船舶ME电喷主机的组成和解析

船舶ME电喷主机的组成和解析

MAN B&W ME系列船舶主机是一种智能、电控柴油机，俗称“电喷机”。它取消了传统柴油机的高压油泵和排气阀机械驱动部分，以及相关的凸轮轴等部件，转而使用225bar的伺服液压滑油直接驱动燃油增压泵、排气阀启闭执行机构和气缸油注油器。ME主机的燃油喷射、排气阀启闭、气缸油喷射以及缸头启动阀开关均采用全电子控制。本文将详细介绍ME主机的电子控制系统，包括其组成、功能和工作原理。

ME主机的两个版本

ME主机有两个版本：ME-C和ME-B。

• ME-C：对燃油喷射（FIVA燃油喷射阀激活）和排气阀（ELVA电子排气阀激活）都使用电子控制。
• ME-B：使用专门用于燃油喷射（ELFI电子燃油喷射）的电子控制器，并设计为早期ME-C的高性价比版本。

主要控制部件

ME主机采用各种电子元件、阀门和传感器进行控制，主要控制部件分为：

• MOP（主操作面板）
• ECS（主机控制系统）
• HPS（液压动力系统）
• Tacho System（转速计系统）

1. MOP（主操作面板）

MOP是HMI（人机界面）屏幕，为轮机员操作主机提供主要信息。实际安装包括两个触摸屏MOP-A和MOP-B。它们实际上就是两台带有触摸屏的电脑，安装在集控室。它是轮机员操纵主机的主要信息界面。对整个ECS进行界面显示、操作、参数修改调整设定、报警、与PMI&COCOS-EDS通信，可以通过网线直接和各个功能模块通信。它是一台普通PC机，只是在其主板的PCI扩展槽内安装了特制的板子，当然这些离不开软件的支持。MPC板需要的软件就存放在MOP电脑的硬盘中，其操作系统为Win XP，是特殊的定制系统，没有家用电脑Windows XP系统的很多功能，最重要的是没有安装杀毒软件。整个电脑里只安装了ME主机的控制系统软件ME-ECS SW。两台MOP同时工作，相互冗余，即使两台都不工作，主机照样可以运转，并且负荷不受限制。MOP有2个使用账户级别：操作级和管理级。操作级只能进行常规的操纵和监控，不允许做参数设定；管理级除了操作级的权限外，还拥有修改参数的权限。进入管理级需要密码，而且这个密码是固化在系统里的，不可修改。

MOP功能概述：

• 显示ECS数据 - 人机界面
• 参数处理
• ECS告警处理

2. ECS（ENGINE CONTROL SYSTEM主机控制系统）

ECS由控制器列表组成。下面给出每个功能的功能和说明。

• EICU
• CCU
• SCU
• ACU

（1）EICU

EICU安装在集控室。负责和除ECS以外的系统进行通讯和数据交换，接收驾驶台、集控室（MOP）的操作信息；与外部系统（电源、车钟、遥控、安保、报警系统）通信。来自驾驶台或集控室的运行指令，经EICU运算处理，确定合理的转速设定点和运行模式。处理过的数据，保证了主机的安全运转避免伤害。EICU处理来自遥控站（驾驶台和集控室）的信号，机旁的操作信号不经过EICU处理，而是直接送到ECU、CCU、ACU等执行。也就是说，应急LOP机旁操纵时不需要EICU。

EICU处理外部系统和HPS（液压电源）。主要命令是速度设定值。在EICU中，速度设定值由一系列保护算法处理。

如果EICU出现故障，控制主机的唯一可能方法是ESC（机旁控制）或BCU（备用控制单元）（如果提供）。

ME有两种不同的运行模式，即排放和经济模式，以及3种不同的调速器模式，即RPM控制、扭矩控制和索引控制。

基于所选主机运行模式的算法，选择喷射曲线，计算燃料喷射时序参数，EICU推导出液压动力供应的压力设定值。

EICU功能概述：

• ECR/Bridge选择
• HPS控制设定点
• 气缸润滑油进给率
• 通用报警继电器
• 减慢请求和命令中继
• 主机运行模式

（2）CCU（气缸控制单元）

CCU安装在机旁，用于处理ELFI（电子燃油喷射）阀、气缸润滑，即ALS（阿尔法润滑系统）和分布式调速器。类似地，用于ME-C发动机的FIVA（燃油喷射阀驱动）、ELVA（电子排气阀驱动）。FIVA和ELFI是相同的并且具有相似的功能，并且这些阀门按比例运行。

