試論船用共軌柴油機(jī)控制方法

強(qiáng)曉春

（中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214400）

傳統(tǒng)的船用共軌柴油機(jī)的功能較為落后，其性能逐漸無(wú)法與時(shí)代發(fā)展相匹配，自動(dòng)化和智能化技術(shù)的出現(xiàn)，為船用共軌柴油機(jī)的發(fā)展提供了可行的路徑，基于此，現(xiàn)代船用共軌柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化的轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)和控制方法已經(jīng)無(wú)法適用于現(xiàn)代的船用共軌柴油機(jī)，因此，對(duì)船用共軌柴油機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，強(qiáng)化控制效果，具有十分重要的意義。

1 船用共軌柴油機(jī)的發(fā)展及控制系統(tǒng)優(yōu)化的必要性

傳統(tǒng)的船用共軌柴油機(jī)主要為低速二沖程柴油機(jī)，例如，RTA、MC 系列的柴油機(jī)，其控制系統(tǒng)為機(jī)械凸輪系統(tǒng)，會(huì)實(shí)現(xiàn)以下方面的功能：一是啟動(dòng)空氣定時(shí)；二是噴油定時(shí)；三是排氣閥啟動(dòng)關(guān)閉定時(shí)，如果僅實(shí)現(xiàn)上述幾方面功能，那么使用機(jī)械凸輪系統(tǒng)即可。該系統(tǒng)的控制能力十分優(yōu)越，其穩(wěn)定性也非常具有保障。

但伴隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，船舶發(fā)展速度日益提升，傳統(tǒng)的柴油機(jī)功能已經(jīng)無(wú)法與船舶發(fā)展速度相匹配，對(duì)共軌柴油機(jī)功能實(shí)現(xiàn)提出了更高的要求，柴油機(jī)控制系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)常規(guī)功能，還要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能、均勻分配各缸負(fù)荷功能、避免熱負(fù)荷過(guò)高、故障預(yù)測(cè)預(yù)警及防范等功能。此外，還要對(duì)污染排放進(jìn)行有效的控制，并提高排放的可控性、靈活性和改進(jìn)可能性，以此確保柴油機(jī)排放與要求相契合?？梢哉f(shuō)，在船舶發(fā)展的大背景下，傳統(tǒng)船用共軌柴油機(jī)的控制系統(tǒng)和

控制方法已經(jīng)不再適用，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和改造，促使其控制效果得到穩(wěn)步提升，充分發(fā)揮出柴油機(jī)的性能，只有這樣，才能在確保柴油機(jī)運(yùn)行效果的基礎(chǔ)上，節(jié)省資源，并降低污染排放量。

雖然船舶為了實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，促使系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化發(fā)展，采用一定的方法，如電子調(diào)速器的應(yīng)用，但是事實(shí)結(jié)果表明，在船舶中應(yīng)用電子調(diào)速器的效果極為有限，究其原因，主要是在傳統(tǒng)凸輪控制的共軌柴油機(jī)中，調(diào)速器無(wú)法對(duì)噴油量進(jìn)行直接的控制，而控制噴油量的方法為拉動(dòng)高壓油泵的齒條，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油量的間接控制，要想在這種控制系統(tǒng)中保證電氣調(diào)速器的應(yīng)用效果，就要對(duì)電子調(diào)控器的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，只要將電氣進(jìn)行轉(zhuǎn)換作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，然后，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)拉動(dòng)齒條，才能對(duì)柴油機(jī)噴油量進(jìn)行控制，但這種方式與傳統(tǒng)的機(jī)械-液壓站式調(diào)速器相比，不僅控制效果沒(méi)有得到優(yōu)化，且需要耗費(fèi)大量的成本，由此可以看出，傳統(tǒng)船用共軌柴油機(jī)的控制系統(tǒng)，已經(jīng)無(wú)法與船舶和柴油機(jī)的發(fā)展相匹配，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，以充分發(fā)揮系統(tǒng)控制的作用。

2 WECS 控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的對(duì)比

目前，瓦錫蘭公司所采用的柴油機(jī)控制系統(tǒng)為WECS，該系統(tǒng)與柴油機(jī)控制系統(tǒng)相比，應(yīng)用了大量的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，大大提升了對(duì)柴油機(jī)的控制效果。

