第一节船用电控共轨型柴油机的最新技术特点和管理
船用电控共轨型柴油机的最新技术特点和管理
随着科学电子技术迅猛发展，微型计算机已越来越广泛地应用在船舶动力控制和监测中。为了提高燃油经济性、降低排放要求、提高可靠性和操作的灵活性，实现适时调节，电控共轨柴油机已成为发展的必然趋势。经过各大厂商的不懈努力，全电控型的柴油机终于在2003年研制成功并得到实船验证，这标志着柴油机的发展经历了又一次质的飞跃。
传统柴油机和电控型柴油机的区别
传统的柴油机是由调速器控制其喷油量，由凸轮控制其喷油定时、进排气等过程，能使柴油机在额定工况下实现性能的优化。但是当柴油机的工况、海况、外界环境、燃油品质发生变化，凸轮轴磨损或者机械间隙改变导致喷油正时、喷油速率、配气正时、气阀时面值等参数偏离其设计的最佳值时，均会影响柴油机经济性能。
船用柴油机工作过程的燃烧效率，燃油消耗以及废气排放污染,一直是人们关注的问题。根据国际海事组织《MARPOL7３／７8公约》的规定对船舶柴油机NO x的排放进行了严格的限制。而控制其最有效的手段是降低最高燃烧温度及控制燃气在高温下停留的时间。
电控型柴油机也称为智能型柴油机,即将电子设备及软件应用于船用柴油机并成为其重要部分的新型柴油机。根据柴油机燃烧理论，主要是应用了电控技术,通过控制燃油喷射正时、喷油量、喷射速率、压力以及进、排气阀正时，能够有效地实现柴油机在各种负荷下的性能最优化，从而达到在满足最新排放要求下，提高其经济性、可靠性、操纵灵活性和延长使用寿命。
电控共轨型柴油机
瓦锡兰船用共轨(RT-flex)系列柴油机WECS控制系统
瓦锡兰公司在船用共轨(RＴ-flｅx)系列柴油机上使用的控制系统定名为ＷＥCS,英文全。该系统采用了成熟的微机控制技术和网络通信、现场总线技术,实现对柴油机的控制和检测。
与传统的柴油机电子控制系统不同的是,WＥCS控制系统是直接
安装在柴油机上的,工作环境恶劣，对系统的防水、抗震、耐高温、防腐蚀和防霉菌等诸方面的要求很高,同时还要便于维护管理，最大限度地减少故障停机时间。因此,系统在开始设计时，首要的问题是在实现控制要求的前提下,保证系统的可靠性和可维护性。为此,瓦锡兰公司选择了著名的船舶电子控制系统生产商——伦索公司作为合
作伙伴，开发出WＥＣS－95０0控制系统。几年来的实船应用表明,W ＥＣS-9５00系统在可靠性和控制功能方面，基本满足了设计要求。
WＥCＳ-95０0控制系统由公用电子部件CＯM-EU和气缸电子部件CYL-ＥＵ两部分组成。公用电子部件ＣOＭ-EU是每台柴油机一套，侧重于对整台柴油机的管理和控制，以及和外部系统的数据交换；气缸电子部件则是每个气缸对应一套,侧重于对相应气缸的管理和控制。这种两级式结构的特点是：概念清晰,层次分明，便于系统软件编程和调试，便于故障查找和经验的积累。但在系统软、硬件优化方面,还有较大的进一步完善空间。
在积累了一定经验的基础上,最近,瓦锡兰公司推出了WECS-9５20控制系统,现已应用于Ｗ ARＴSIＬA RT-fleｘ 50型柴油机，其主要功能包括:燃油共轨压力控制,伺服油压力控制,燃油喷射控制,
排气阀控制，启动阀控制,曲轴角度传感器监控。ＷＥCS-９52０控制系统的组成：主要由外部通信控制箱E９0、单缸控制箱E95、电源控制箱E８5组成。
