SEAWAY技术：柴油机电子控制技术

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电子控制柴油机的原理和特点

电子控柴油机又称智能柴油机或电喷柴油机。智能柴油机取消了传统柴油机的凸轮轴以及相关的机械控制零部件，将燃油喷射、气阀启闭以及柴油机的起动、换向、停车和气缸润滑等功能全部由电子控制实现。它可以通过对相关参数的设定和修改，调整主机的运行状态和工作参数，达到使柴油机保持在最佳状况下工作的目的。此外，还可对柴油机的运行情况及零部件的状况进行实时监测，并与船上的控制系统、报警系统连接，对柴油机进行全方位的控制。目前智能柴油机已在新装机船舶中得到广泛运用，并逐步成为船舶柴油机的主流机型。

1．智能柴油机的特点

船用智能柴油机是在2000年后才正式装船使用的，与传统机械控制式柴油机相比，其

主要特点如下：有很强的运转适应性、足够的可靠性、具有各种不同的操作模式、完善的状态监测和控制系统。

（1） 很强的运转适应性主要表现在燃油喷射系统上，其主要包括

① 能够自由地选择喷射压力。根据不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化

柴油机综合性能，降低了柴油机在部分负荷时的油耗。

② 精确地控制燃油喷油量。柴油机由电磁阀控制喷油，其控制精度高，高压油管压力稳定，在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油均匀，柴油机工作稳定。

③ 可独立地控制喷油正时和喷油速率变化，实现预喷射和多次喷射，达到理想的喷油规律，配合高的燃油喷射压力，既可降低柴油机的dp/dφ，又能保证良好的动力性和经济性，同时还能将柴油机的NOx和微粒（PM）排放控制在较小的数值范围内，以满足排放要求

④ 燃料适应性好。对于不同的燃油，特别是劣质燃料油，可根据燃烧需要改变喷油正时和气阀定时，并且在任何负荷条件下工作均无可见排烟。这些对于凸轮驱动的机械机构几乎是不可能实现的。此外，冷却系统、增压系统和气缸注油系统也具有很强的运转适应性。

（2） 足够的可靠性

这是指发动机具有更长的寿命和维修周期，在整个发动机使用过程中具有很低的故障率和良好的维修性能，并且在整个使用期间发动机的性能维持不变。如瓦锡兰公司的RT-flex柴油机的吊缸周期可延长到三年，MAN B&W的低速机吊缸周期可以延长到五年。

（3） 各种不同的操作模式是指可以根据不同的要求由操作者选择机器的运转模式，如

经济性模式、排放控制模式、低负荷运转模式等，并保证发动机一直处于最优化状态运转。

（4） 完善的状态监测和控制系统，主要包括一体化的速度控制设备、在线的柴油机故

障诊断系统、活塞工作和燃烧可靠性的监测及对气缸注油的优化等。能够在线监测柴油机的运转状况，确保各缸的负荷均匀分布，防止发动机超负荷，在故障发生前能够早期报警并启动处理程序。

目前，船用智能低速柴油机的主要机型是瓦锡兰（W?rtsil?）公司的Sulzer RT-flex系列柴油机与MAN B&W公司的ME系列柴油机，下面分别讨论这两种电子控制式柴油机的技术特点。

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瓦锡兰 RT-flex柴油机结构介绍

瓦锡兰公司率先将共轨技术应用于大功率船用低速柴油机。Sulzer公司在并入瓦锡兰公司前的20世纪80年代初就开始从事于电子控制式柴油机的研制。继1981年的RTX-1型和1990年的RTX-2型之后，1998年将燃油共轨喷射技术应用于RTX-3型技术示范机并取得成功。在此基础上，开发出全电子控制、采用共轨喷射技术的Sulzer RT-Flex型船用低速柴油机，并在实船上开始使用。

第一台6RT-flex 58T-B的功率为11275 kW，转速为93 r/min，安装在“Gypsum Centennial”轮上。它是2000年2月底由韩国现代重工为Gypsum石膏运输公司建造的，2001年9月交船投入营运。在柴油机持续运转了5295 h后（2002年10月26日），状况良好。目前，RT-flex系列柴油机包括RT-flex 50、RT-flex 58T-B、RT-flex 60C、RT-flex 82C RT-flex 82T、RT-flex 84T-D和RT-flex 96C等不同缸径的多种机型。

① 基本结构

相对常规柴油机而言，RT-flex型柴油机取消了机械式凸轮轴系统及其传动机构。增设
了供油单元、共轨平台和WECS-9500（现在己发展到WECS-9520）控制系统，如图6-28所示。

