一型船用发电机组冒白烟及频率不稳故障分析及处理

柴油发电机组转速恒定，负荷变化平顺，较少出现冒烟的情况。电喷机组燃油喷射的量和时间更加准确,精度高且便于控制，出现异常冒烟的情况更少。但其始终使用的是化石燃料，冒烟现象是无法避免的，在机器冷启动、短暂的大负荷突加等特定状态下冒少量的烟属于正常现象。但如果柴油发电机组在稳定的负荷下正常运行时出现了冒烟现象，则说明柴油机可能出现了故障。根据机器排出的烟色可以初步分析柴油机故障原因以进行进一步检测，解决异常冒烟问题。一、现象描述某船厂在2021年建造的三艘珠海游船共使用了6台康明斯QSB5.990kW电喷发电机组，每船2台不并车，互为备用。6台机组分三批先后到厂装船，6台机组的原动机属同一批出厂，前4台机组装船调试一切正常。但最后一艘船的2台机组出现了异常冒白烟及频率不稳定的情况，具体表现为：冷启动，机器正常、频率稳定。运行约1至2分钟后出现频率波动同时发动机排出非常明显的白烟，持续约20秒至30秒消失，之后频率持续稳定，无异常现象。热机连续启动，则无此现象。经多次冷启动试验，以上现象可以重复。尽管冒烟现象持续时间不长且仅在冷启动后初期的2到3分钟内出现，热机后就会消失，完全不影响使用。但本船是双体旅游客船，发电机排气出口位于两个船体片体中间主甲板下形成的通道内，白烟造成随风向不同时船艏或者船艉烟雾缭绕。而且只有一艘船的两台机组出现问题且对比明显，船东强烈要求对这两台机组进行检查，消除冒烟现象。二、异常现象产生的原因1、频率波动①电喷机组集成了大量电子控制元器件，受到电磁干拢的可能性较大。大致可分为外接控制器件、机旁控制箱、机身电脑EMC三部分，每一部分都有可能受到电磁干扰。②机身电脑EMC中对机器标定即参数设置不准确，电子喷油量、提前角等参数有误。③油器、油路或者机械故障问题，燃烧异常转速不稳定造成频率波动。2、异常冒烟①冒黑烟，黑烟主要是燃料中不完全燃烧的碳粒组成。燃料过量供给、进气量减少、燃烧室结构出现故障、喷油器和控制系统故障等都会造成冒黑烟。②冒白烟，白烟是环境气温较低，冷启动气缸温度低时燃料未燃烧，或者雾化后的燃料颗粒混入了水汽，或者未充份雾化的燃油随废气排出就会出现排气冒白烟。③冒蓝烟，机油过量窜入燃烧室参与燃烧的结果就是冒蓝烟。一般柴油机都会有一个约0.5%左右机油正常消耗量，一旦超过这个值将会有蓝烟现象发生。三、机组配置组成、故障分析及检查1、机组配置及相关电路（1）机组的组成本批次机组原动机均为新机且属于同一批次，但出厂先后顺序不同，出现故障机组为最后出厂。原动机运至发电机组组装厂后，由集成厂按康明斯要求配置机旁控制箱（机旁控制箱内主要模块为康明指定专用品牌产品），安装满足船级社要求的传感器，进行电气系统接线、电球匹配及对中、油水管路滤器连接、最终的台架试验取证等工作。ECMCM2880电控模块是电喷发动机的控制电脑，电喷机的油压油温、冷却液温度、进气压力、曲轴转速、喷油器控制及安全保护等几乎所有参数均在ECM中设置，ECM通过J1939通讯接口向机旁箱HMC9000A模块提供监测数据等，CM2880必须通过专用软件来设置。HMC9000A模块是机旁控制箱的主要组成部件，负责机组启停、ECM参数的报警和显示、油水温度停机控制、转速显示；提供机组转速、增益和下垂度调节电阻接口，但不参与原动机本身的控制。双联油水分离器为一级粗滤器，安装于燃油泵入口，原动机机带二级精滤器。（2）机组控制主电路简图图1QSB5.990kW发电机组机旁控制箱主电路机组电气系统简图如图1所示，该图为机旁控制箱电路的一部分，包括电源、与ECM机身电脑的接口、与HMC9000A模块的接口，外接调节装置等。机旁控制箱内相对独立的显示和接口等与发电机本身无直接关联的部分电路限于篇幅这里不再显示。如图1所示，该机组外接两路DC24V电源，按船舶系统设计主电源接自机旁专用蓄电池组。备用电源来自船用DC24V充放电系统，长期由充电机浮充供电。ECMCM2880控制电脑通过插头与机旁控制箱连接，ECM+/ECM-提供电源，J1939通讯口用与ECM与机旁箱内HCM9000A模块的通讯。其它Droop，Gain，SpeedBias调整等均是外接电位器，用于微调机组的特性。（3）机组燃油系统图2机组燃油系统图如图2所示，04为船舶日用燃油舱，通过一级粗滤器03供油至机带燃油提升泵07入口，经二级精滤器02过滤后进入高压共轨喷油回路。燃油中较大的杂质经过两级滤器之后，基本上可以满足供油要求。但如果水份含量过大，一级滤器（油水分离器）过滤后，还有可能带水份进入喷油回路。2、故障的分析及排除针对现象描述，考虑到为同一批次新电喷机且只有一艘船出现问题，故先考虑故障是否由外部电磁干扰引起，再考虑油品油路质量问题引起的游车，新机器本身的原因极少放在最后检查。（1）频率不稳定，从电控方向考虑1）首先怀疑机组外接调节装置或线路受到干扰，本船两台机组设计为互为备用不并车，外接装置为3个4.7千欧微调电阻，分别用于Droop,Gain和SpeedBias调节。其中Droop用于调节并机发电机组空载到全载之间的转速下降值，本船不并机，冒烟出现在单机运行，频率上下波动，直接排除。Gain调整发动机的动态增益，装在机旁控制箱内，影响发动机的稳定性和突加突卸性能，机组除在冷启后前两三分钟内冒烟外一切正常，因此排除Gain设置问题。SpeedBias通过电压调整发动机转速,可接电阻也可接稳定的5V电压，2.5VDC时设定为调整0转，小于2.5VDC的偏移值为对应的转速减小，大于2.5VDC的偏移值为对应的转速增加。SpeedBias调节电阻装于主配电板内，离发电机组有20多米距离用带屏蔽电缆接线。考虑该调节电阻品质不高或者连接电缆外套接地不好，在线路上感应出了干拢电压导致频率波动。检查后重新采购一个高品质高精度的微调电阻用于更换，同时将原调节电阻连接电缆没有完整接地的屏蔽护套两端重新严格接地之后冷启动机组观察，仍有频率波动及冒烟现象。2）如图示本机组两路DC24V电源，根据规范要求一路来自机旁蓄电池，另一路来自船用充放电板，怀疑充放电板直流电源不纯净，杂波造成控制箱和ECM受干扰。于是采购一台知名品牌DC24V隔离电源，先后将DC24V船电和机组控制箱、机旁蓄电池电源和控制隔离后冷启机，问题仍未排除。3）机旁控制箱内控制模块干扰。经与集成商沟通后确认该控制箱模块HMC9000A的功能仅为显示功能和报警，不涉及发动机的控制，模块干扰可能很小。但考虑到该模块集成较多功能，元件复杂，是否会有干扰的可能，故还是从无异常的船上拆了一块控制模块试验，问题未排除。4）在调试时船上使用的是岸电，发电机组并没有合闸，船上有风机、烧焊等作业、发电机组旁边有部分电气控制箱通了电，怀疑船上作业设备的电磁信号干扰到了ECM。于是停掉船上其它作业，检查周围通电的控制箱并断电，冷启机试验，问题未排除。5）检查ECM模块，ECM模块是一个有较高IP防护等级的整体模块，无法拆解且仅有几个插口无法从外观上判断出好坏，另外ECM模块在机器上的安装也比较正规，各传感器的安装和接线也非常规范，因此从机器可以正常运行可判断出ECM本身故障可能性没有。6）联系康明斯售后，怀疑机器标定问题，遂派人使用专用软件对机器ECM进行刷机重新标定。售后工程师具体标定了什么内容，我们无从得知，但标定后确有一台机组在初期出现冒白烟减轻的现象，另一台没有变化。这次的减轻现象使得大家相信是标定的问题，于是不断改变参数重复标定，两台机组互相对比，但是故障一直都没有排除，在这里耗时较长。（2）从油品油路考虑冒烟问题1）油管路受到污染，有污染物或者水份进入燃油系统。拆开燃油管路检查，船厂油管路干净符合要求，油水分离器滤芯和机带精滤器干净无污染，初步排除油路问题。2）油品质量不高，油内含水量过大会造成白烟现象。于是采购了一些与船厂不同渠道的燃油，装于一个干净油桶放在机舱专门供油给机组，冷启动后还是会出现同样的故障，排除油品原因。（3）从机械方向考虑柴油机喷入气缸的雾化燃油未燃烧就被排出，就会出现冒白烟的现象，同时燃烧不充分也会使机组频率波动。造成这样情况的原因主要有以下几个，逐一检查排除。1）发动机温度过低，一般在环境温度比较低时冷启动机器，会出现一些冒白烟现象，但仅处于启动时冒白烟。但当时调试正值9月份左右，环境温度不低，而且是在冷启动后约1至2分钟才出现冒白烟现象，同时其它4台机组没有任何异常，因此温度过低问题不太可能。又检查了中冷器冷却后的进机空气温度，与其它正常机组对比，发现温度也是正常，排除温度过低问题。

