船用柴油发电机组转速不稳的分析处理

某散装货船在开往目的港装货的途中,值班人员发现其配备的2#发电柴油机组转速表波动明显,负责管理的轮机员检查燃油管路未见异常, 调节仪表板上“增益控制调整”旋钮,减少增益后, 发现转速波动的程度不变,为避免引起其他事故, 马上恢复原状。

为了不影响到港装货供电的要求,决定启用备用发电机组,组织人力对2#发电柴油机组的故障进行诊断。

在发动机工作正常情况下,发动机工作转速稳定,即使负载发生变化, 在EFC电子调速器的作用下,很快就可恢复转速稳定。

转速的不稳定,不仅因EFC电子调速器输入信号的频繁变化。

经SCB中央处理单元分析、比较后,发现输出控制信号使受控的闭式执行器动作过于频繁,导致进入气缸的空燃比达不到要求,使燃烧恶化,进而导致排气温度升高,润滑油温度升高,不完全的燃烧产物污染环境,甚至涡轮 增压器发生“喘振”。

同时,对由于转速变化引起频率的波动,对船舶的自动控制设备也有影响, 严重时可导致并车运行的柴油发电机因不同步而 “跳电”,造成严重的机损事故。

该船配备由重庆康明斯发动机有限公司生产的NT柴油发电机组。

此柴油发动机是高速四冲程发动机 ,额定转速达到1800 r/ min。

经查询, 该发电机组在工作过程中,除了转速表波动厉害, 主配电板的频率指示表也跟着波动,检查润滑油温度/ 压力、冷却水温度见表 1。

各缸的排气温度相差不大,满足产家要求,也 未发现异响、过热、燃油泄露等其他报警信号。

由此可判断该故障是由发动机转速波动引起的。

导致该故障的原因可能是:

燃油系统故障、调速器的输入信号不稳定、EFC 的调速控制板工作不良、调速板的增益旋钮调整不对或性能不佳等。

1.检查燃油系统 

燃油的供给控制,康明斯 PT( G)型燃油泵将油从油箱→滤器→齿轮泵→EFC电子调速器的执行器→电磁阀→气缸盖内部进油油道→喷油器→回油管;

管道流动的是低压燃油。

康明斯喷油器由定时凸轮、挺杆、推杆、摇臂组件、喷油器连接杆依次动作 ,当某缸的定时凸轮转到气缸处于进气冲程初期和压缩冲程末期的凸轮沿时 ,喷油器连接杆受压作 用在柱塞上的力小于恢复弹簧的预紧力,使喷油器的柱塞上移,喷油器杯通过进油孔→内部油道→喷油器杯→止回球阀→回油管道 ,接受来自康明斯PT (G)燃油系统的低压燃油;

当该缸的处于从压缩冲程末,柱塞受来自连接杆的作用力大于恢复弹簧的预紧力与喷油器杯燃油压力的合力,柱塞下移盖住进油口,并产生冲击压力波使止回球阀关闭,喷油器油杯中截留一定压力的燃油。

随着柱塞的下移,燃油被喷入燃烧室,同时,回油口被打开,球阀座被抬起, 燃油便自由地流过喷油器进入回油管,对喷油器进行冷却,同时排出喷油器杯中的气体,实现对燃油定 量、定时控制。

同时供油量是EFC电子调速器的控制,调速器根据传感器从发动机飞轮侧获得速信号, 经过内部的整形、运算、比较后,输出信号控制常闭执行器的开度。

一旦因外界负荷增大,发动机转速下降,常闭执行器开度按低、中、高三种开度增大,使供油量多,进入气缸盖内部进油道的燃油密度增大, 由喷油器喷入气缸的燃油增多,反之减少,满足不同工况供油的需要。

由此可知,燃油系统的检查重点应放在滤器、调速器的执行器、电磁阀、喷油器上。

通过对燃油泵前的滤器拆洗检查,滤器不脏;

电磁阀加12V电源检查发现动作到位;

排除两者引起故障的可能。 

检查调速器的电子执行器,取下该执行器的电源接线和螺栓,拧转执行器并将其从壳体中拉出, 发现执行器处于关闭状态,从执行器中取下3个“O”型环,在执行器上加12V电源,电磁线圈得电产生的磁场力克服弹簧力使执行器轴移动碰到内部档快时,内部发出“咔嚓”声,断开接线电源,磁场力消失,弹簧力使轴恢复原位,也发出“咔嚓”声,说明执行器内部部件无“卡阻”现象,燃油供给线路通畅,工作应该没问题。