每个E95控制箱内均安装有一个FCM-2０模块，以执行以上功能。为了保证可靠性,每个功能的执行均由两组模块同时控制,这两组模
块互为备用,当一组FCM-20模块出现故障时，另一组ＦCM-20模块仍可以保证ＷEＣＳ－95２0控制系统正常工作,但出现故障的模块所对应的气缸将不能正常工作。当不正常情况出现时,例如燃油共轨压力不正常、伺服油压力不正常等,可以通过对应的FCM-20模块上发光二极管的指示进行判定。
E90控制箱主要执行外部通信的功能，包括与主机遥控系统、机舱监控系统等的对接。同时,E90控制箱内也有一块FCＭ-20模块,这只模块是备用模块,可以对系统的参数进行同步下载、保存,在其他ＦＣM-20模块出现故障时，可以立即用这只模块进行替换。这只FCM
－2０模块拆除后对WECＳ-９52０控制系统不产生任何影响。在新的FCM-20模块备件供船后,需要将其安装到E90箱内，进行数据同步下载。若将新的模块备件直接安装到E９５控制箱,则不能正常工作。?在Ｅ８5电源控制箱内，从安全方面考虑,电源也是两套配置。
在日常的管理中，由于E90、E95控制箱都是安装在主机旁,主机运行时的震动和高温对这些控制箱会产生很大的影响，因此定期检查、紧固各个控制箱内的接线是十分必要的。另外，对于ＦCM－20
模块故障的确定,则是WECＳ－９520控制系统管理方面比较困难的
事情,因为主机运行时若出现单缸工作不正常现象,其牵涉到的因素
太多,除了常规的机械方面的原因，还有ICU（Injection Ｃｏｎtro ｌ Unit）、VＣU(Exｈaust Vaｌve Coｎtrol Uniｔ）、共轨压力传感器等等多方面的原因。
FCＭ-20模块的控制和检测功能分为两部分:第一部分是实现Ｗ
ＥＣＳ-９５00系统中的公用电子部件COM-ＥU的所有功能，并加以完善。如：（1)燃油轨、伺服油轨的压力调节和检测;液压油泵的控制。(2）储存和处理各种数据，例如:与IＭＯ相关规则有关的参数设置、与柴油机运行管理相关的参数设定等。(3)WECS系统内部自检，
例如:电源的状况、软件、硬件的自诊断。(４)计算和处理公共控制变量，如：可调喷油定时、可调排气阀开启和关闭定时、主机状态等。(5）与外部系统的数据通信。(６)故障指示。
第二部分是实现WECS-９5０0系统中的气缸电子部件ＣYL-ＥU的所有功能,并加以完善。如:(1)根据各种相关的数据、参数和指令,
实现对起动阀、喷油阀和排气阀的控制。(2）各相关电磁阀的定时控制和曲柄角保持同步。每个FCM－20模块通过系统总线获取曲柄角的角度信号,并计算出所控气缸的速度、角度等数据。
ＷEＣS-9520系统具有自动软件下载功能。如果某缸对应的
FCM-20模块出现故障，可以直接更换备用的FCＭ-２０模块，而不必事先向备用的ＦCM-20模块装载各种数据。当备用的FＣM-20模块安装到WEＣS-９５2０系统中后,系统会自动检测出这个新模块,并从其他FCM－２0模块通过系统总线,为新模块提供所有必需的运行数据。尽管如此，考虑到这个过程仍然需要一定的时间,瓦锡兰公司在WEC Ｓ-9520系统中又增加了一个功能——在线备件。
