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上海海事大学船用电喷柴油机培训组
上海市浦东新区海港大道1550号
联系人：马一平
电话: +86
某远洋拖船主机为2台MAN公司9L32/44CR型9缸四冲程直列共轨电喷柴油机，控制管理单元ECU采用，单台功率，点火转速130r/min，启动成功后怠速450r/min，额定转速750r/min，螺旋桨为可调螺距螺旋桨。
两台柴油机经常发生启动困难，必须启动多次后才能成功启动。柴油机启动失败的症状有：（1）启动时柴油机不转动，启动气压几乎无变化；（2）柴油机不转动但启动气压迅速下降；（3）柴油机能运转但达不到点火转速。
柴油机无法启动后，轮机管理人员走到柴油机旁，重新开机启动，有时要重复四五次才成功。起初他们怀疑柴油机某缸启动阀被卡住，但经过全部拆解检查，并没有发现任何异常。由于该船主要从事海上平台及海洋工程服务，柴油机每天要启停多次，给轮机管理人员带来很大麻烦。
1 启动控制原理
MAN 9L32/44CR电喷柴油机起动控制原理如图1所示。该型柴油机没有机械控制的空气分配器，而是在传动轴上安装了一个圆盘，圆盘周围安装有9个脉冲传感器，用以检测各缸的曲轴转角。
图1 MAN 9L32/44CR电喷柴油机起动控制原理
柴油机起动时，在ECU的控制下，处于起动位置的气缸脉冲传感器发出信号柴油机空气管理系统，触发相应继电器，使气缸起动控制电磁阀动作，接通气缸起动阀的控制气源，打开气缸起动阀，让起动空气进入气缸，开始起动过程。
30bar主启动空气接在主启动阀上等候。主启动气管分为1路，与单独的1路控制空气并联，向控制系统供气（作为冗余备份）。控制空气分为3路：a路经翻车机接在启动电磁阀、缓启动电磁阀上，为主启动阀、缓启动阀提供控制气源；b路接在燃油共轨系统急停、冲洗阀控制电磁阀上；c路经减压阀降压至8bar，控制增压空气、排气风门。
执行柴油机起动程序时，ECU首先打开急停控制阀，检测急停气压，若压力低于设定值（5bar），柴油机切断起动过程，并发出报警；反之，若压力正常，则继续执行起动程序。主起动阀打开，一路到气缸起动阀等待，一路经气缸起动控制电磁阀到气缸起动阀控制端。起动位置气缸的脉冲传感器使相应继电器及气缸起动控制电磁阀得电，接通气缸起动阀控制气源，打开气缸起动阀，起动柴油机。随着柴油机的运转，各缸的脉冲传感器按点火顺序触发相应继电器，接通相应气缸起动控制电磁阀电源，使各气缸起动阀依次打开，进入连续起动过程。
当柴油机转速达到10r/min时，急停电磁阀断电，燃油共轨系统开始蓄压；当柴油机达到点火转速时，喷射模块工作，喷射电磁阀组控制燃油通过喷油器进入气缸。若在规定时间内达到启动成功的设定转速，柴油机切断启动气源，进入正常工作；否则，启动失败，停止启动过程并发出报警。
2 故障原因分析及排除
2.1故障原因分析
（1）控制模块、喷射模块、网关模块或通讯总线发生故障。该类型柴油机几乎所有的控制都是由ECU来实现的，其中：控制模块负责实现柴油机的控制、安全和报警功能；喷射模块负责燃油喷射；网关模块负责通讯、数据记录和联合控制；通讯总线负责将网关模块信号传送给柴油机进行自动控制和将柴油机信息反馈给ECU。如果控制模块、喷射模块、网关模块发生故障或通讯总线传输不良，将导致柴油机控制失败，包括无法执行启动程序。
（2）燃油共轨系统及喷射系统故障。电喷柴油机的燃油喷射原理是共轨油压建立后，喷射模块控制喷射电磁阀组的开度，向喷油器供油。共轨油压无法建立或压力过低，或喷射电磁阀组发生故障，都会造成燃油喷射失败。
（3）转速传感器故障。电喷柴油机启动时，只有达到点火转速才会喷油。该类柴油机采用双转速传感器冗余配置，如果转速传感器发生故障，转速信号就无法传送到ECU，柴油机就无法正常喷油和启动。
（4）急停压力低或急停压力信号异常。电喷柴油机在执行起动程序前，先检测急停压力是否正常，若压力低于急停压力开关的设定值，柴油机将无法起动。若急停控制阀或急停压力开关发生故障，即使急停压力高于设定值，ECU也不会收到急停压力正常的信号。
（5）脉冲传感器故障。如果脉冲传感器不能向继电器模块输出信号，则启动程序无法执行。
（6）继电器模块故障。每个气缸都有相应的继电器控制气缸启动电磁阀。如果继电器不能正常工作，柴油机将不能正常启动。
（7）气缸启动控制电磁阀故障。如果控制电磁阀线圈烧坏或阀芯卡死，将造成柴油机启动过程中，气缸启动阀一直处于打开或关闭状态，造成压缩空气进气混乱，造成启动困难。
2.2 故障排除
（1）柴油机的控制模块、喷射模块、网关模块及通讯总线很少发生故障，而且电喷柴油机的ECU具有自检功能，每个环节出现任何问题都会在报警系统中得到体现。该类型柴油机在启动前及启动失败过程中均未出现相关报警，且柴油机能够启动成功，说明控制模块、喷射模块、网关模块及通讯总线均工作正常。
