船用柴油机高压共轨系统(2)140529终[兼容模式]

船用柴油机高压共轨技术
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结构参数
试验数据
试验数据仿真边界24
多控制参数影响
多控制参数综合优化
2014/5/29
主要由供油单元、共轨单元和电控单元（WECS）等部件组成
☐供油单元将高压燃油泵压缩的燃油送至集
油器和共轨管，共轨管内的燃油通过喷射控
制单元向喷油器供油；伺服油泵将伺服油送
入伺服油轨，驱动和控制排气阀启闭;
☐共轨单元主要包括共轨管系，还包括布置
油喷射控制单排气阀控制单
各缸的燃油喷射控制单元、排气阀控制单元
及一些阀件等，它们都集成在共轨箱体中。

☐WECS根据柴油机当前工况，触发相应的电
CS根据柴油机当前况，触发相应的电
液轨阀，实现轨压调节、喷射正时、喷油脉
宽以及排气阀启、闭角的柔性控制，通过总
共轨系统总体结构线通讯的方式与船舶其它控制系统进行数据交互。

●高压共轨系统结构高共轨系统结构
供油单元
共轨单元
喷油控制单元
排气控制单元
单
供油单元主要由供油单元驱动装置、
燃油泵、伺服油泵及其调节机构组成。

驱动装置：由齿轮组、三突起驱动凸
轮、驱动轴、伺服油泵驱动齿轮和小
齿轮等组成，在曲轴带动下驱动燃油
泵和伺服油泵；
供油单元结构
泵属于直列泵量控制
☐燃油泵：属于直列油泵，油量的控制方式与机械式燃油泵相似，油量的控制
方式通过调节齿条带动活塞套筒转动
方式通过调节齿条带动活塞套筒转动，改变进油孔和控制凹槽的相对位置来控
制进油量，进而控制蓄压油腔和高压燃制进量进制蓄和高
油出油管中的燃油压力；高压燃油直接
送至集油器，燃油通过两根独立双层壁
高压油管接入燃油共轨管；
☐集油器进口端设有单向阀，隔离高低
并在其部置安全当
压燃油，并在其上部设置安全阀，当燃油压力达到或超过安全阈值时，自动打
开安全阀将燃油泄放到燃油溢流柜中供油单元结构
开安全阀将燃油泄放到燃油溢流柜中，
保证共轨系统的安全。

①高压燃油出油管、②止回阀、③蓄压油腔、④止回阀、⑤增压腔、⑥低压燃油管、⑦低压燃油进油口、⑧低压燃油出油口、⑨进油孔、⑩调节齿条、⑪柱塞套筒转臂、⑫上部弹簧座、⑬柱塞、⑭压缩弹簧、⑮下部弹簧座、⑯导向柱塞、⑰滚轮；⑱三相凸轮；⑲簧缩簧簧滚
伺服油泵是由凸轮驱动柱塞增压的方
式产生高压伺服油，通过调节PWM
（Pulse Width Modulation）占空比来
调节伺服油泵出油口的油量和压力；供油单元结构
①调压电磁阀、②低压油管、③低压进油、④上部弹簧座、⑤下部弹簧座①调压电磁阀、②低压油管、③低压进油口、④上部弹簧座、⑤下部弹簧座
RT-Flex型柴油机共轨系统概述
共轨单元主要包括共轨管系，还包
括布置在各缸的燃油喷射控制单元、排
气阀控制单元及一些阀件等，它们都集
成在共轨箱体中
成在共轨箱体中。

☐共轨管系：主要包括燃油和伺服油两
根共轨管，用于存储高压燃油和伺服
油，同时还可以消除燃油喷射中产生
的压力波动；
☐燃油喷射控制单元：每个气缸均装有
燃油喷射控制单元
燃油喷射控制单元，各缸喷油器由
（j，）独立
ICU Injection Control Unit ICU
RT-Flex型柴油机共轨系统概述
燃油喷射控制单元：
主要由①共轨阀、②喷射控制
阀、③喷油器、④油量活塞和活塞位
移传感器等部件组成，每个气缸均装
有燃油喷射控制单元，各缸喷油器由
ICU（Injection Control Unit，ICU）独立
Injection Control Unit
控制；
RT-Flex 型柴油机共轨系统概述
当输出喷射开启脉冲信号，共轨阀①（双稳态两位三通电磁阀）由关闭状态转换为开启状态，高压伺服高
油由共轨管进入喷油控制阀②（两位四通液压阀），并压缩喷油控制阀中的弹簧改变其状态，关闭燃油油量活塞左侧油路打开回油油路油量活塞左侧油路，打开回油油路
；此时在油量活塞两侧压力差的作用下推动活塞向左移动使得高压①共轨阀、②喷油控制阀、③喷油器
用下推动活塞向左移动，使得高压
、④燃油量活塞
RT-Flex型柴油机共轨系统概述
当输出喷射关闭脉冲号共
当输出喷射关闭脉冲信号，
轨阀改变当前状态，切断进入
喷油控制阀中的高压伺服油，
喷油控制阀在弹簧的作用下复
位，燃油油量活塞左侧油路与
燃油联通，此时油量活塞也在
两端压力差的作用下快速复位
，完成喷射过程。