所谓的在线备件,就是在接口箱E90中安装一个ＦＣM-20模块，作为备用模块，接在系统总线上，其软件及参数和运行的FCM－20模块一样变化着,并保持同步,但不产生任何实际的控制作用。当某缸对应的FＣＭ-２0模块需要更换时,就可以把它插到相应的位置,做到
即插即用。
燃油共轨压力控制:RT-ｆlex 50型柴油机有两台燃油泵，由齿轮传动,凸轮轴驱动，油量调节由齿条控制，每台燃油泵各自有自己的执行机构。
燃油共轨压力由柴油机负荷决定：ＷEＣS-９５20根据主机转速和燃油指令产生一个控制信号,由FCM-２０模块控制燃油泵的执行机构，拉动燃油泵的齿条,向燃油共轨供应相应量的燃油，同时，两只压力传感器将燃油共轨的压力分别反馈给各自对应的ＦCM－2０模块，使燃油共轨压力与柴油机负荷相匹配。在柴油机全速运行时，燃油共轨压力可达800—900ｂar。
若一台燃油泵的执行机构出现故障,它将会停在原处或者慢慢回到零位，另外一台燃油泵仍然正常工作。若燃油泵出现机械故障,可以使用专用工具把这台燃油泵的滚轮抬起,使它停止工作，同时柴油机需要适当降速，以不出现燃油共轨压力异常报警为宜。因为一台燃油泵的供油量不能满足柴油机保持常用转速需要的油量,这时燃油共轨压力会出现很大的波动(接近100bar）,致使燃油共轨压力异常报警而导致柴油机Sｌow down。
总之，WＥCＳ－9520系统相对于WECS-95０0系统,数据通信线路得以简化，采用单一标准模块FCM-20取代原有的COM－EU和CYL－E Ｕ,系统在硬件和软件上都进行了更好的优化设计,系统的可维护性提高，故障停车时间大大缩短。
喷油单元的工作原理
喷油单元的结构框图如图1所示。每个气缸有3个喷油头，相应地有3个喷油阀分别进行控制。每个喷油阀则是由一个双控电磁阀控制。柔性控制模块FCＭ-2０输出电信号控制电磁阀，而电磁阀通过控制液压油的通断实现对喷油阀的控制，最终实现对喷油量的控制。通常情况下,同时控制三个油头喷油，并且通过油量活塞检测每个冲程的喷油量的多少。但在低负荷等特殊情况下，也可以通过控制双控电磁阀让１个或2个油头投入工作。
ＦCＭ2０控制的电磁阀称为油轨阀。它的特点是动作速度极快(＜2mｓ),线圈通电时，电流很大。受电磁阀热负荷的限制，线圈通电时间不能超过４ms。因此,相应的控制信号应是小于4mｓ的脉冲信号。FCＭ-２０模块还要随时监测和限制线圈实际的通电时间。双控电磁阀不具备自复位功能,两个线圈分别控制阀的导通和关断。系统
中更换的新阀,其通断位置是随机的。出于安全的考虑,停车状态下，FCM-20模块定时地向所有电磁阀发出关断脉冲信号。
高压共轨系统存在的一个问题是:某一气缸的喷油,会造成燃油
轨油压的波动，当这个压力波在油轨中传播时,会影响其他气缸的喷油压力和喷油量，且这种影响是相互的,在某些情况下，这种影响是很大的。为此,RT-flｅx柴油机喷油单元增加了油量活塞装置，一方面预先储存待喷油，喷油时，只是从油轨中获得少量油以维持活塞两侧的压力平衡，平缓了压力波；另一方面，作为喷油量检测装置,控制系统由此获得喷油量信号。
目前两种主流智能型船用柴油机的比较
W?rtsil?公司Suｌｚeｒ RT-flex系列柴油机采用的共轨系统和MAN-Ｂ&W公司的ＭE／ME-C系列柴油机采用的电控燃油喷射系统,具有一定的差别：
