓄電池。當(dāng)交流電源供電發(fā)生故障時，蓄電池可保證控制模塊繼續(xù)運行一段時間，保證主機安全。

圖5 電源箱圖

圖6 安保系統(tǒng)試車裝置

安保系統(tǒng)試車裝置（圖6），可以實現(xiàn)自動停車，也可以實現(xiàn)手動的緊急停車。手動停車功能是通過按“下一個”按鈕開關(guān)，送出一個緊急停車的命令給安保系統(tǒng)，同時點亮指示燈，顯示當(dāng)前停車的原因。主機上的一些很重要的參數(shù)需要被監(jiān)測，一旦這些參數(shù)值超過設(shè)定值，則會有開關(guān)量或模擬量（轉(zhuǎn)速信號）信號輸入給安保系統(tǒng)，安保系統(tǒng)在預(yù)先設(shè)定的延時后會輸出一個停車信號給ME控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動停車，保障主機的安全。主機停車保護起作用后，必須將操車手柄移動到停車位置，此時安保系統(tǒng)才會復(fù)位，主機才能重新起動。為了防止因系統(tǒng)故障導(dǎo)致主機不能應(yīng)急停車，還應(yīng)配置一套備用系統(tǒng)，以實現(xiàn)無延時的接替工作。

此套試車設(shè)備可以滿足所有的ME主機的試車，保證了通用性，降低了成本。

2.2 試車前的準備

動車之前需完成以下工作：首先是電纜鋪設(shè)完整、正確，電氣連接無誤；其次是對整機管路進行投油，保證管路沖洗干凈，管內(nèi)污物不會進入柴油機以損壞軸承、閥件等精密器件。投油分三步，先是外圍管系的投油，再是主滑油管路的投油，最后是HCU管路的投油。經(jīng)取樣檢查合格后，方可動車。ME主機是電控主機，許多操作都是由電腦完成，各個控制模塊之間也是通過冗余網(wǎng)絡(luò)線進行連接，所以必須先安裝軟件和設(shè)定各模塊的地址。

試車時，使用最新的電控系統(tǒng)軟件MEECS0905-8.2版，新版本增加了新功能，主要包括：HCU、HPS和角度編碼器的調(diào)試界面，HCU和HPS故障問題分析和數(shù)據(jù)記錄，絕緣監(jiān)測和電源噪聲監(jiān)測，與外部報警系統(tǒng)相連接。

另外，在臺架試驗之前，以Chief的身份進入系統(tǒng)，通過MOP對各個子模塊進行標定和監(jiān)測。

2.3 臺架試驗

在主機提交時，公司首先進行了安保系統(tǒng)的試驗，保證主機在試車過程中遇險時能自動停車，為后續(xù)試驗提供安全保證。主要測試以下幾點：超速保護、曲柄箱油霧濃度高、主滑油壓力低、推力塊溫度高等。另外，還外還包括ME自身控制系統(tǒng)的幾個點，如HPS泄漏液位高，液壓系統(tǒng)壓力低等。試驗證明，所有的點都自動停車，安保系統(tǒng)順利通過試驗，能夠滿足MAN公司和船級社的要求，也驗證了公司開發(fā)的安保系統(tǒng)的可靠性。

其次，公司進行了正倒車起動試驗以及盤車機連鎖功能試驗。

最后進行的是跑負荷試驗。公司按照試車大綱的 要 求， 選 擇25%，50%，70%，75%，90%，100%和110%幾個負荷點進行試驗，并同時進行主機性能的測試、數(shù)據(jù)的記錄、排放的測試、油耗的測試以及增壓器數(shù)據(jù)的測試等。

在試車時，公司采用世界上最新的帶Autotuning功能的PMI on-line 系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自動調(diào)節(jié)最大的爆壓值和平衡各缸之間的壓力，圖7是100%負荷處各缸噴射曲線，由圖可知，各缸之間有著很好的壓力平衡，使得最終的油耗更省，滿足設(shè)計要求。

圖7 100%負荷處噴射曲線

作為首制機，公司還進行了停缸試驗，在65%左右的負荷下，停止一缸，進行試驗。試驗表明，ME主機在低負荷時很穩(wěn)定。由于ME機型采用了單缸直接控制，相比傳統(tǒng)機型，其停缸操作更簡單。

3 試車結(jié)果及分析

修正后的各負荷點處的油耗曲線見圖8，由圖可知，燃油消耗值在70%負荷時最低，為170.7g/kWh，而在考核點100%負荷時，也僅為175.32g/kWh，滿足設(shè)計要求，比傳統(tǒng)的MC主機相比，油耗更低。因此，結(jié)果顯示出電子控制柴油機具有一定的優(yōu)越性。

圖8 各負荷點處油耗的數(shù)據(jù)

排放試驗分別選擇在25%，50%，75%，100%處的4個負荷點進行測試，采用E3循環(huán)，每個點至少穩(wěn)定運行20min后開始測量。測量結(jié)果如圖9所示，將100%負荷點的NOx排放的連續(xù)測量曲線（圖10）上的具體數(shù)值帶入計算公式后，得出在最大負荷點處NOx排放量為11.13g/kWh，小于國際船舶組織規(guī)定的第二代排放的限定值14.4g/kWh，滿足設(shè)計要求。

圖9 各負荷點處排放的數(shù)據(jù)

圖10 100%負荷點處NOx數(shù)據(jù)

臺架試驗的過程中也遇到了各種問題。主要有：

1）布線。主機電纜多，接線工作量大，且在電氣調(diào)試過程中，出現(xiàn)了很多報警，如接線問題導(dǎo)致的角度編碼器接線盒短路燒板。信號線與電源線捆在一起可導(dǎo)致信號干擾。

2）設(shè)置出現(xiàn)問題易導(dǎo)致錯誤發(fā)生。如通電調(diào)試過程中，DIP SWITCH網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)定時，二進制撥碼順序顛倒易導(dǎo)致MPC地址判斷錯誤。角度編碼器標定時，2#碼器調(diào)整45°運行位置設(shè)定成225°時，易導(dǎo)致MOP報警。

3）裝配問題。如油霧探測器的吸氣管路未安裝好易導(dǎo)致油霧串缸誤報警，測速傳感器支架未正確安裝易導(dǎo)致距離不正確等。

以上這些問題均需在后續(xù)主機研制時多加注意并解決。

4 結(jié)論及展望

公司首臺機ME型主機已經(jīng)順利提交，從臺架試驗的結(jié)果來看，與傳統(tǒng)機型相比，油耗和NOx排放量確實有所降低，且通過PMI on-line系統(tǒng)，使得主機的調(diào)諧過程更加簡單可靠。整個試車設(shè)備在主機運行過程中發(fā)揮了很大的作用，未出現(xiàn)大的問題，實現(xiàn)了通用性，為后續(xù)ME主機的試驗提供了堅實的平臺。但由于用于電子控制的主機電纜以及電子設(shè)備多，控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)較復(fù)雜，調(diào)試和日后維護工作復(fù)雜，信號存在干擾問題，故在以后的工作中需著重考慮這些問題。電子控制的柴油機是技術(shù)發(fā)展和研究的重要課題，ME主機進入市場是一種趨勢，相信隨著技術(shù)的不斷進步，ME主機的前途會更加光明。因此，與ME主機相關(guān)的技術(shù)也急需研發(fā)。

參考資料：

[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.