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电喷主机在现代船舶上的应用
发布时间：2017-8-23
来源：远洋船员 浏览：5123次
目前，船舶大型低速柴油机大多使用的机械式燃油喷射系统，这种传统的喷射系统由于结构上的限制，不能同时满足柴油机的经济性和排放要求。因为，在喷油量一定的条件下，为了提高柴油机的经济性要求喷油（供油）提前角适当增大些，然而为了降低柴油机NOX的排放，要求喷油（供油）提前角适当减小些。
中国为此，少数类型的船舶低速柴油机通过使用可变正时机构来调整喷油提前角。但是由于结构复杂，在使用过程中其准确性和可靠性都不太理想，且供油正时、供油规律还随机件磨损而发生变化。由此可见，机械式燃油喷射系统很难满足经济性、可靠性和环保的发展需求。
作为二冲程柴油机技术的领先者，Wartsila NSD于1998年研制出 Sulzer RT-flex 大型船用柴油机电子控制共轨系统，在RTX-3型技术示范机上演示成功，应用于大型船用柴油机的Sulzer RT-flex系统，是世界上最大的共轨燃油喷射系统，第一代产品机Sulzer 6RT-flex58T-B于2001年1月成功地通过了装船检测。这一系统较好地解决了大型低速柴油机喷油定时问题，为航运公司的节能减排提供了一种有效途径。
Sulzer RT-flex电控技术的核心是WECS9500电子控制单元，其控制理论有：最优控制、自适应控制、模糊控制、人工神经网络控制等。WECS9500电控单元得到传感器的各种信息后，经过综合判断处理，输出一路指令到高压油泵，保持所需的共轨油压，另一路指令（与喷油正时、预喷油量、主喷油量等响应的控制脉冲）到喷油器上方的高速电磁阀。由于各个喷油器的控制是单独的，所以具有很大的灵活性，这体现在：（1）可自由选择喷射压力；（2）灵活的喷油定时控制；（3）可改变喷油率曲线形状或喷油速率；（4）按容积精确控制喷油量；（5）可实现高压喷射，对燃烧重油有很大适应性。Sulzer RT-flex在高压喷射的前提下还能够根据柴油机的工作要求实现喷油量、喷油定时、喷油速率的如图1所示。
6.另外安装有一套WECS 9500控制系统，它是电喷的核心部分，具体有以下单元组成：
•供电单元。提供24V电源给系统。
•公共电子控制单元 MCM （Main Controller Module）。此单元一机二套，互为备用。负责与外围设备如电子调速器、角度传感器、集控室电脑之间的通讯，并调控燃油共轨系统压力。
•单缸电子控制单元 CCM （CylinderControl Module）和VDM （Valve Drive Module）。 CCM每缸一套，负责计算与控制燃油定时、油量和排气阀定时，并调控液压油轨压力。VDM每缸一套，主要功能是放大信号给各个电磁阀。
•集控室电脑一台，监测主机运行工况、修改程序和有关参数。
•外围传感器等。
人们不禁要问，在主机起动时，如何建立1 000bar压力的燃油呢？ （实际工况约在900 Bar，并且油压随负荷的变化而相应调整。如在低转速时，油压相对较低，约在600 Bar左右。这样可以避免由于油压过高，而缸内压缩压力较低时，油束喷到活塞头上） 。当主机接收到起动信号时，由WECS 9500控制系统根据安装在自由端的角度传感器的角度信号，控制某一只缸先进气及其他缸的相应次序。一旦主机转动后，带动供油单元中的油泵（Sulzer Common rail pump）。主机转动一次，每只油泵将供油三次。因液体是不可压缩的，在起动的过程中，油压会很快建立。燃油轨参见下图3。