执行器的安装要注意,3个 “O”型环换新并涂上润滑油后,将执行器插入燃油泵的壳体中,当执行器法兰离油泵壳体约9.5 mm 时,利用手掌把执行器推入并转30°,直到执行器法 兰碰到油泵壳体为止。

装入3个螺栓,拧紧后,按顺序用扳手分两步上紧,第一步用2.8 N·m 上紧,第二步用5.6 N·m上紧。

再一次接上和断开12V电源,听到内部发出“咔嚓”声,安装完成。

从检查的结果看,执行器没问题。 

由于船上没有配备喷油器的检测装置,故将 所有的喷油器用新配件更换后,重新启动发动机, 故障未能消除。

2.检查调速控制部分

康明斯柴油发电机组的调速系统包括电子调速板、测速信号发生器、电子执行器。

当柴油机飞轮旋转时,测速信号发生器根据飞轮齿圈与探头之间间隙的变化,引起穿过磁头铁心线圈的磁场的变化,从而产生脉冲的电压信号,电压值超过1.5V(AC) ,此电压值输送到电子调速板,若转速低于电子调速板的预先设定值,电子调速板输出到电子执行器的电压升高,则PT油泵的供油量随之增加,使柴油机的转速达到电子调速板的预先设定值。 

1) 电子调速板。

本柴油发电机组采用3044196 电子调速板, 此调速板由美国BARBER - COLMAN 生产。

一般情况下,控制部分的集成电路板有保护环节,其损坏几率小;

而增益调节在出厂时也调到最佳值,并标出记号,出错的机会也少;

故检查重点放在12V电源、连接线头和传感信号发生器和电子执行器上。

打开控制箱门,发现各接线头没有松动的痕迹,箱内导线也未见磨损;

用万用表检查调速板的1# 、2# 端子接线检查供电电压,其电压达到12. 5V,满足正常工作的要求,排除故障的可能。

2) 测速信号发生器。

测速信号发生器的线圈,用万用表欧姆档对线圈的两个接线端子进行检测,阻值为240Ω。

按厂家要求,该线圈阻值一般为100～300Ω,接线端子与测速磁头的壳体绝缘,发现绝缘良好。 

3) 电子执行器:

电子执行器是一个伺服的直流电机,由电子调速器根据测速信号发生器的检测信号,经内部整形、比较后,输出控制直流电压加在电磁线圈的端电压,发电机空载运行时,电子 调速板输给电子执行器的电压值一般为6～8 V (DC) ,此电压值会随负载的增加而增加,满载时, 一般为12～13 V (DC) 。

使用万用表欧姆档对线圈的两个接线端子进行检测,阻值一般为7～8 Ω,符合维修手册的要求。 

通过上述检测,没有发现故障。

再次启动发动机,用万用表的示波器检查空载时,机侧控制箱接线端13# 、14# 的信号发生器的输出电压,发现其幅值波动明显, 按厂家要求是输出1.5 V (AC) 以上,达不到厂家的要求。

拆下信号发生器的接线,旋出该传感器,发现传感头上附有一层近似油泥状的附着物,用柴油和刷子清除下传感头的杂物,用磁铁吸附剩下的杂物,发现其中有金属碎屑。

原来是传感头与齿圈之间存在金属杂质,改变了信号发生器金属探头与飞轮齿圈间的磁阻,使在飞轮齿圈转动过程,穿过传感线圈的 磁通量变化率发生变化,在传感线圈产生的感生电动势变化。

即信号发生器的输出信号的变化。

电子调速板接受受干扰的电磁信号后,输出 信号控制电子执行单元,使供油的通道变化,供油量与发动机的转速不相配,从而导致转速的波动。 

清洗传感头后,再次检查其线圈的电阻和绝缘情况,未发现异常。

按要求安装传感器,首先盘车, 观察飞轮齿圈的齿顶表面情况,对脏的齿顶表面及螺纹孔清洁后,盘车将飞轮的任意一个齿的齿顶中 心,盘到测速信号发生器安装孔的圆心处,然后将清洁好的测速信号发生器轻轻旋入,测速磁头接触到齿后,再反时针旋回1/ 2～3/ 4 圈,最后用螺母紧固好测速磁头。

启动发动机,再次检查信号发生器的输出电压,此时发现指示值基本不变,转速表也基本稳定,负载运行,随着负载的增加,其转速都能 基本保持稳定,表明问题得到了解决。