第十四章 船用电喷柴油机控制系统

第十四章船用柴油机智能控制系统

随着智能控制在陆上工业各领域广泛应用和成熟，船上控制系统也发生变化，最先引入智能控制的是船舶航向自动操舵仪，随之航迹保持器。到了上个世纪80年代未，引入船舶主机，形成了智能型柴油机概念。由于人们对船舶可靠性、经济性和废气排放控制的日益关注，90年代各大船舶主机制造商相继在实验室开展了智能柴油机研究，1993年MAN B&W公司研制出试验机，在实验室中运转。1998年首台智能型柴油机安装在挪威的Bow Cecil轮上。2000年11月使用智能系统船舶主机进行试航，并通过了DNV等船级社认可，2002年初MAN B&W公司正式推出了电子控制的ME系列柴油机。而瑞士Wartsila公司在1998年首先推出了共轨式全电子控制的智能型柴油机Sulzer RT-flex燃油喷射系统，该系统实现了无凸轮轴柴油机的燃油喷射，排气阀启、闭，起动空气和缸套润滑的全电控制，甚称柴油机的第三次革命。本章先重点介绍智能型柴油机控制系统的基本结构和工作原理，然后介绍Sulzer RT-flex型智能柴油机控制系统和MAN B&W ME系列智能型柴油机控制系统。

第一节船用柴油机智能控制基本原理

一、概述

智能控制引入船舶主机控制系统是从智能调速器开始的，它把船舶主机现时的排烟中的含氧量、温度、增压器的压力、转速等信号都引入控制系统，根据现时主机的给定转速与实际转速的偏差大小，再综合现时的排烟温度、增压器的压力、含氧量等来决定燃油量，使其充分燃烧，达到经济性要求。但是，影响船舶柴油机燃油的燃烧充分与否的因素很多，不仅与增压器压力的大小，输入新鲜空气量的大小有关，还与喷射开启时间、喷射时间持续长短、燃油喷射的压力有关，而且不同柴油机转速下，它们也是不相等的。所以，当时智能型调速器就达不到减排高效目的，只能通过传统柴油机自身结构上的突破，才能提高船舶主机可靠性、经济性和降低排放。Wartsila公司首先提出共轨技术，在传统的Sulzer RTA 型柴油机上取消了废气排气阀驱动装置（exhaust valve driver）、燃油泵（fuel pump）、凸轮轴（Camshaft）、可逆（倒车）伺服马达（reversing servomotor）、燃油连接（fuel linkage）、起动空气分配器（start air distribution）和凸轮轴驱动（camshaft drive）等机构。Common Rail （共轨）装置，用来建立燃油压力，采用液压控制气阀启、闭操作，容积喷射控制单元（V olumetric InjectionControl Unit）控制燃油的流量和喷射时间；燃油供给单元（fuel supply unit）取代原有的燃油泵来提供高压燃油，由液压伺服油泵提供动力液压油，RT-flex型智能柴油机结构示意图，如图14-1-1所示。

图14-1-1 RT-flex型智能柴油机结构示意图

二、智能型柴油机的共轨技术

采用传统机械结构的柴油机无法实现高效减排目标，只有通过机电一体化设计对传统柴油机在结构上进行变革，才能实现高可靠性、经济性和高效减排的目的，通过几十年的研究，诞生了柴油机共轨技术。图14-1-2为瑞士Wartsila公司研制的Sulzer RT-flex型船用低速柴油机电子控制共轨技术系统。从图14-1-2中可以看见，该系统取消了凸轮轴装置对其喷油和排气控制，取而代之的是WECS 9500控制系统，它给各缸的气缸控制单元（CCU）发送燃油喷射控制信号，气缸的控制单元，根据这个指令和本缸气缸的活塞位置等来控制燃油喷射量、喷射时间、喷射方式（一次性喷射，脉冲性喷射）以及喷射油头的个数。排气阀的控制是由WECS9500控制系统发出指令给各缸控制单元（CCU），CCU就根据指令给本缸的排气控制电磁阀通电，控制高压伺服油，去驱动排气阀使之排气；而柴油机的起动也是由WECS9500控制系统根据曲柄角度传感器送来的曲柄的位置信号来判别各缸的活塞位置，从而发出哪个缸应打开起动阀进气，进行起动。这里的起动阀也是采用电动控