电喷主机的工作原理如图4所示。 图中显示了燃油总管、液压油总管以及空气总管，他们被安装在同一“U”型槽中（这一槽被称作共轨系统，英文名为“COMMON RAIL”）。燃油的定时及容量由燃油喷射控制单元控制，可以控制3只油头同时喷油、单只油头喷油或3只油头循环依次喷油。排气阀开与闭也由控制，以及柴油机转速和负荷变化所有工况下的动态优化，从而实现柴油机的低污染排放。
从柴油机本身而言，RT-Flex 型机与RTA 系列机型主要部件基本相似，但为满足其工作要求，在系统中进行了如下技术优化：
1.电喷式柴油机燃油喷油系统取消了凸轮轴、燃油高压油泵、驱动排气阀的高压油泵以及空气分配器。
2.由于取消了高压油泵，所以增加了一套供油单元。此单元有4至6台常规柱塞、套筒油泵组成，但不再需要定时，由主机自身传动齿轮带动，把燃油的压力升至1000 bar到燃油总管（或者叫燃油轨，电喷式主机中所讲的轨是总管的概念）。供油单元如图2所示。
3.文如图
4.由于电子控制系统中所能输出的能量有限，不足以推动燃油控制阀等阀件，必须借助于液压系统来加以控制，为此在供油单元中设有三台伺服油泵，正常工作时输出200 Bar伺服油。在伺服油系统中还设有二台电动液压油泵，在备车状态时提供液压油50 Bar至液压油总管（液压油轨）。
5.为了防止电磁阀卡死在常开位置，燃油会源源不断地喷进汽缸，在燃油系统中专门设计了燃油喷射控制单元。油量由电子调速器根据主机工况输出信号给WECS 9500控制系统，再由它控制燃油喷射控制单元，控制油路的接通与断开。此阀设有位移传感器，把所喷油量反馈给系统，一旦油量在本循环中已给足，就切断电磁阀，并只有在三只电磁阀均回到零位时，才能给出下一循环的油量，以防止电磁阀卡死时造成的误喷油。此控制单元电磁阀控制，由液压驱动。起动阀的开启与关闭直接由电磁阀控制，取消了空气分配器，起动系统由就显得非常简单。在WECS 9500系统中，角度传感器是一个非常重要的部件，所有定时的控制均以它所测的信号为准，所以安装有两只传感器互为备用。
当主机备车后，空气轨和液压油轨就已保持足够的压力。在起动的过程中，建立起燃油压力，根据控制信号，控制所需油量给油头，使主机达到给定转速。
由于电喷式燃油喷射系统具有的良好性能，我公司先后建造的十艘多用途重大吊船舶上，全部采用了Sulzer 7RTflex60c柴油机作为船舶主机。其额定功率16520kw，服务功率14868kw，油耗168.3g/kwh。总结这十艘重大吊船八年多的运行历程，可以得出使用电喷主机的如下优点：
1.可以实现高压喷射
高压共轨燃油喷射系统最显著的特点之一就是可实现高压喷射。高喷油压力可以保证燃油雾化良好，从而降低PM、CO、HC的排放。机械式燃油喷射系统的喷射压力是通过转速、喷油量来调整的。由于不能保证高压喷射，容易导致雾化不良从而使PM、CO、HC的排放量增加。例如发动机在高转速和高负荷下容易出现二次喷射，二次喷射的燃油以很低的压力喷入缸内，致使排烟增加。
2.能够保证准确的喷油定时
喷油定时在很大程度上影响着污染物的排放。推迟喷油可以使NOX的排放降低，但却有可能使CO和PM的排放增加。喷油定时对HC的排放也很敏感（提前或退后都将有可能增加HC的排放），需要一个最佳的喷油定时。所以，选择准确的喷油定时很重要，它可使排放达到一个折中的最佳值。然而，机械式燃油喷射系统是通过喷油泵和提前器来调整喷油定时的，它的调整范围和精度都受到了限制。在高压共轨燃油喷射系统中，喷油定时是由在高压共轨燃油喷射系统中，喷油定时是由ECU和喷油器控制。根据ECU送来的电子控制信号，喷油器将共轨内的高压燃油以最佳的喷油定时、喷油量、喷油率和喷雾状态喷入发动机的燃烧室中。
