引言
自4月7日以来，交通运输部海事局在全国范围内开展预防船舶机电设备故障专项行动，着力降低船舶机电设备故障风险，防范和遏制水上交通事故发生。
典型案例
案例一：2024年2月，某大型集装箱船“C”轮靠泊码头时，在码头前沿，突发主机失控，经查该轮电喷ME主机编码测速双套系统均故障。电喷ME主机编码测速系统的作用主要为检测主机转向、主机转速和主机曲轴角度，对于ECUs和CCUs控制主机各缸定时、判断柴油机各种动作、根据相关指令准确控制柴油机运行、实现主机换向/启动/排气/停车等一系列操作都至关重要。当两套Tacho系统均故障时，柴油机将停机。
案例二：2024年4月，某国际航行滚装船舶“G”轮（主机型号为MAN B&W 7S60ME-C85）在某港口离泊时，主机突然自动停车，主机监控报警面板显示“M/E COMMON ALARM FROM EICU”及“LOW HYDRAULIC PRESSURE”，初查判断主机异常停车是由于HPS系统滑油滤器脏污引起的，但根据报警监控系统故障原因提示进一步排查诊断发现，主机异常停车的原因是HPS系统310号溢油电磁阀阀芯弹簧断裂，导致该溢流阀始终处于开启状态，液压油直接返回到油舱，HPS系统无法建立油压，进而造成主机停车。
案例三：2024年6月12日0620时，某国际航行散货船“I”轮在某港锚地准备进港时，突发主机转速无法越过临界转速，船速无法加至FULL，主机加车期间烟囱冒黑烟，油压、油温、排烟温度正常。初查原因是喷油器发生泄漏，更换3、4、5缸共计9个油头后，主机仍然无法加至FULL。经过进一步调查发现，该轮主机故障原因是主机运行监控程序存在“BUG”，厂家升级主机运行监控系统软件后，有关问题得到解决。
“I”轮主机采用最新电喷技术，为防止主机在共振转速区域运行时间过长造成损害，运行监控程序会根据主机转速自动增加油门以使主机能够快速越过BSR。事发时，该轮为满足硫化物排放要求，主机换用轻油。当主机使用重油时，由于重油热值较高，同等情况下提供的热能更多，设定的喷油量能够为主机提供足够能量使主机快速越过BSR。当主机使用轻油时，由于轻油热值不足，主机做功较低，为使主机转速能够快速越过BSR，主机运行监控程序会迅速增加主机喷油量。然而由于气缸喷油量太大，不适配该扫气压力下的风油配比，扫气压力不足导致喷进气缸的燃油无法充分燃烧，增压器转速无法提升，致使主机做功不足、转速无法增加。在此情况下，主机运行监控程序因其转速不能快速越过BSR会继续增加喷油量，使风油配比继续降低，形成恶性循环，主机在油门开度达到120%的情况下转速仍无法越过BSR，导致船舶加车失败，无法全速前进。
案例四：2024年4月，某大型集装箱船“M”轮（主机型号为MITSUI-MAN B&W 11S90ME-C10.5）进港过程中，在港内航道中突发主机故障降速，导致船舶操作受限。该轮机舱报警监控系统出现警报“CCU1 032020 Failing Lubricator Feedback (Slowdown)”，即主机1号缸气缸润滑油反馈失效导致主机降速，机旁查看注油器总成，外观无任何漏泄，尝试紧固相关电线电缆，警报消除。经核查，名为“JB Lubricator Position Feedback”的传感器相关线路接头松脱。
案例引发的思考
上述四个典型案例均为此次预防船舶机电设备故障活动中发现的涉及电喷主机的典型案例，船用电控共轨柴油机集成化的燃油以及滑油高压共轨和控制柴油机燃油喷射、汽缸油注入以及排气阀启闭的电子系统，实现了柴油机在最优化的状态下运行，由于船用电喷柴油机引入了更多的电子控制系统和智能化控制软件，对管理人员提出了更高的要求。通过案例可以看出，为探究预防电喷主机机电故障的措施，首先我们要分析电喷主机较传统主机的区别。
