瓦錫蘭最新型船用低速電控柴油機(jī)RT-flex35(W-X35)的性能與應(yīng)用

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(玉柴船舶動(dòng)力股份有限公司，廣東 珠海 519100)

目前電控技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)上的成功應(yīng)用主要有兩種方式：?jiǎn)误w泵型電控內(nèi)燃機(jī)及共軌型電控內(nèi)燃機(jī)。本文介紹共軌型電控柴油機(jī)。在大功率低速二沖程柴油機(jī)領(lǐng)域，以瓦錫蘭公司為主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的RT-flex系列高壓共軌柴油機(jī)體現(xiàn)了全電子控制技術(shù)的優(yōu)越性和先進(jìn)性[1-3]。

1 RT-flex35(W-X35)主要技術(shù)指標(biāo)

RT-flex35發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)越，在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)可靠性高、大修周期長(zhǎng)達(dá)5年。主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

注： *標(biāo)準(zhǔn)調(diào)校/Delta調(diào)校/低負(fù)荷調(diào)校。

2 共軌系統(tǒng)控制原理

瓦錫蘭RT-flex35發(fā)動(dòng)機(jī)使用全電控(UNIC)共軌實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油噴射控制、排氣門(mén)控制、啟動(dòng)控制和氣缸潤(rùn)滑控制。通過(guò)控制燃油噴射正時(shí)、噴油量、噴射速率、壓力以及進(jìn)、排氣門(mén)正時(shí)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在各種負(fù)荷下的性能最優(yōu)化，從而達(dá)到在滿足最新排放要求下，提高其經(jīng)濟(jì)性、可靠性、操縱靈活性和延長(zhǎng)使用壽命。

UNIC自動(dòng)控制系統(tǒng)(統(tǒng)一控制)是一款嵌入式柴油機(jī)控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)應(yīng)用，UNIC配置中的一些零部件和功能可能會(huì)是可選的。UNIC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮了苛刻的主機(jī)使用環(huán)境，在設(shè)計(jì)過(guò)程中專門(mén)對(duì)使用溫度和振動(dòng)耐久性做了努力。UNIC系統(tǒng)用于處理燃油噴射、排氣門(mén)控制、氣缸潤(rùn)滑、柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角測(cè)取和轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制。

系統(tǒng)采用現(xiàn)代總線技術(shù)傳輸傳感器信號(hào)和其它信號(hào)。“通用功能”至外部推進(jìn)控制系統(tǒng)和船舶報(bào)警和檢測(cè)系統(tǒng)(第5部分)使用可靠的總線技術(shù)。外部系統(tǒng)充當(dāng)人機(jī)交互界面。RT-flex柴油機(jī)上的UNIC控制系統(tǒng)是模塊化系統(tǒng)，包括：每缸一塊氣缸控制模塊CCM-20，用于各個(gè)氣缸的控制。CCM單元同時(shí)裝有大量冗余的全局功能用于柴油機(jī)控制；每機(jī)一塊主控模塊MCM-11，用于速度控制和外部接口；兩塊機(jī)旁顯示單元LDU-20，一塊安裝在自由端機(jī)旁操縱箱，另一塊安裝在集控室。所有模塊用冗余的CAN總線連接。

2.1 燃油壓力控制和噴射控制

2.1.1 軌壓控制

UNIC系統(tǒng)最終的噴油時(shí)間參考值會(huì)因?qū)嶋H軌壓(偏差、波動(dòng)等)而產(chǎn)生一定偏差。鑒于此轉(zhuǎn)速傳感器和曲軸轉(zhuǎn)角傳感器將精確的柴油轉(zhuǎn)角位置測(cè)量信息分別送至各氣缸控制模塊(發(fā)火順序和角位移已寫(xiě)進(jìn)氣缸控制模塊)[4]。

軌壓控制是基于負(fù)荷來(lái)決定的?？刂苹芈肥褂脙陕啡哂鄩毫鞲衅鳒y(cè)量設(shè)計(jì)軌壓，并將傳感器鏈接氣缸控制模塊CCM #1和CCM #2(從飛輪端數(shù)第一和第二缸氣缸控制模塊)。CMM模塊通過(guò)控制油泵流量控制閥(FCV)來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)際軌壓。在需要緊急泄壓的情況下油泵執(zhí)行器(FCV)將關(guān)至最小值以最小流量供油，同時(shí)安保系統(tǒng)(與UNIC系統(tǒng)是完全獨(dú)立的電路)會(huì)打開(kāi)共軌管上的泄壓閥泄放共軌管燃油。這里泄壓閥既可充當(dāng)機(jī)械的限壓閥又可以在柴油機(jī)預(yù)熱時(shí)充當(dāng)流通閥。