3.能够实现喷油率的优化控制
在高压共轨燃油喷射系统中，喷油始点和喷油延续时间由指令脉冲决定，与转速及负荷无关，因此可以自由控制喷油时间，再加上可以灵活控制喷油压力，也就可以形成理想的预混燃烧。同时，还可以通过自由调节预喷射始点、主喷射始点、喷射终点和自由选择预喷射段的压力；以及灵活选择喷油峰值压力。保证主喷射开始后的压力升高率适当，以及能够快速断油。从而确保燃料的充分燃烧，以降低CO、HC、PM的排放。而尽可能缩短了滞燃期则可以降低NOX的排放。
4.可以自由设定参数，自由度高
在高压共轨燃油喷射系统中，可以自由设定喷油嘴参数及其它各种参数，各个参数可以独立地满足相应的要求。在满足要求方面没有约束，自由度高。这些都是使燃油雾化良好，降低排放的必要条件。
总之，在高压喷射前提下根据工况需求实现喷油压力、喷油量、喷油定时和喷油速率的动态优化的柔性控制功能，是柴油机燃油喷射系统发展的必然趋势。都被称作“无烟柴油机”（smokeless propulsion）的高压共轨燃油喷射系统通过对喷油要素的优化控制，使得柴油机的有害排放、噪声排放和冷起动性能得到了很大改善。
电喷主机虽然造价高，但单位油耗为168.3g/kwh，比同类型机低3g/kwh，并且共轨燃油喷射系统在很大的转速范围内，保持雾化良好、燃烧完全，且可以在任何转速下长时间运转，有效克服了传统机械式喷射系统柴油机，在低到某一转速时燃烧开始恶化、燃烧不完全、冒黑烟等弊病。她不仅能能满足多种经济航速的要求，还能使动力性、经济性和排放性能都能达到令人满意的效果。这在当下的燃油价格高企、航运市场萧条、排放要求严格的大背景下，电喷主机的效用显得尤为可贵。它可以为航运公司的降速节能和低速减排，逐步淘汰高能耗、高排放的老式机型，提供技术保障和科学典范，为航运业的低碳经营和绿色航行提供了一条发展之路。
中国为此，少数类型的船舶低速柴油机通过使用可变正时机构来调整喷油提前角。但是由于结构复杂，在使用过程中其准确性和可靠性都不太理想，且供油正时、供油规律还随机件磨损而发生变化。由此可见，机械式燃油喷射系统很难满足经济性、可靠性和环保的发展需求。
作为二冲程柴油机技术的领先者，Wartsila NSD于1998年研制出 Sulzer RT-flex 大型船用柴油机电子控制共轨系统，在RTX-3型技术示范机上演示成功，应用于大型船用柴油机的Sulzer RT-flex系统，是世界上最大的共轨燃油喷射系统，第一代产品机Sulzer 6RT-flex58T-B于2001年1月成功地通过了装船检测。这一系统较好地解决了大型低速柴油机喷油定时问题，为航运公司的节能减排提供了一种有效途径。
Sulzer RT-flex电控技术的核心是WECS9500电子控制单元，其控制理论有：最优控制、自适应控制、模糊控制、人工神经网络控制等。WECS9500电控单元得到传感器的各种信息后，经过综合判断处理，输出一路指令到高压油泵，保持所需的共轨油压，另一路指令（与喷油正时、预喷油量、主喷油量等响应的控制脉冲）到喷油器上方的高速电磁阀。由于各个喷油器的控制是单独的，所以具有很大的灵活性，这体现在：（1）可自由选择喷射压力；（2）灵活的喷油定时控制；（3）可改变喷油率曲线形状或喷油速率；（4）按容积精确控制喷油量；（5）可实现高压喷射，对燃烧重油有很大适应性。Sulzer RT-flex在高压喷射的前提下还能够根据柴油机的工作要求实现喷油量、喷油定时、喷油速率的如图1所示。