电喷柴油机与传统柴油机在结构上的主要区别是:电喷柴油机取消了凸轮装置、高压油泵和排气阀的执行装置、空气分配器、调速器、燃油调节轴、机械式气缸注油器等装置，改由液压动力供应系统、液压缸组、柴油机控制系统、曲轴角度编码器、电控Alpha 注油器等来取代，用计算机控制各缸喷油定时、喷油量、排气阀定时、起动空气定时等，燃油喷射采用模拟量控制，排气阀控制采用开关量控制，每个缸都有一个电子控制单元CCU，操纵系统大为简化，操纵系统中仍保留了主、辅起动阀，采用电子控制装置来执行发布各项指令控制柴油机。
以MAN B&W 5S60ME—C8.2型电喷主机为例，电子控制回路和各单元元件之间的逻辑关系如下图：
电喷主机电子单元模块功能示意图
电喷主机常见故障
电喷主机90％的机械部件和传统MC主机是一样的，事实上，增加的电子控制系统和智能软件能够为轮机人员进行故障分析和诊断提供更多的帮助和相关信息，这里仅针对最常见的并且是由于电喷设计改变而带来的“新”问题进行分析，主要从机和电（控制）两大方面来列举和分析其常见问题。
（一）机械控制方面
1、缸套低温腐蚀
与传统主机相比，电喷主机行程更长，导致转速更低、爆压更高，直接后果就是燃气在汽缸里停留时间更长，燃烧室形成的硫酸蒸气随着活塞下行温度降低，最终接近三氧化硫的露点，从而在缸套上形成硫酸液体，造成低温腐蚀。ME主机在冲程更长的G型机上，缸套低温腐蚀现象尤为明显，这是不断追求主机高功率和高效率带来的负面影响。
2、高压油泵喷油柱塞积炭
传统主机的高压油泵靠旋转喷油柱塞改变喷油始终点来改变喷油量，喷油柱塞的行程在任何主机负荷下都是最大的，并且是一样的。但是对于电喷主机，以ME主机为例，高压油泵的喷油柱塞行程直接由FIVA（Fuel Injection Valve Actuation）控制，行程是和单缸的油门刻度成正比例变化的，柱塞不会旋转。当考虑船舶经济效益，主机在降负荷运行的情况下，导致喷油柱塞的行程常处于最大行程的一小部分，也就是主机一直使用喷油柱塞最上面的一小部分，大部分的喷油柱塞无法到达泵盖中，时间长了未被使用到的喷油柱塞下部就开始积炭，而当需要增加负荷时，喷油柱塞行程加大，有积炭的柱塞部分进入泵盖，就容易导致柱塞卡死在泵盖中，回不到原位，最终导致单缸自动停油。
积炭严重的喷油柱塞下部
3、排气阀行程不正常（关闭/开启行程过小）
电喷主机如果发生“Exhaust Valve Stroke Two Low”报警，该报警会引起主机自动降速，该报警产生的原因，不仅可能源于排气阀本身，还可能和控制排气阀的CCU（Cylinder Control Unit）、FIVA以及反馈探头有关系，本部分只讨论与机械部分有关的原因。
MC主机和ME主机排气开关原理
ME主机排气阀的定时需要通过排气阀的位置传感器来检测其开关位置和行程，当出现故障的时候，就会出现前文所说的报警。“Exhaust Valve Stroke Low”这个报警在排气阀没有全开或者全关都会出现，主要原因有一是驱动排气阀液压顶杆中有空气或空气泄放阀门失效，会导致排气阀不能全开或者全关；二是排气阀执行机构补油管路的截止止回阀失效；三是空气弹簧下部的密封不好，滑油漏泄形成积炭，排气阀杆在导套中运动的过程受到卡阻。
4、HPS系统故障
ME电喷主机用液压驱动代替了凸轮驱动，动力液压油供给系统HPS提供20～30MPa的动力液压油作为驱动排气阀和燃油增压泵(也称高压油泵)的“液压凸轮”，堪称ME电喷主机的“心脏”。液压气缸单元HCU中的FIVA阀作为一种电液比例阀，用来控制喷油定时、喷油量、喷油压力和排气阀的启闭。动力液压油的温度、黏度、洁净度等性能会极大地影响着FIVA阀和各传感器的精度，从而影响电喷主机的可靠性和安全性。为了保证电喷主机FIVA阀的使用精度和寿命达到预期，HPS系统Filter unit单元安装了6μm主滤芯，柴油机系统油若污染严重，会造成伺服油自清滤器频繁冲洗，严重时出现伺服油滤器压差高报警，引起伺服油压力异常，导致排气阀开关紊乱，燃油异常喷射，造成主机Slow down。如伺服油稳压蓄压器的压力不合适，造成动力油压力波动过大或波动频繁，导致主机运转不正常，甚至损坏阀件。同时伺服油泄漏也会造成HPS系统失常，常见泄漏位置有：伺服油泵的轴封，高压油管、管路合拢处、焊缝以及弯头薄弱处，阀件的密封处，包括活动部件阀杆密封等，电喷主机的NC阀或RAIL VALVE，由于长时间高频率的快速被触发，阀块密封处O型圈极易损坏，引发伺服油泄漏。