（2）柴油机启动困难的现象是不运转或达不到点火转速，启动成功后能进入正常连续运转，说明燃油共轨系统、喷射系统及转速传感器等工作均正常。
（3）柴油机启动后检查急停控制阀控制气路，发现气路能正常接通、关断，说明控制阀工作正常。测量急停压力开关输出信号，也正常接通、关断。排除柴油机因急停压力低或信号传输故障而不能启动的可能性。
（4）打开继电器模块控制箱，检查柴油机启动过程中各缸控制继电器的工作情况，发现均能正常工作（继电器有工作指示灯），另外控制继电器模块的信号来自脉冲传感器，说明脉冲传感器及继电器模块故障可以排除。
经调查，确认柴油机启动困难的原因是气缸启动控制电磁阀故障。按下发动机旁的右主机急停手柄，撤去共轨系统油压，打开指示阀冲洗发动机，逐缸检查指示阀的启动空气。最后发现8缸无空气，3缸始终有空气，其他缸的启动空气能正常通断。这说明柴油机在启动过程中，3缸的气缸启动阀始终处于开启位置，8缸的气缸气动阀始终处于关闭位置。由于发动机管理人员已将所有气缸启动阀拆检，未发现异常，因此可以确认是这两个缸的启动控制电磁阀存在故障，导致压缩空气以混乱的方式进入气缸，从而导致柴油机启动困难。
3.故障现象排除及说明
3.1 故障排除
（1）在右主机第3、8缸各自启动位置，测量相应缸启动控制电磁阀线圈，24V电源能正常通断，检查电磁阀线圈，均正常。排除“电气”问题可能，应该是单纯控制电磁阀阀芯卡死。
（2）拆检3、8缸控制电磁阀后发现其内部有大量水锈等杂质，3缸电磁阀阀芯卡在开启位置，8缸电磁阀阀芯卡在关闭位置，清洗吹净后重新装配并启动柴油机进行多次试验，均能正常启动。
左侧主机故障原因类似，解决后恢复正常。
3.2 故障现象解释
以右主机为例，分析启动失败的三种故障现象，柴油机点火顺序为1-6-3-2-8-7-4-5-9-1。
（1）启动时柴油机不转动，但启动气压几乎不下降。由于3缸启动电磁阀卡在开启位置，启动过程中该缸启动阀控制气源始终接通，该缸启动阀保持开启状态。当曲轴转角为80°时，6缸处于膨胀行程，该缸启动阀打开，允许启动空气进入。由于3缸的该缸启动阀保持常开状态，也允许启动空气进入，因此此时3缸处于压缩行程柴油机空气管理系统，阻止柴油机转动。此时驱动柴油机转动的扭矩与阻止柴油机转动的扭矩相等，柴油机无法运转。
（2）启动时柴油机不运转，但启动气压迅速下降。当曲轴转角为320°时，第8缸刚好处于启动位置，应打开该缸启动阀，让启动空气进入。其实由于此缸控制电磁阀堵塞，致使无启动空气进入该缸，而第3缸的该缸启动阀仍保持打开状态，允许启动空气进入。此时，第3缸正处于排气行程，大量启动空气经排气阀排出，造成启动气压急剧下降，柴油机不能转动。
（3）柴油机启动时能运转，但达不到点火转速。如果启动时3缸处于排气或进气行程，除8缸外其他气缸都能正常进入启动空气，柴油机能运转。由于3缸的气缸启动阀处于开启状态，消耗大量的启动空气，而且柴油机旋转至压缩行程时3缸会起制动作用，所以柴油机达不到点火转速。
4 启动空气分配系统管理
电喷柴油机由于在节能减排方面的优势，近年来在新型船舶上得到越来越广泛的应用。以往对喷射系统和通风系统的总结较多，而对空气分配系统的管理总结相对较少。与传统凸轮轴柴油机相比，该类电喷柴油机起动控制系统的结构区别在于采用脉冲传感器、继电器模块和起动控制电磁阀代替机械式起动空气分配器；燃油部分采用共轨系统和电控阀组代替凸轮驱动的高压油泵，只有当柴油机达到点火转速时，阀组才会供油。控制方式多为软件控制，起动空气分配和燃油喷射均由ECU完成。
在船舶管理中，机械式起动空气分配器很少出现问题。由于机械式空气分配器的驱动力来自于机械凸轮，即使结构出现堵塞，也会被凸轮顶出，堵塞的异物会被排出。另外，机械式空气分配器在柴油机运行过程中始终处于工作状态，进一步防止卡阻。这类电喷柴油机采用较多的电子元件和软件来实现起动空气分配功能，不仅增加了维护工作量，也增加了起动故障诊断的难度，导致故障频发。
据统计，多艘船舶上各种型号的电喷柴油机都发生过类似的启动困难，其原因都是由于压缩空气不洁、潮湿，造成启动控制电磁阀堵塞所致。为防止类似故障发生，必须加强空气侧的清洁工作。除用空气瓶排除余气外船舶安全管理体系软件，在主启动阀前的压缩空气管上加装小空气瓶，进一步放出余气船舶柴油机配件，在主启动阀至气缸启动电磁阀的压缩空气管上加装干燥器及过滤器。改进后，该船柴油机再未出现类似的启动困难现象。
另外，工程师在柴油机启动后应检查空气分配器控制电磁阀电磁线圈的温度，如发现异常高温应引起重视，及时拆检清洗，更换滤清器、干燥剂。启动控制电磁阀必须定期拆检清洗，更换电磁阀密封圈。
5 结论
机舱管理人员必须加强专业学习，掌握电喷柴油机的启动控制原理，才能对启动控制系统进行有效的故障诊断和维护管理，确保船舶的安全运行。
作者简介：刘殿志 烟台打捞局总工程师
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