瓦錫蘭低速柴油機進油控制電控高壓共軌高壓泵

吳亞飛，李漢潤，袁 信，鄧健星，湯卓鑫

（玉柴船舶動力股份有限公司，珠海 519100）

1 引言

作為引進專利產品的生產企業，需要對專利產品中采用的先進技術和關鍵零部件結構原理及控制系統進行分析研究，提高對專利產品的認識和設計理念的理解，更好的生產出符合質量要求的產品，對提高售后服務技術水平具有必要和迫切的現實意義。瓦錫蘭低速柴油機進油控制電控高壓共軌高壓泵采用了目前行業最前沿的電控高壓共軌控制技術，因此對其零部件結構、工作原理、控制方式進行深入的學習和研究是很有必要的。

2 RT-flex和W-X柴油機高壓共軌燃油系統簡介

瓦錫蘭電控RT-flex和W-X柴油機高壓共軌燃油系統已有四代產品：第一代為液壓驅動、電子控制，即采用液壓驅動噴油泵帶電子執行調速器；第二代在第一代基礎上增加排氣閥電子控制；第三代發展為電控共軌系統。

先期的電控共軌產品采用WECS-9520控制系統，容積式噴油控制器（ICU），高壓泵采用齒輪齒條通過電子調速器控制，噴油器采用克服彈簧預緊力開啟的傳統噴油器，其產品配套瓦錫蘭RT-flex柴油機，圖1所示為瓦錫蘭高壓共軌燃油系統三代產品。

圖1 瓦錫蘭高壓共軌燃油系統三代產品

高壓共軌系統在現代船舶低速二沖程柴油機中處于技術領先水平。其在船舶柴油機上用電子控制取代常規的機械控制，用共軌系統取代傳統的燃油噴射系統和氣閥運行系統，改善了柴油機部分負荷性能，降低了燃油消耗，特別是NOx排放，簡化了機械機構，提高了柴油機的可靠性。

為了進一步提高電控高壓共軌燃油噴射系統控制的靈活性和控制精度，降低柴油機排放及燃油消耗，瓦錫蘭在其最新W-X機型上，采用了與其中速柴油機基本相同、在各高速柴油機上普遍使用的電控高壓共軌燃油噴射系統，為其電控低速二沖程船用柴油機燃油系統第四代產品。其控制系統由RT-flex機的WECS-9520改為UNIC，去掉容積式噴油控制器（ICU），采用電磁閥液力控制噴油器；去掉帶電子調速器的高壓油泵，采用無調節齒桿的進油節流控制高壓泵。圖2所示為W-X機型燃油部分控制原理簡圖。其高壓油泵帶有進油節流控制的油量計量單元，高壓共軌上帶有進油單向閥、出油限流閥、壓力泄放控制閥、壓力傳感器等零部件，噴油器為電磁閥液力控制。

圖2 W-X機型燃油部分控制原理簡圖

3 高壓共軌高壓泵結構原理

3.1 高壓共軌高壓泵供油量控制

前面已經提到，電控高壓共軌燃油噴射系統的高壓泵壓入共軌管的油量由控制器控制高壓泵上的油量控制裝置進行。油量控制裝置主要有控制燃油進入量的油量計量單元（FMU）和使多余的高壓油泄放的油壓控制閥（PCV），也有個別高壓泵采用變排量壓力控制閥，另個別高壓泵采用油量計量單元和油壓控制閥二者的組合。控制按實際需要和實測反饋的共軌壓力通過一定的邏輯關系計算，通過控制電磁閥脈沖電流大小來控制油量控制裝置的進或泄流量開度大小，從而控制進或泄流量大小。在瓦錫蘭新的W-X機型上，使用帶進油控制的油量計量單元通過控制燃油的進油量來控制高壓泵的供油量。

3.2 高壓共軌高壓泵結構原理

燃油由高壓泵供給共軌管，通過高壓油管到達電磁液力控制噴油器，噴油器的噴油由UNIC系統控制，共軌壓力由UNIC系統與共軌管上安裝的共軌壓力傳感器、高壓泵上進油控制油量計量單元相連接，經過相關的邏輯計算，通過控制高壓泵的進油量控制。

目前配套W-X35和W-X40兩種機型的電控高壓共軌噴油系統零部件組成完全一樣。高壓泵由德國Lˊorange公司生產，外觀圖見圖3。

圖3 高壓泵的外觀圖

高壓泵為四缸直列泵，主體由泵體和泵蓋組成，泵體分上、下兩個主腔室：下腔室裝有柱塞墊板、挺柱體部件（包括挺柱體、內滾輪、外滾輪、滾輪銷等）、凸輪軸﹑圓錐滾子軸承、中間軸承等零部件，底部用2個封蓋封住；上腔室裝有柱塞偶件、柱塞彈簧（每缸2個）、彈簧座等零部件。泵上、下兩個主腔室之間裝配有柱塞導套，并隔離密封上、下兩個主腔室。柱塞偶件頂部和泵蓋之間為出油閥。