該系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在著明顯的不同，該系統(tǒng)可以被直接安裝于柴油機(jī)之中，需要面對(duì)較為惡劣的工作環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)防水、防高溫和抗腐蝕等性能提出了更高的要求。同時(shí)，該系統(tǒng)還對(duì)維護(hù)管理提出了要求，必須要確保維修和管理的便捷性，以此縮減停機(jī)的時(shí)間?；诖耍撓到y(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要在考慮系統(tǒng)控制功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性進(jìn)行保證。瓦錫蘭公司為解決這一問(wèn)題，與世界著名的電子控制系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)倫索公司進(jìn)行合作，并在WECS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研發(fā)出了該系統(tǒng)的升級(jí)版本W(wǎng)ECS-9500，實(shí)踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)的控制效果和穩(wěn)定性與設(shè)計(jì)要求基本吻合。該系統(tǒng)由以下部分組成：一是電子部件COMEU；二是氣缸電子部件CYL-EU。其中電子部件COM-EU 屬于公用的電子部件，柴油機(jī)都會(huì)配備一套，其控制功能實(shí)現(xiàn)的側(cè)重點(diǎn)為對(duì)整臺(tái)柴油機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)完成與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換工作。而氣缸電子部件為每個(gè)氣缸配置一套，能夠?qū)飧走M(jìn)行管理和控制。這種層次結(jié)構(gòu)分明的控制系統(tǒng)，具有十分清晰的概念，便于系統(tǒng)的維護(hù)和調(diào)試，便于故障定位和經(jīng)驗(yàn)積累。但依然存在一些不足，需要對(duì)其進(jìn)一步的優(yōu)化和完善。

在總結(jié)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)之后，瓦錫蘭公司隨即研發(fā)出了柴油機(jī)控制系統(tǒng)WECS-9520，該系統(tǒng)與9500 系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)組成發(fā)生了變化，單一類(lèi)型的電子模塊成為了其主要組成部分，柴油機(jī)的每一個(gè)氣缸都配備一個(gè)FCM-20 電子模塊，該模塊安裝的位置是E95.x 控制箱中，簡(jiǎn)而言之，就是電子模塊和控制箱是一體的。

FCM-20 模塊具有控制和檢測(cè)功能，在繼承了9500 控制系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，對(duì)其控制功能進(jìn)行了優(yōu)化和完善。具體表現(xiàn)在以下方面：第一，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油軌、伺服油軌的壓力調(diào)節(jié)和檢測(cè)功能；第二，對(duì)液壓油泵進(jìn)行控制；第三，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和處理功能。例如，與IMO 存在聯(lián)系的參數(shù)、與柴油機(jī)控制有關(guān)的參數(shù)設(shè)定。第四，內(nèi)部自檢功能，例如，電源情況、軟件和硬件的檢測(cè)。第五，控制變量計(jì)算和處理。例如：噴油定時(shí)、氣閥開(kāi)啟關(guān)閉定時(shí)的調(diào)節(jié)。第六，系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信；第七故障顯示。

除了上述功能實(shí)現(xiàn)以外，9520 控制系統(tǒng)的還能實(shí)現(xiàn)并優(yōu)化9500 控制系統(tǒng)中，氣缸電子部件的全部功能。具體表現(xiàn)為以下方面：第一，將有關(guān)數(shù)據(jù)、參數(shù)和指令作為依據(jù)，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行充分的控制；第二，保證電磁閥定時(shí)控制與曲柄角保持相同的狀態(tài)，每個(gè)電子模塊都會(huì)利用系統(tǒng)總線，對(duì)曲柄角的角度信號(hào)進(jìn)行采集，并以此為依據(jù)，計(jì)算柴油機(jī)各氣缸的速度及其他數(shù)據(jù)。

此外，WECS-9520 系統(tǒng)的功能還體現(xiàn)在軟件下載方面，在氣缸電子控制模塊出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)更換預(yù)先下載好的備用電子模塊，以此節(jié)省故障檢測(cè)和修復(fù)時(shí)間，電子模塊更換完成后，系統(tǒng)會(huì)為模塊提供運(yùn)行數(shù)據(jù)。