(1)油轨方面。Ｓuｌzer RT－flex机型的公共油轨有两个,一是20 ＭPa的滑油，它的作用是因为电子控制系统中所输出的能量有限而作为驱动排气阀、气缸起动阀和喷射控制装置;二是100 MPa的重油，它作为柴油机的燃料油,在油轨中等待喷射。而MAＮ－Ｂ&W M Ｅ机型的公共油轨仅一个20 MPa滑油，它作为动力油使用。轨压上的差别很大程度上取决于油轨的密封技术，因此对油轨的管理就要区别对待。
(2)原始动力方面。RT-flex机型采用曲轴带动的复合凸轮来带动柱塞式油泵保持油轨中100 MPa的燃油油压,从而以预定的高喷射压力把足够量的燃油输送到气缸盖水平位置的高压燃油集管(共轨)。同样由曲轴通过传动齿轮带动的一个油泵来保持伺服滑油20 MPａ的油压;ME机型用的是轴带轴向液压泵给油轨输入滑油(柴油机起动前是用电动泵输入滑油）,柴油机经主滑油滤器后分为两路：一路去正常的各轴承的润滑和活塞冷却;而另一路经细滤器后去柴油机自带增压泵(双头活塞泵）增压。增压后滑油达到高压(20 MPa左右)排至各缸高压油泵的两只大储存器里，高压滑油系统一般保持恒压，波动较小。各缸高压油泵的燃油喷射，是由电控阀NC快速控制高压滑油（动力油）的进、出,以驱动活塞快速上、下运动,带动高压油泵柱塞产生高压（7５～１20 ＭＰａ)燃油,经油嘴喷射雾化；电控电磁阀NC是由微处理器控制程序系统ECＳP，根据柴油机状况分析系统EＣA和控制操作系统ＯMCP的综合信息发出指令而动作，因而其柴油共轨是驱动各缸高压油泵的动力滑油来完成。
（3)高压油泵方面。ＲT－ｆlex机型的高压油泵是柱塞式增压泵,与原来相比，变化不大。而ME机型采用的是液压驱动高压油泵。前者是凸轮的传动使燃油泵柱塞上下运动,后者是用高压滑油作为高压燃油的驱动动力。
(4）喷油控制方面。RT－flex机型在控制喷油时,是由控制系统发出信号给电磁阀，电磁阀的动作使伺服器的油路变化,从而改变燃
油的油路，完成喷射过程;ME机型在控制喷油时,同样是控制系统发出信号给电磁阀,电磁阀改变伺服油后，再给伺服油驱动油泵使燃油增压，完成喷射过程。前者控制的是伺服油，后者控制的是动力油。
(5)燃油的来源方面。RＴ-flex机型燃油来自100 MPa的油轨中；ＭE机型的燃油是由给油泵共给的大约1 ＭPa的燃油。
电控共轨柴油机的优点
(1）燃油系统能够同时满足排放和经济性的要求。机械式喷射系统，在燃烧的前期燃油燃烧的速度快、放热率大、导致燃气温度高，从而使燃气中的NOx量相对增加。如果采取减小喷油提前角来降低NO x，由于结构的限制，则整个燃烧过程较长，后燃严重，从而导致柴油机的经济性降低。而共轨系统在适当减小喷油提前角来降低燃烧温度的同时,也增大喷油速率来缩短整个燃烧过程。共轨型柴油机一般提供两种操作模式:燃油经济性模式和低NＯx模式。在一般航区航行,使用燃油经济性模式同时遵守国际海事组织(IMO)提出的NOx排
放标准；在特殊航区航行，选择ＮＯｘ模式,柴油机的排放将会符合特殊航区的NOx排放标准。此外,电控共轨燃油系统能够控制喷油时间和喷油速率来控制燃烧过程，从而达到控制排气中NＯｘ量和提高经济性的目的。
(2)采用电磁阀控制喷油,控制精度较高,高压油路中不会出现气泡和残余压力为０的现象,循环喷油量变动小，各缸燃烧压力、排烟
温度等热力参数相当均衡;机械负荷和热负荷低;柴油机内部机械作用力、扭矩和振动较小。