①共轨阀、②喷油控制阀、③喷油器、④燃油量活塞
燃油喷射控制单元工作原理
RT-Flex型柴油机共轨系统概述
排气阀控制单元（Exhaust
Exhaust
Valve Control Unit，VCU）：
由排气阀控制单元、排气阀总
成和排气阀位移传感器等部件
组成，排气阀控制单元是其核
心部件。

部件
RT-Flex型柴油机共轨系统概述
WECS向排气阀驱动模块输出“排气
阀打开”脉冲信号，伺服油通过共轨
阀①控制排气控制阀②（二位三通阀
离
）与伺服油管导通以驱动隔离传动装
置阀杆上行，进而打开排气阀门；
RT-Flex型柴油机共轨系统概述
☐WECS输出“排气阀关闭”脉冲信号
至共轨阀①时，隔离传动装置③活塞
下方的伺服油泄放到伺服油回油管中
，使得排气阀在空气弹簧的作用下上
簧
行封闭排气口；
☐排气正时控制由WECS根据存储的排
气阀升程曲线试验MAP图，调整发出
RT-Flex型柴油机共轨系统概述
WECS：由装配在各缸的多功能控制模块
FCM-20（Flex Control Module-20）组成。

☐每个FCM-20安装在各气缸的接线箱内，且
预留一个FCM-20作为在线冗余备件，并与
Wärtsilä公司FlexView软件通讯实现电控系
统在线参数的标定；
在线参定
☐所有模块间的通信是通过内部高速
CANopen system bus实现，另每个模块还
实现另每个模块还
拥有两个Module Busses(1x CANopen,1x
MODbus)用来和外部其它系统的通信。

用来和外部其它系统的通信
WECS系统结构
单缸控制功能：FCM-20通过同步串
行接口总线（Serial Synchronous
Interface，SSI-bus）读取角度编码
器信号并计算、处理转速、角度和
转向；从CAN总线读取控制指令和
参数，来控制起动电磁阀、可变喷
参数来控制起电磁阀变喷
射正时、喷油量、排气阀开启和关
闭以及可变排气正时等。

闭以及可变排气正时等
FCM-20模块的控制功能
公用控制功能：燃油和伺服油共
轨压力监测和调节、燃油泵和伺
服油泵的控制、系统数据的存储
和处理、WECS工作状态监测以
及WECS内部MAP和可变参数的
管理等。

管等
FCM-20模块的控制功能
原机
高压共轨系统提供边界条件
HIL试验台总体结构
低压辅助模块
供油模块2014/5/29
共轨单元
HIL试验台总体结构
柴油机仿真模型
作在系统集成状态（转速绑，既可工作在系统集成状态（转速绑定）下，也可分别自行设定燃油泵和伺服油泵驱动电机转速；
⏹模拟柴油机扫气压力，并可将模拟的
气号发送；
扫气压力信号发送给WECS；
⏹控制缸压模拟装置上电磁阀开启和关
闭，在排气阀处关闭状态时打开电磁阀向排气阀总成充入压缩空气，用以模拟真实气缸背压；
⏹能够根据实际气缸排气阀升程信号，
能够根据实气缸排气阀升信号
模拟其它4缸的排气阀升程信号供
WECS。

WECS
柴油机仿真模型主机仿真模块
排气阀仿真模块
缸平移法原理排气阀仿真模块信号流
平移效果
由于HIL仿真系统与真实机器存在差异，HIL系统中电控排气阀在超过负荷况下不能常作；用控制发出排气75%负荷工况下不能正常工作；用cRIO控制器发出排气阀升程模拟信号代替实体缸位移传感器信号输入WECS，在
90%工况和100%工况下的进行试验研究。

无真实的排气阀总成
实体缸虚拟信号
交汇于15%行程处。

排气阀大开启、关闭角度和试车报告数据吻合排气阀250300
350
排气阀开启
实体缸车报告数据吻合，排气阀仿真模型验证正确有效
虚拟信号
250300
350
排气阀关闭控
实体缸虚拟信号
250300
350
曲柄转角/CA
2.5伺服油管压力
伺服油管压力
伺服油轨压力
2.5
伺服油轨压力
空气弹簧压力
空气弹簧压力
开启实体排气阀时轨压波动较大
高负荷工况下轨压较高排气阀开不同工况下排气阀关闭延迟时间差别不高负荷工况下轨压较高，排气阀开启延迟时间脚小，而延迟角度较大
明显。

高负荷工况下关闭延迟角度较大
100m
25%负荷50100程/m m
25%负荷75%负荷
0.050.10.15
0升时间/s
a）排气阀关闭延迟时间 a） 排气阀关闭延迟时间
0100/m m
25%负荷75%负荷
20406080
050升程︒
曲柄转角/CA
b） 排气阀关闭延迟角度
不同延迟排气阀升程曲线交汇于15%行程处。

WECS使用排气阀行程的15%作为判断排气阀开启、关闭的阈值，对排气正时采取闭环控制。

作为判断排气阀开启关闭的阈值对排气正时采取闭环控制
2014/5/29
HIL试验台总体结构
信号测量
总共80路信号。