供油单元由柴油机曲轴输出端的齿轮带动燃油泵和滑油泵。高效的燃油泵向共轨管提供

100 MPa的燃油，轴向柱塞泵提供20 MPa的伺服液压油用于排气阀的启闭和燃油喷射的驱动。共轨平台由WECS9500控制系统分别控制容积式燃油喷射控制单元、排气阀驱动执行器和起动空气控制装置，通过传感器判断曲轴位置及活塞在气缸中的位置后，完成燃油喷射、排气阀启闭和柴油机的起动功能。

RT-flex柴油机的电子控制设备主要包括WECS9500柴油机控制系统、容积式燃油喷射

控制阀、排气阀驱动执行器和起动空气控制装置。WECS9500柴油机控制系统由三部分组成，即凸轮轴替代部分、控制部分和安全系统。凸轮轴替代部分主要是用来代替凸轮轴实现燃油喷射、排气阀和起动空气分配器的驱动；控制部分根据柴油机的负荷和转速控制燃油和伺服油的压力；而安全系统主要是对共轨阀的功能、传感器及各参数值进行监测和诊断，保证系统安全工作。

WECS9500控制系统通过传感器检测曲轴位置从而判断出柴油机气缸中活塞位置后由20 MPa的伺服油控制100 MPa的燃油喷射进入柴油机的气缸，根据柴油机设定油门由WECS9500控制系统进行喷油时间的控制。

② 燃油共轨

RT-flex的燃油共轨系统如图6-29所示，该系统由供油单元、高压共轨油管、WECS9500控制系统、喷油器和容积式燃油喷射控制单元等组成。

供油单元有4～6个高效的机带柱塞泵（又称共轨泵，由三作用凸轮控制），可将己加热的燃油压力提高到100 MPa左右，送至高压共轨油管。在柴油机起动前和起动时，燃油泵的执行器将油泵齿条拉到最大刻度。一旦主机转动（如冲车动作），共轨压力就调到期望值（70 MPa）。

柴油机在工作时，由低压燃油泵将燃油输入到燃油共轨泵，共轨泵将燃油加压送入高压共轨油管，高压共轨油管中的压力由WECS9500控制系统根据共轨压力传感器测量的共轨压力以及燃烧的需要进行调节，高压共轨油管内的燃油经过高压油管，根据机器的运行状态，由WECS9500控制系统确定合适的喷油定时、喷油持续期；由喷射控制单元将燃油喷入气缸。

燃油喷射控制单元如图6-30所示，由WECS9500通过电磁阀控制。20MPa的伺服液压油通过电磁阀，使燃油喷射控制单元动作，让100MPa的燃油进入喷油器。每个气缸有三只喷油器，而每个喷油器由各自的电液阀控制，可以根据WECS9500柴油机控制系统的指令控制燃油喷射的定时和喷油量，也可以实现在低负荷时单只喷油器的循环喷油。由于共轨系统的压力很高，因此对该阀的密封性和承压能力的要求都非常高。

在高压共轨油管上还安装了压力传感器、液流缓冲器（限流器）和压力限制器。压力传感器向WECS9500提供高压共轨油管的压力信号；液流缓冲器（限流器）保证在喷油器出现燃油漏泄故障时切断向喷油器的供油，并可减小共轨和高压共轨油管中的压力波动；压力限制器保在高压共轨油管在出现压力异常时，迅速将高压共轨油管中的压力进行泄放以保证安全。

③ 伺服油共轨

柴油机的伺服油共轨原理：伺服液压油由机带伺服油泵供应20 MPa的液压油，然后由WECS9500控制单元根据曲轴位置传感器判断柴油机各缸的工作状态而控制液压蓄压器，启闭气缸的液压排气阀。伺服油压力随柴油机负荷变化而变化，部分负荷时，压力降低而适应相应的排气阀开启速度。当柴油机停车时控制油系统由电动泵向伺服油共轨提供约5 MPa的压力油。电子控制的驱动单元能灵活机动地控制排气阀的开/关定时。排气阀阀杆的升程由两个位置传感器检测后反馈给WECS控制系统。

④ 启动控制

气缸启动阀与Sulzer RTA型机用的启动阀大致相同。只不过现在由电子控制系统（相应的气缸单元）和快速作用的Sulzer共轨阀根据曲轴转角控制其启/闭。

⑤ 曲轴转角

在曲轴的自由端装有两个独立的曲轴转角传感器，由曲轴通过带齿皮带带动，它们产生精确的轴转角数字信号送到气缸电子单元，分辨率为0.1°曲柄转角。对柴油机的运行它们是绝对不可缺少的。至少其中一个必须工作，如果两个都坏了，柴油机连应急运行都不可能。