这些阀门的位置由反馈传感器传输。ME发动机的每个气缸都有一个专用的CCU单元。例如，6个气缸将有6个CCU。

CCU根据来自Tacho System的曲柄角反馈以及通过控制网络从EICU接收到的请求的燃料喷射曲线、时序参数、进给率和喷射角度来选择喷射曲线。

气缸润滑器根据从EICU收到的气缸供油速度启动。CCU & EICU中使用的控制器是MPC。润滑器还配有电磁阀（用于喷射气缸油）和阀芯位置传感器和流量传感器。

根据ECU中的设定值负责完成以下动作：
① 根据tacho系统的曲轴转角信号，按正确的发火顺序启动主机；
② 执行燃油指令，通过FVA阀控制燃油喷射；
③ 按照系统的定时设定，控制打开或关闭排气阀；
④ 气缸油注油器根据ECU设定的注油率，通过电磁阀进行注油工作。

另外，在启动、机旁操纵和负荷在10秒钟内变化超过15%期间，LCD将自动增加25%的气缸注油率，以加强气缸润滑，并在负荷稳定后维持30分钟。当其中一缸的CCU出现故障，该缸就会自动封缸，停止喷油，排气阀保持在打开位置。

CCU功能概述：

• HCU阀门控制和监督
• 调速器
• 本地/远程选择
• 从安全系统关闭监控

（3）SCU（扫气控制单元）

这是可选的。SCU使用扫气旁路或VT（可变涡轮/涡轮增压器）来控制扫气压力。SCU连接到ECS网络。从ECS估算的主机负载和测量的扫气压力。SCU将根据主机负载为Pscav控制器设置一个设定值。

Pscav控制器还将接收来自扫气接收器传感器的反馈信号，并计算排气旁通或VT执行器的设定值。SCU中使用的控制器是MPC

（4）ACU（辅助控制单元）

这是可选的，可以使用制造商的启动面板进行辅助控制。控制伺服油泵、辅助风机启停（手/自模式）。

① 控制电动液压泵起停(225Bar)；
② 根据系统设定值对应的不同转速，控制3台机带柱塞泵倾斜盘比例，调整液压系统的压力；
③ 根据扫气压力，控制辅助鼓风机起停(0.4Bar启动,0.7Bar停止。在出现故障停车或应急停车后,液压系统重新建立压力需要大约60120秒辅助鼓风机重启需要大约2030秒)

（5）ESC（机旁控制）

如果驾驶台/集控室对主机的主要操作失败，仍然由LOP和ECU组成的ESC控制。

（6）LOP（本地操作面板）

LOP替代了以前的ESC（机旁控制）。基本功能可用于控制主机，例如停止、启动、前进/后退运动、速度控制。LOP(机旁操纵屏)相当于应急操纵台。由于ME主机没有油门/换向传动结构和调速器，故LOP省去了机械方面的操作，完全由电子控制元件完成，操作更加简单快速。转换操作通常是，LOP控制面板发出机旁操纵请求，在遥控控制站进行确认；特殊情况下，可以通过LOP上的“Forced Take Command”按钮，不需遥控位置同意强行进行应急操纵的快速转换。在LOP上，有进行主机启动、换向、调速、停止等基本功能，且大多重要参数都有仪表显示。

（7）ECU（主机控制单元）

ECU安装在机旁。控制三个ACU及六个CCU单元；具有换向、启动、停车、调速功能；接收现场传感器送来的信号；机接受旁操作板的操作指令；直接控制备用泵的启停。EICU理过的数据作为参考值，交由ECU执行。根据曲轴编码器的信号，ECU按正确的发火顺序，在正确的曲轴位置上启动主机并进行喷油。ECU的转速输出又作为反馈信号与设定信号对比，进行偏差修正。当然，在加减速的过程中，燃油限制会发挥作用，并经过最大设定转速限制、最大设定负荷限制、程序负荷限制、扫气压力限制、临界转速限制等的过滤，保证主机安全运行。依据选择的运行模式，ECU按照燃油限制法则运算出增加或减少喷油量、燃油喷射和排气阀定时参数、气缸油注油率等，并通过网络网络将这些指令送到CCU执行；而与设定转速对应的液压油压力设定值信号则送到ACU执行。

LOP连接到控制CCU的ECU。主机控制单元执行主机控制功能：主机转速、运行模式和启动顺序。

3. HPS（液压动力系统）

液压动力源由两个电动液压轴向柱塞泵组成，泵由缸架覆盖。这些泵可以在自动（可能提供ACU）或手动模式下启动。在自动模式下，当您自动选择发动机待机时，这些泵将开始达到设定压力（最大300bar）。