5、 FIVA 阀故障
FIVA 阀故障在电喷柴油机中是容易发生故障的装置之一，主要故障及现象如下:
导阀或主阀咬死，造成该缸不供油；导阀电磁阀损坏、弹簧断裂、控制线路板烧毁、接线松脱造成不供油、不能开关气阀、单缸排温低；导阀电磁力不足造成供油量少、排气阀开阀时间长、单缸排温低；导阀弹簧力不足造成供油量大、气阀开阀时间短、单缸排温高。
（二）电气控制方面
共轨的油压、高压燃油喷射、排气阀启闭正时、气缸油注入、启动和换向等操作均由原始的凸轮轴或VIT控制改变为现在的电子控制系统控制，电子控制系统由控制单元模块、信息采集传感器以及电磁阀等构成。常见的故障主要有以下这些：
1、信息采集传感器故障：主机振动会引起各种传感器的接线或者插头松动；探头脏污会影响传感器检测精度，造成控制系统误动作；燃油杂质多、粘度大、测量油缸的内外温差大，油温过高导致积碳而污染燃油油量传感器，引发测量柱塞运动受阻或咬死。柴油机燃油喷射、汽缸油喷油、排气阀启闭等各项动作均由曲轴角度传感器将角度信号发送给控制单元，如果两个曲轴角度传感器同时故障，主机将停车，没有角度传感器将不能进行主机操纵包括应急操车，常见的故障有角度编码器固定支架松动、角度编码器锁紧环松动，使得编码器的空心轴与传动轴相对位置改变；轴承损坏；探头接线松动；信号放大器故障等。
2、电磁阀故障（燃油电磁阀和排气电磁阀）。原因可能有：工作环境振动剧烈，导致电磁阀接头松动、复位弹簧断裂；工作频率高、过电流，烧坏线圈；燃油杂质多,加剧电磁阀磨损,甚至卡死阀芯。
3、排气阀位置传感器故障。各个气缸排气阀处均有两个排气阀位置传感器，检测排气阀动作时间和位置，监测排气阀启闭状态，受主机振动影响，排气阀位置传感器极易发生插头松动的现象，导致控制单元无法接收排气阀状态信号，影响主机正常运行。
4、逻辑控制单元故障。以ME-C主机控制系统为例，共包括MOP主机电脑板2块和MPC板13块（2块EICU、2块ECU、6块CCU、3块ACU），一般安装在机旁的铁箱内，同时各个气缸还有气缸油控制电子模块板，一般安装在各缸共轨箱下的铁箱中，在恶劣的振动、高温且无通风的环境下工作，上述电子模块板损坏机率高。MPC常见的故障有接线卡子松脱；通道保险丝烧坏；终端电阻损坏；板子高温，引起主机工况不稳定；震动原因引起噪音脉冲干扰警报；绝缘不良引起绝缘低报警；软件逻辑方面的故障；模块网卡故障。
预防电喷主机故障的安全管理建议
由于电喷主机的高度自动化和智能化特点，因此在日常过程中，必须加强轮机员的业务能力，并经常巡查各传感器工作状况，便于维护。
1、关注伺服油性能和系统密封性。
共轨油压系统的压力较高，在运行中一定要注意密封性是否良好，船舶应定期检查伺服油泵、阀、分配块、管路接头等是否漏泄，根据说明书正确选用伺服滑油的规格和牌号，定期清洁保养HPS系统主滤芯，严格监控滑油品质、滑油压力、滑油黏温性指标、HPS系统蓄压器内氮气的压力等各项关键性指标。加强柴油机HPS系统各部分的检查，及时发现漏泄情况，对容易老化的密封件要定期更换。
2、关注各传感器的工作状态
（1）加强电喷柴油机喷油控制单元、排气阀控制单元、气缸电子单元、电磁阀、传感器等及其连接点松动的检查，柴油机运动部件的磨损、松动会加剧柴油机振动，进而增加上述设备松动的可能性，所以船舶需要采取措施降低机舱的振动源，可以通过增加胶皮衬垫厚度、加固或尽量保持主机各缸发功均匀，
（2）保证燃油的质量，燃油的温度、粘度、清洁度等，影响着电磁阀和传感器的工作状态，应强化燃油沉淀、加温、过滤和离心式分离等预处理管理过程，及时调整燃油温度。