2）油路有空气，油品不纯。此项已在3.2小节排除。（4）原动机故障在前面所有检查中大家均认为同一批次、新机出现这种奇怪现象是不可能的，大家也怀疑过是不是机器本身的问题，但因为新机不便于拆检。在上述所有项目都检查完后，在与康明斯深圳公司的一位同行交流时认为，既然外围所有因素已经排除到这一步，那基本可以确定就是机器本身的问题，不用怀疑。因此造成频率波动和冒白烟的原因无非就是喷油有问题或者冷却液泄漏。在与康明斯售后联系沟通后，该机型缸体、缸盖采用集成化设计，基本不可能有漏水现象的发生，除非内部产生了裂纹，但综合来看这也不可能。于是决定先检查机组的喷油嘴，拆下一台机组的喷油嘴后，发现有两个喷油嘴上有少许积碳，其它4个喷油嘴则比较干净。由于是新机，最后将整套喷油嘴全部换新，冷启机后发现不再出现冒白烟的频率不稳的现象。多次重复，机组运行正常。将另一机组拆开后，同样发现有部分喷油嘴有积碳的问题，换新后问题解决。（5）可能的原因

安装于这两台机组上的喷油嘴在品控上可能出现了不一致的问题或者出厂批次不一等原因，机器在冷启动后1至2分钟内气缸温度并没有达到正常值，喷油嘴出现积碳，积碳使喷油雾化不良而造成冒白烟现象，而部分气缸燃烧不完全则造成转速（频率）不稳定。之后随运行时间的增加，气缸内温度升高而积碳减少，喷油雾化正常后异常现象也随之消失。再次冷启，上述问题重复。四、结语船用