總而言之，瓦錫蘭公司研發(fā)的船用共享柴油機(jī)控制系統(tǒng)WECS-9520 與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，其控制性能極為優(yōu)越，不僅簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)通信的線路，并對(duì)傳統(tǒng)電子模塊進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大提升了系統(tǒng)維護(hù)的便捷性，減少了停機(jī)維修故障的時(shí)間。

3 噴油單元的控制原理

噴油單元是船用共軌柴油機(jī)的重要組成部分之一，其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，每個(gè)氣缸都會(huì)存有3 個(gè)噴油頭，并且每個(gè)噴油頭由對(duì)應(yīng)的氣閥進(jìn)行控制，而每個(gè)氣閥則由電磁閥進(jìn)行控制，究其原因，主要是9520 系統(tǒng)中的控制模塊，會(huì)利用電信號(hào)對(duì)電磁閥進(jìn)行控制，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油單元噴油量的有效控制。一般情況下，F(xiàn)CM-20 柔性控制模塊，可以對(duì)三個(gè)油頭的噴油量進(jìn)行控制，并且還可以利用活塞檢測(cè)的方式，對(duì)沖程噴油量進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算，如果負(fù)荷較低，也可以適當(dāng)減少工作油頭的數(shù)量。

由柔性控制模塊控制的電磁閥，也可以被稱(chēng)之為油軌閥，動(dòng)作速度快是其最大的特點(diǎn)，在通電后，線圈的中的電流會(huì)立即增大，由于電磁閥存在一定的熱負(fù)荷，線圈通電的時(shí)間不宜超過(guò)4 毫秒，因此，控制系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)最好為小于4毫秒的脈沖信號(hào)。并且，控制平臺(tái)還要對(duì)線圈的通電時(shí)間進(jìn)行限制，究其原因，主要是雙控電磁閥尚不具備自主復(fù)位功能，導(dǎo)通和關(guān)閉閥是電磁閥線圈的主要功能，在系統(tǒng)更新的情況下，其通斷位置是不確定的，為確保安全，在停機(jī)的情況下，控制模塊會(huì)向全部的電磁閥發(fā)出關(guān)閉信號(hào)的命令。

傳統(tǒng)的船用共軌柴油機(jī)控制系統(tǒng)存在一個(gè)固有的弊端，具體表現(xiàn)為：一個(gè)氣缸在噴油過(guò)程中，很容易導(dǎo)致燃油軌的油壓出現(xiàn)波動(dòng)，在壓力波傳動(dòng)的過(guò)程中，則會(huì)對(duì)其他氣缸的噴油壓力和噴油量產(chǎn)生影響，并且這種影響具有相互性的特點(diǎn)，如果壓力過(guò)大，甚至?xí)斐蓢?yán)重的后果。因此，將油量活塞裝置應(yīng)用于船用共軌柴油機(jī)之中，則可以有效地解決這一問(wèn)題。一方面，油量活塞裝置可以將噴油進(jìn)行存儲(chǔ)，噴油時(shí)只能調(diào)動(dòng)少部分的油，有利于確保油壓始終保持在平衡的狀態(tài)；另一方面，油量活塞裝置可以為控制系統(tǒng)提供噴油量的數(shù)據(jù)和信號(hào)，系統(tǒng)可以根據(jù)反饋信號(hào)，做出相應(yīng)的調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，與傳統(tǒng)的柴油機(jī)控制系統(tǒng)相比，電控柴油機(jī)控制系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，電控柴油機(jī)系統(tǒng)也是船用共軌柴油機(jī)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，其優(yōu)越的性能，會(huì)被船舶行業(yè)所重視，電控系統(tǒng)也會(huì)逐漸取代傳統(tǒng)的柴油機(jī)成為主流機(jī)型。柴油機(jī)的發(fā)展關(guān)鍵點(diǎn)在于硬件和軟件方面的優(yōu)化程度，目前，WECS 控制系統(tǒng)是主要的柴油控制系統(tǒng)，實(shí)踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)的控制效果十分顯著，應(yīng)用價(jià)值非常高。