（3）避免跳电的发生，电网突然断电会对电气电子元件形成较大冲击，应加强发电机及其原动机的维护保养工作，开展BLACK OUT试验时,要提前做好各设备的电源切断工作，特别是驾驶台的通导设备和集控室的监控电脑;
（4）确保机舱具有合适的环境温度，是保证电子控制设备正常工作的重要条件，所以应当根据机舱温度情况,及时调节机舱的通风条件。降低机舱的湿度，减少机舱污水井污水的积存，避免挥发，尽量保持干爽。
3、加强电器电子元件的日常维护
排除质量原因，电器电子元件的性能和使用寿命，受制于工作环境的温度、湿度、振动和卫生等，跟管理者的日常维护密不可分。所以，航运公司和船舶要加强船上电机员的培训和指导，确保电机员做好电器电子元件的日常维护工作。
电机员应定期检查各控制箱固定螺丝是否松动，避免因共振而加剧损坏；按照说明书要求定期检查、清洁各控制箱内电器电子元件，做好电器电子元件的防尘防污染工作；定期检查并且上紧所有接线端子，电路图上标有屏蔽线的电缆是否按图纸要求屏蔽接地，对于数据线须使用特殊的屏蔽接地，避免信号干扰；注意对传感器的检查，避免因受到振动、噪音的干扰而引起设备故障；公共数据线定期检查所有接线排是否松动，末端120Ω电阻工作是否正常，公共数据线不能串并联只能并联，在应急情况下也不能切除；加强电瓶的维护，按照说明书要求及时对CCU、ECU等电路板内的纽扣电池进行更换。
4、强化船员培训，提高船员故障排查能力
由于每条船的电喷机，其管路、阀系、控制箱、接线箱以及FIVA阀的安装位置不同，外形结构存在差异，甚至软件的管理也会有出入。但是，万变不离其宗，船员需要融会贯通，先把说明书彻底研究明白，再根据实际情况由浅至深地参悟和掌握。
共轨油压系统的电子控制元件的任何异常,都可能导致柴油机主要参数异常，主管船员要随时关注柴油机的排烟温度、压缩压力、爆炸压力、增压压力等参数，发现异常时要分析控制单元、电磁阀和传感器等的影响并及时排除。主管轮机员应熟悉电子控制回路及其信号采集的目的和来源，主管电机员应熟悉机械原理及其部件构成和运动规律，各有侧重，船员应该吃透机电的关系，不能停留在传统机型的思维模式里。实践中增进电喷主机知识的广度，学习中提高电喷机管理的水平，航运公司应加强开展对船员电喷主机相关知识的培训，提高船员发现问题、解决问题以及管理设备的水平。日常管理过程中，根据说明书和厂家要求严格管理，把问题消灭在萌芽状态，避免大多数故障的发生。在分析故障时注意借助如下资料： 控制原理图、报警记录报警通道提示、电路图。如果在 MOP界面内MOP报警栏内显示故障报警，在通道信息栏内会显示可能造成报警的原因，根据报警原因提示，合理判断故障原因，分析当前情况，可以通过对调的方法检查部件好坏，但是要先检查该部件是否有附件，比如传感器故障报警，检查传感器电源供应和连接电缆是否正常，传感器损坏应尽快更换，若传感器不能立即更换应当cut-out该警报点，注意排气阀位置传感器、曲轴角度传感器可以被cut-out，其他不允许；要重视测量的精度，有些故障不是外观所能发现的，需要准确地测量才能排查，可以借助测量值的细微变化就能查出原因，进行有效排除，更具专业的眼光，不要等到电子元件烧掉再去想办法解决。
柴油机的高压共轨系统和电喷技术是世界船用柴油机发展的一个新的方向，由于该系统采用了高度自动化智能化的控制单元，使得电喷主机具备高度灵活的控制功能，它可以实现很高的喷射压力，达到极佳的燃油雾化效果，并实现理想喷油过程中的压力可调，同时可以实现满足各种工况下最低排放要求的多种喷射规律控制以及灵活精确的喷油定时控制，这样就加大了柴油机控制的自由度，使之具有了未来柴油机满足更严格的排放法规要求所必需的发展潜力，为进一步提升柴油机的性能提供了更广阔的空间。在运行中，多点喷射技术让电喷柴油主机的振动降低到了一个新的低点，柴油机的各项指标也有了新的标准。相信随着世界科技的日新月异，未来不断技术革新的船用主机会为全世界的发展进步提供更加绿色，环保，高效，的动力保证。
作者：杨元戎
供稿单位：沧州海事局