高壓泵的供油過程如下：柴油機轉動帶動高壓泵凸輪軸轉動，其傳動比為539：39，凸輪每旋轉一圈柱塞上升和下降1次，柱塞彈簧力使柱塞與挺柱體部件、挺柱體部件與凸輪表面始終接觸，凸輪旋轉帶動柱塞上升和下降，當柱塞下降至頂面低于柱塞套上油孔時，燃油進入柱塞偶件腔中。當柱塞上升至頂面高于柱塞套上油孔時，柱塞偶件與出油閥之間形成燃油加壓腔，當壓力上升到一定值時，出油閥出油口打開，高壓燃油經出油口供給燃油軌。

高壓泵的潤滑采用柴油機軸承油強制進行，潤滑油由泵體下腔挺柱體上部位置進入，部分油通過挺柱體與泵體運動導向面與挺柱體側內部油孔進入滾輪內圈，泵體下腔中充滿油，潤滑圓錐滾子軸承和中間軸承及凸輪表面和滾輪外圈，多余的潤滑油通過柱塞導套經柱塞導套出油孔返回到柴油機軸承油箱。

與RT-flex機型用高壓泵比較，W-X機高壓泵柱塞偶件沒有油量控制棱邊，沒有油量控制齒桿，沒有控制高壓泵齒桿的執行器。高壓泵供給共軌管的供油量，通過UNIC控制系統控制高壓泵的進油計量單元完成。

3.3 高壓共軌高壓泵進油控制結構原理分析

采用進油控制的高壓泵，其進油都是用油量計量單元通過控制器控制的，瓦錫蘭W－X35和W－X40機上高壓泵所帶油量計量單元結構如圖4，其工作原理見圖5。

圖4 油量計量單元結構

圖5 油量計量單元工作原理

油量計量單元安裝在高壓泵的進油位置，用于調整燃油供給量以調整和穩定燃油軌中燃油壓力值，其調整受控制器控制。油量計量單元有常開和常閉兩種模式：對于常開模式，油量計量單元在控制線圈沒有通電時，其帶有控制縫隙的柱塞10處于上方位置，柱塞上的燃油流通截面對應于輸油泵來的進油口開度最大，可以向高壓泵柱塞腔提供最大流量的燃油。控制器通過脈沖信號控制油量計量單元內的線圈，通過鐵心桿克服彈簧11的彈力，使帶有控制縫隙的柱塞10的上下位置發生變化，從而改變高壓泵進油截面積來增大或減小油量；對于常閉模式，油量計量單元在控制線圈沒有通電時，進油截面積處于完全關閉位置。瓦錫蘭W-X35和40機上高壓泵所帶油量計量單元為常開模式。

4 高壓共軌燃油系統軌壓控制分析

4.1 柴油機對共軌壓力的要求

凸輪驅動非高壓共軌燃油噴射系統的共同特點，是噴油器的噴油規律是柴油機轉速、凸輪形狀、柱塞直徑、出油閥直徑、高壓油管長度和內徑及噴油嘴等一系列參數的函數，其噴油壓力不可能實現自由地控制。所以柴油機在低速時，由于轉速低，噴油泵的噴油壓力低，使噴油器在整個噴油期間壓力低、速度慢、噴油轉角大、霧化不良，導致柴油機在低速時燃燒不好，排放多、煙度大；蓄壓式，也就是機械共軌，其噴油器的噴油雖然也與燃油泵結構和轉速無關，但其噴油泵噴油需要的獨立驅動裝置一般還是凸輪，結果與以凸輪驅動噴油泵差不多，即使是高壓蓄壓，受機械材料工藝水平及控制的限制，其軌壓也只能是比噴油器啟開壓力稍高一些，不能太高，且壓力難于改變，整體柴油機性能變化不大；其他所有非共軌的電控燃油噴射系統，由于基本脫離不了凸輪驅動和壓力沒有獨立控制，也無法達到自由控制噴油壓力的目標。所以，只有電控高壓共軌燃油噴射系統除實現了自由調節噴油量、自由調節噴油率形狀和自由調節噴油時間外，還可實現自由調節噴油壓力。