制电磁阀。

图14-1-2SulzerRT-flex共轨技术系统示意图

从图上看，各缸的燃油压力都是一样的，各缸的液压伺服油压力也是一样的，由此而得名，称之为共轨技术，只不过各大柴油机制造商所采用的压力不同而已。象瑞士Wartsila 公司的Sulzer RT-flex机型是采用1000 bar高压燃油压力，而MAN B&W的ME系列是采用7-8bar低压燃油压力，它需进行二次增压后才能喷射。

三、智能型柴油机控制系统的组成和主要功能

1．智能型柴油机控制系统组成

要实现柴油机高效率和降低废气排放量，采用传统的机械结构是无法达到的，只有通过机电一体化设计才能实现。运用电的控制手段，才能做到灵活多变，适应不同柴油机的工况要求。船舶柴油机的智能控制系统主要由以下各部分组成：

（1）运行模式选择程序

它主要由低排放控制模式、燃油经济性模式、主机运行保护模式、应急停/倒车的最优化等模式组成。智能控制系统可根据船舶航行的实际情况，由驾驶台或自身控制系统选择对应所需的运行模式。

（2）主机控制系统

它主要由气缸喷射油量的控制、燃油泵的控制、气缸的压力测量与分析、最大功率P max 的控制、排气阀的控制、压缩压力的控制、增压系统的控制等单元组成，它控制了柴油机各系统运行。

（3）主机工况监测、分析与管理

主机工况监测、分析与管理应能自动采集主机的各种运行参数，并通过计算机控制，使主机始终运行在最佳状态，它主要由活塞环或气缸套的工况监测、气缸压力监测、扭力和振动的监测以及柴油机智能管理等单元组成。

综上所述，智能型柴油机控制系统的组成可用拓扑图表示，如图14-1-3所示。

图14-1-3智能型柴油机控制系统的组成示意图

2．智能型柴油机的主要功能

要实现智能型柴油机的各种功能，要靠现代自动化、计算机、通讯等技术手段来支持。首先将检测回来的柴油机各种运行状态信号送到计算机进行处理（按照最佳的工作模式，使柴油机燃油效率最高，排放最低），处理结果对柴油机的燃油喷射系统、电子调速系统、增压系统、排气阀系统等进行控制，这就要求检测信号的传感器反应快，可靠性高，计算机运行速度快，各系统的执行机构动作快、灵敏和可靠。其次是对柴油机的管理维护、故障诊断等进行深层次管理，使柴油机在寿命期限内达到最大效率。它主要完成柴油机各工况监测，记录历史数据，对其进行分析，检测出磨损量，预测出检修、更换备件的时间表，同时，还能对备件进行管理，少件或缺件自动形成申购表。通过检测回来的柴油机运行参数，对存在的故障能进行故障诊断，它能实现对柴油机进行全方位管理。最后，由于检测参数多，执行机构也多，用单台计算机处理控制无法满足适时性，要采用分散式控制方案，就得用多台处理器。这样，它们之间的联系是通过现场总线方式，进行交换和传递相关信息，正如每个气缸的控制处理单元（CCU）与主控制处理器（MCU）是通过网络总线来联系的。

智能柴油机的控制系统结构示意图如图14-1-4所示，图14-1-5是智能柴油机的控制系统方框图。由图14-1-4可见，集控室可用多台电脑与现场总线（双总线制互为备用），柴油机由两个主机控制单元（EU）控制，它们之间也是互为备用，一个单元在运行工作，另一个处于热备用，通过集控室上的转换开关来切换，由集控室或驾驶台车钟发讯器下达车令，通过数据处理送到总线上，主机控制器（EU）接收到该车令后根据传感器（S）检测

回来的柴油机现时状态信息进行处理，然后，按处理结果形成指令，通过总线送到各缸的