6.另外安装有一套WECS 9500控制系统，它是电喷的核心部分，具体有以下单元组成：
•供电单元。提供24V电源给系统。
•公共电子控制单元 MCM （Main Controller Module）。此单元一机二套，互为备用。负责与外围设备如电子调速器、角度传感器、集控室电脑之间的通讯，并调控燃油共轨系统压力。
•单缸电子控制单元 CCM （CylinderControl Module）和VDM （Valve Drive Module）。 CCM每缸一套，负责计算与控制燃油定时、油量和排气阀定时，并调控液压油轨压力。VDM每缸一套，主要功能是放大信号给各个电磁阀。
•集控室电脑一台，监测主机运行工况、修改程序和有关参数。
•外围传感器等。
人们不禁要问，在主机起动时，如何建立1 000bar压力的燃油呢？ （实际工况约在900 Bar，并且油压随负荷的变化而相应调整。如在低转速时，油压相对较低，约在600 Bar左右。这样可以避免由于油压过高，而缸内压缩压力较低时，油束喷到活塞头上） 。当主机接收到起动信号时，由WECS 9500控制系统根据安装在自由端的角度传感器的角度信号，控制某一只缸先进气及其他缸的相应次序。一旦主机转动后，带动供油单元中的油泵（Sulzer Common rail pump）。主机转动一次，每只油泵将供油三次。因液体是不可压缩的，在起动的过程中，油压会很快建立。燃油轨参见下图3。
电喷主机的工作原理如图4所示。 图中显示了燃油总管、液压油总管以及空气总管，他们被安装在同一“U”型槽中（这一槽被称作共轨系统，英文名为“COMMON RAIL”）。燃油的定时及容量由燃油喷射控制单元控制，可以控制3只油头同时喷油、单只油头喷油或3只油头循环依次喷油。排气阀开与闭也由控制，以及柴油机转速和负荷变化所有工况下的动态优化，从而实现柴油机的低污染排放。
从柴油机本身而言，RT-Flex 型机与RTA 系列机型主要部件基本相似，但为满足其工作要求，在系统中进行了如下技术优化：
1.电喷式柴油机燃油喷油系统取消了凸轮轴、燃油高压油泵、驱动排气阀的高压油泵以及空气分配器。
2.由于取消了高压油泵，所以增加了一套供油单元。此单元有4至6台常规柱塞、套筒油泵组成，但不再需要定时，由主机自身传动齿轮带动，把燃油的压力升至1000 bar到燃油总管（或者叫燃油轨，电喷式主机中所讲的轨是总管的概念）。供油单元如图2所示。
3.文如图
4.由于电子控制系统中所能输出的能量有限，不足以推动燃油控制阀等阀件，必须借助于液压系统来加以控制，为此在供油单元中设有三台伺服油泵，正常工作时输出200 Bar伺服油。在伺服油系统中还设有二台电动液压油泵，在备车状态时提供液压油50 Bar至液压油总管（液压油轨）。
5.为了防止电磁阀卡死在常开位置，燃油会源源不断地喷进汽缸，在燃油系统中专门设计了燃油喷射控制单元。油量由电子调速器根据主机工况输出信号给WECS 9500控制系统，再由它控制燃油喷射控制单元，控制油路的接通与断开。此阀设有位移传感器，把所喷油量反馈给系统，一旦油量在本循环中已给足，就切断电磁阀，并只有在三只电磁阀均回到零位时，才能给出下一循环的油量，以防止电磁阀卡死时造成的误喷油。此控制单元电磁阀控制，由液压驱动。起动阀的开启与关闭直接由电磁阀控制，取消了空气分配器，起动系统由就显得非常简单。在WECS 9500系统中，角度传感器是一个非常重要的部件，所有定时的控制均以它所测的信号为准，所以安装有两只传感器互为备用。