柴油機對共軌壓力的要求可歸納為：能夠達到一定高的壓力，要求壓力不改變時穩定，要求壓力改變時反應迅速，變化期間壓力波動小、波動時間短，壓力隨柴油機工況的變化可任意變化、控制可靠等。

從柴油機排放的要求和電控高壓共軌燃油系統的發展來看，共軌壓力仍處于逐漸上升的趨勢，目前應用于產品的高壓泵軌壓有的已超過250 MPa。共軌壓力的提高，對整個燃油系高壓部分零部件的材料及熱處理、加工設備工藝及精度、裝配工藝及質量、試驗方法手段和測試儀器裝置、壓力的控制等方面帶來更高的要求和考驗。除需要應用先進的控制邏輯和算法外，還需要各傳感器、控制器和執行器及零部件具有高的精度、靈敏度和可靠性。

4.2 軌壓控制邏輯簡介

對進油節流控制的高壓泵而言，其軌壓控制按實際需要和實測反饋的共軌壓力通過一定的邏輯關系計算后，控制器輸出信號控制高壓泵的油量計量單元進行。

燃油的高壓噴射一方面可以改善柴油機的燃燒，提高柴油機的指示熱效率，降低排放。但另一方面，建立高的燃油噴射壓力，也要消耗柴油機的輸出功率，因此柴油機最佳噴油壓力的設立，要兼顧柴油機的動力性、經濟性和排放特性，根據其不同工況點的特性進行優化確定。最佳噴油壓力應是柴油機轉速和負荷的二元函數，按不同的排放要求所需控制的精度不同，還需進行燃油溫度、進氣壓力、進氣溫度和冷卻水溫度等補償，各產品機型柴油機不同工況下的目標噴油壓力是通過柴油機在試驗臺架上進行性能試驗、型式試驗和與其配套產品的可靠性、耐久試驗中，通過大量的匹配標定試驗確定的。

噴油壓力由控制器控制。控制器要進行兩級計算：第一級是由各種傳感器信號確定目標噴射壓力；第二級是為實現目標噴射壓力計算控制閥的脈沖寬度或脈沖電流大小，目標噴射壓力由基本的目標噴油壓力來確定，基本的目標噴油壓力由柴油機轉速和負荷確定，再進行燃油溫度、冷卻水溫、進氣壓力、進氣溫度等的補償。根據目標噴射壓力和共軌壓力傳感器所測得的共軌內實際噴油壓力的差值，應用PID或模糊PID的校正再加上基本的控制閥脈沖寬度或脈沖電流大小，得到最后的控制閥脈沖寬度或脈沖電流大小，最后經過控制控制閥脈沖寬度或脈沖電流大小，油量計量單元按此開度控制進入高壓泵的燃油量，起到控制軌壓的目的。

除正常工況外，柴油機在起動、怠速等各不同特殊工況有不同的特殊控制邏輯，以滿足柴油機使用要求。

在此需要特別強調的是， RT-flex機和W-X機應用的伺服油軌壓力的控制方法與燃油軌高壓壓力控制方法完全不同。伺服油與高壓燃油相比壓力不需要經常變化，壓力相對較低，所用控制方法為在伺服油泵內設一壓力控制比例閥，由控制器設定目標壓力值，伺服油泵通過比例閥作用內部自動調整到油軌的供油量，達到目標壓力值。伺服油軌上所裝壓力傳感器為監測伺服油軌壓力用，與伺服油軌壓力控制無關。

4.3 瓦錫蘭W-X35機目標噴油壓力

根據瓦錫蘭W-X35調試規范，其目標噴油壓力（目標軌壓）為柴油機負荷百分數的函數，即為柴油機轉速和負荷的函數。對W－X35和W－X40機，目前的排放要求為滿足IMO TierⅡ標準，軌壓沒有進行其它影響因素的補償。

5 結論

縱觀柴油機燃油系統的發展歷史．由機械式發展到電控式，現在公認為唯一能夠滿足現代柴油機對燃油系統理想要求的是電控共軌式燃油系統產品。通過此次瓦錫蘭低速柴油機用進油控制電控高壓共軌高壓泵的研究，對電控共軌式燃油系統中重要零部件高壓燃油泵結構和燃油系控制原理有了深刻的了解，同時對今后研究電控共軌燃油系零部件的國產化、售后服務維修具有較大現實意義。隨著IMO Tier III將在2016年之后對新建的船舶生效，未來船舶柴油機智能化程度將會越來越高，電控共軌式燃油柴油機將完全取代傳統機械的船用柴油機，瓦錫蘭電控共軌燃油系統將會廣泛應用于船舶大型低速柴油機。

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