(３）由于各个负荷状态下燃油均能很好雾化，缸内结碳明显减少，可以延长检修周期,降低船舶备件费用。
(4)部分负荷时运行性好,最低稳定转速低。柴油机在低负荷运转时，能保持相当高的喷射压力,同时精确控制喷油量。
(5)取消了凸轮等大部件，减轻了主机的重量和体积，从而增加了柴油机的可靠性，降低制造成本,加大大修间隔,降低维修成本,并可延长寿命。
电控共轨柴油机的不足与改进措施
电控共轨柴油机和传统的柴油机相比具有很多优点,但还存在一些不足的地方,也是未来共轨柴油机所需要解决的问题。
(1）由于给公共油轨输油的是轴带泵，刚开始启动时柴油机转速较低,影响到轨压，使其压力有些波动,必然会影响到共轨系统的工作状况。已经提出油轨的给油泵由电动机提供动力，那么给油泵的转速不再受主机的影响,这样更加容易控制。
(2)对共轨系统伺服油清洁程度要求较高。如果把共轨系统的伺服油设计成一个独立的系统,增加一套滑油的冷却、净化等机械，将会使共轨系统的管理更加方便。
（3)电控共轨柴油机仅把排气阀作了优化控制，对于进气、扫气未进行优化，所以整个换气过程还未达到最优化。这一缺点的改进必将更有利于柴油机性能的提高。
(４）系统中较多使用电磁阀且激磁频繁,不少电子元器件长期在高温、振动等环境中工作,损坏概率高，从而导致意外事故增多。为了更好监测柴油机的工况，必须加大对新型传感器和电磁阀的研发。
（5)采用先进的控制模式与提高控制软件的功能。建立完备的诊断与报警系统。
(6)大量采用电脑技术,对船舶管理人员提出了更高的要求。加强对管理人员的培训。
共轨柴油机运行管理要点
对共轨柴油机的管理注重技术上＿的管理，特别是在电子控制系统方面,对船上轮机管理人员的技术水平提出了更高的要求。概括如下：
(1)保证滑油系统的清洁。由于有一部分滑油是用于控制系统的,对其清洁度有很高的要求。应该特别注意各个滤器的状态,并按要求清洗。
(２)确保共轨油压管路的密封。共轨油压系统的压力较高,在运行过程中一定要观察它的密封性是否良好。特别是进入喷油器的那段管路，既要保证它的密封性,同时又要保证它的膨胀不是太大，以免对喷射雾化产生不良影响。
(3）电磁阀。在共轨油压系统的控制单元中,电磁阀是一个很重要也是很容易损坏的元件。必须保证滑油的清洁度,否则会造成电磁阀的动作延迟或卡死,或电磁阀磨损加剧，从而产生密封不好等一系列问题。另外,过电流还会造成电磁阀的烧毁。因此,日常管理中，要特别注意对电磁阀的维护保养。
(4）传感器。传感器是控制系统获取柴油机上工作状况的主要途径。传感器损坏将会造成控制系统误动作，必须保证各个传感器的清洁和保养,尤其是在恶劣状况下工作的传感器，应予以特别关注。
(5)ＮOｘ排放量控制。电控共轨柴油机在满足ＮＯx的排放标准的情况下，必须充分提高其运行经济性。所以这就要求轮机管理人员把握一个度。
从柴油机技术发展的历程来看,其经历了高压油泵的应用、涡轮增压技术和电子控制技术三次飞跃，其中以电子控制技术的发展影响最大。随着柴油机应用电子技术的不断发展，燃油共轨喷射系统将会广泛应用于船舶大型低速柴油机，使排放量符合公约的要求,且进一步改善船舶柴油机的经济性和可靠性。未来的船舶推进动力装置，智能化程度将会越来越高,以减轻轮机管理人员的劳动强度和减少船上人员配备。所以,电控型柴油机极有可能完全取代传统的船用柴油机。