当主机备车后，空气轨和液压油轨就已保持足够的压力。在起动的过程中，建立起燃油压力，根据控制信号，控制所需油量给油头，使主机达到给定转速。
由于电喷式燃油喷射系统具有的良好性能，我公司先后建造的十艘多用途重大吊船舶上，全部采用了Sulzer 7RTflex60c柴油机作为船舶主机。其额定功率16520kw，服务功率14868kw，油耗168.3g/kwh。总结这十艘重大吊船八年多的运行历程，可以得出使用电喷主机的如下优点：
1.可以实现高压喷射
高压共轨燃油喷射系统最显著的特点之一就是可实现高压喷射。高喷油压力可以保证燃油雾化良好，从而降低PM、CO、HC的排放。机械式燃油喷射系统的喷射压力是通过转速、喷油量来调整的。由于不能保证高压喷射，容易导致雾化不良从而使PM、CO、HC的排放量增加。例如发动机在高转速和高负荷下容易出现二次喷射，二次喷射的燃油以很低的压力喷入缸内，致使排烟增加。
2.能够保证准确的喷油定时
喷油定时在很大程度上影响着污染物的排放。推迟喷油可以使NOX的排放降低，但却有可能使CO和PM的排放增加。喷油定时对HC的排放也很敏感（提前或退后都将有可能增加HC的排放），需要一个最佳的喷油定时。所以，选择准确的喷油定时很重要，它可使排放达到一个折中的最佳值。然而，机械式燃油喷射系统是通过喷油泵和提前器来调整喷油定时的，它的调整范围和精度都受到了限制。在高压共轨燃油喷射系统中，喷油定时是由在高压共轨燃油喷射系统中，喷油定时是由ECU和喷油器控制。根据ECU送来的电子控制信号，喷油器将共轨内的高压燃油以最佳的喷油定时、喷油量、喷油率和喷雾状态喷入发动机的燃烧室中。
3.能够实现喷油率的优化控制
在高压共轨燃油喷射系统中，喷油始点和喷油延续时间由指令脉冲决定，与转速及负荷无关，因此可以自由控制喷油时间，再加上可以灵活控制喷油压力，也就可以形成理想的预混燃烧。同时，还可以通过自由调节预喷射始点、主喷射始点、喷射终点和自由选择预喷射段的压力；以及灵活选择喷油峰值压力。保证主喷射开始后的压力升高率适当，以及能够快速断油。从而确保燃料的充分燃烧，以降低CO、HC、PM的排放。而尽可能缩短了滞燃期则可以降低NOX的排放。
4.可以自由设定参数，自由度高
在高压共轨燃油喷射系统中，可以自由设定喷油嘴参数及其它各种参数，各个参数可以独立地满足相应的要求。在满足要求方面没有约束，自由度高。这些都是使燃油雾化良好，降低排放的必要条件。
总之，在高压喷射前提下根据工况需求实现喷油压力、喷油量、喷油定时和喷油速率的动态优化的柔性控制功能，是柴油机燃油喷射系统发展的必然趋势。都被称作“无烟柴油机”（smokeless propulsion）的高压共轨燃油喷射系统通过对喷油要素的优化控制，使得柴油机的有害排放、噪声排放和冷起动性能得到了很大改善。
电喷主机虽然造价高，但单位油耗为168.3g/kwh，比同类型机低3g/kwh，并且共轨燃油喷射系统在很大的转速范围内，保持雾化良好、燃烧完全，且可以在任何转速下长时间运转，有效克服了传统机械式喷射系统柴油机，在低到某一转速时燃烧开始恶化、燃烧不完全、冒黑烟等弊病。她不仅能能满足多种经济航速的要求，还能使动力性、经济性和排放性能都能达到令人满意的效果。这在当下的燃油价格高企、航运市场萧条、排放要求严格的大背景下，电喷主机的效用显得尤为可贵。它可以为航运公司的降速节能和低速减排，逐步淘汰高能耗、高排放的老式机型，提供技术保障和科学典范，为航运业的低碳经营和绿色航行提供了一条发展之路。
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