这种加压油被输送到安装有HCU（液压缸单元）、排气阀执行器、ALS的分配块。HCU由燃油增压器、排气阀执行器组成。当ELFI/FIVA阀工作时，燃油压力会升高并通过高压管输送到喷油器进行雾化。例如：如果燃油增压泵入口为7-8 bar，则增压至200-300 bar压力，即出口压力。

4. TACHO SYSTEM（转速计系统）

TACHO系统由两个部分组成：角度编码器和TSA（转速计系统放大器）

（1）角度编码器

早期的设计有2组传感器，总共8个传感器安装在转轮上，这既昂贵又耗时。

新设计包括使用光学技术的角度编码器，由于曲轴前端配备了两个旋转编码器（考虑到冗余，每个编码器给出独立的信号），因此更易于安装。角度编码器基本上是曲柄角度传感器。每个角度编码器由4个传感器组成，即MM（Marker Master）、MS（Marker Slave）、Q1（Quadrature Master）和Q2（Quadrature Slave）。

例如，角度编码器A、MMA、MSA、Q1A、Q2A和角度编码器B、MMB、MSB、Q1B、Q2B。

（2）TSA（转速计系统放大器）

有两组TachoSet，TSA-A和TSA-B。TSA从角度编码器接收数字数据。接收数字数据MM（标记主）、MS（标记从）、Q1和Q2（正交）。请参阅在一圈内以不同角度接收的传感器数据表。

对于来自角度编码器A的TSA-A输入是MMA、MSA（角度编码器A MSA输出左浮动，并且参考传感器安装在转轮中并连接到TSA-A）、Q1A和Q2A。对于TSA-B类似，但没有为角度编码器B的TSA-B输出提供参考传感器。

标记用于跟踪曲轴的位置，类似地，正交用于轴旋转的速度和方向（顺时针或逆时针）。TSA数据被馈送到CCU。

5. PMI & CoCoS EDS（检测测量系统）

PMI通过安装在所有单元的指示旋塞附近的压力传感器连续测量气缸压力以计算平均压力，这些传感器向DAU（数据采集单元，即MPC10控制器）提供4-20mA信号，描述它们的燃烧过程，

• Pᵢ 指示平均压力
• Pmax 最大压力
• Pcomp 压缩压力

Auto Tuning PMI实时采集主机工况数据同时被送到MOP电脑ME-ECS软件中，ME-ECS软件中的Auto Tuning功能会对主机的实时工况进行实时调整（每10转调整一次），保证主机一直处于最佳的工作状态中。保证最经济，排放最低。

DAU接收到的数据由ECR中称为CoCoS（计算机控制监视）的单独PMI PC监控。

PMI和CoCoS EDS不是ECS的一部分，但PMI数据在MOP中可用，MOP使用网络交换机连接到网络中。

CoCoS -EDS（Computer Controlled Surveillance – Engine Diagnostics System）是用来收集和记录/分析主机参数的一种程序。是一种功能非常强大的类似于主机大数据平台，如果按时备份，它可以记录主机一生所有的参数，并且可以用不同的形式将这些参数呈现出来，比如说柱状图，趋势图，线性变化，等等。

CoCoS – EDS的软件是和PMI的软件安装在同一个电脑上的，所以这台电脑又叫PMI-CoCoS EDS PC。

操作系统如果被病毒感染，会导致正常的操作文件丢失，系统不能正常工作。因此，轮机员如果需要从MOP拷贝文件出来的时候，首先要把连接的USB格式化，再使用，并且只用于MOPB，一旦出现问题，最起码还有MOP A。对于PMI – CoCoS –EDS电脑，也建议如此，不要存储其它文件或当做日常工作电脑来用。建议船上/机务收集每条船的MOP A/B的Windows XP系统备份，ME-ECS SW的安装软件备份，SPAF参数备份，以及PMI – CoCoS –EDS软件，数据备份。万一出现问题，轮机员可以在MAN Diesel & Turbo远程指导下自行完成安装，恢复系统。

维护和故障排除

• 检查气隙并保持参考（MSA）传感器的传感头清洁。
• 根据Ship PMS或Maker说明执行PMI传感器校准。
• 从MOP获取HCU事件日志备份（这将有助于制造商未来的故障排除指南）
• 获取PMI和CoCos-EDS备份数据。必要时恢复它。
• 更换燃料或使用最近的燃料时更改燃料数据。
• 在日常维护期间，还更新MPC的备用电池（多功能控制器：典型电池寿命为16000小时/5年）。