2.1.2 噴射控制

各缸噴油電磁閥(集成在噴油器上，每缸兩個(gè))由CCM-20模塊控制。而打開(kāi)噴油電磁閥需要較高的能量，CCM-20模塊輸出高能PWM控制信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)各噴油器電磁閥，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴油器的單獨(dú)控制(見(jiàn)圖1)。噴油起始階段使用較高的電流值(開(kāi)啟電流)以確保噴油器打開(kāi)快速和循環(huán)周期的一致性；噴油器打開(kāi)之后即切換為較低值電流(保持電流)，低電流在保持噴油器穩(wěn)定打開(kāi)的前提下可以減少控制電路和電磁閥本身產(chǎn)生的熱量，見(jiàn)圖2。

圖1 噴油器控制原理示意

噴油量(即噴油持續(xù)期)由CCM-20內(nèi)部計(jì)算。而噴油量的計(jì)算則基于轉(zhuǎn)速控制器的輸出信號(hào)(稱為“燃油指令”)。CCM-20將來(lái)自轉(zhuǎn)速控制器的比例信號(hào)(以R1點(diǎn)油量為基準(zhǔn)，即100%)轉(zhuǎn)化為各噴油器噴油持續(xù)時(shí)間值，這個(gè)值的長(zhǎng)短即決定了噴入各缸的燃油量，也決定了柴油機(jī)負(fù)荷。

圖2 控制電流

以上控制的實(shí)現(xiàn)大大提高了噴射控制的靈活性和準(zhǔn)確性，從而在油耗、排放方面有著重大的優(yōu)越性。在不同負(fù)荷下控制系統(tǒng)自動(dòng)改變共軌壓力(噴油壓力)和噴油正時(shí)，如高負(fù)荷(以100%點(diǎn)為例)時(shí)將噴油壓力提高至80～100 MPa，噴油正時(shí)調(diào)整為上止點(diǎn)前2.25°CA，在低負(fù)荷(以25%點(diǎn)為例)噴油壓力調(diào)整為60 MPa左右，噴油正時(shí)調(diào)整為上止點(diǎn)后2.93 CA。在很大程度上降低了油耗、排放。對(duì)于RT-flex35(W-X35)每缸安裝有兩只噴油器，它們彼此獨(dú)立控制，可根據(jù)需要按設(shè)定程序分別動(dòng)作或同時(shí)動(dòng)作，并且各噴油器可在各種不同噴射模式間轉(zhuǎn)換(見(jiàn)圖3)。

圖3 燃油噴射模式

1)提前噴射。在主噴射之前將占總噴射燃油量一定比例的燃油(通常低于30%)噴入氣缸，預(yù)噴的燃油在缸內(nèi)產(chǎn)生冷焰反應(yīng)，使缸內(nèi)溫度和壓力在主噴前已經(jīng)升高，當(dāng)主噴燃油噴入氣缸后，由于預(yù)噴的引燃作用可以在很短的著火延遲期內(nèi)燃燒，縮短主噴滯燃期，降低燃燒溫度，使主噴變?nèi)岷停瑫r(shí)還有利于燃油的霧化均勻性，從而降低NOx排放。[5]

2)三次噴射。將總噴射量按一定比例分為三份，分別噴入氣缸。目的是在全工況下優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，進(jìn)一步減小尾氣排放和油耗率。

3)順序噴射。控制系統(tǒng)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)各噴油嘴，使各噴油嘴按各自不同的定時(shí)噴油。自由選擇共軌壓力和噴射模式，可以用來(lái)影響燃燒， 并在柴油機(jī)工作循環(huán)過(guò)程中形成各種不同形狀的氣缸壓力曲線。這樣，選擇理想的噴射模式，即可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)期望的降低燃油耗率和控制煙度和NOx排放性能優(yōu)化的目標(biāo)。

另外，在柴油機(jī)部分負(fù)荷工況,系統(tǒng)可以切斷噴油器噴油,僅讓燃油噴射通過(guò)一只(輪換)噴油器完成。這樣,有利于在低速運(yùn)行時(shí)所需要的少量的燃油的噴射和良好霧化。在這種控制策略下，柴油顯示了卓越的低速穩(wěn)定性，以RT-flex35(W-X35)為例，其最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速僅為MCR轉(zhuǎn)速的10%～12%。

2.2 排氣門(mén)控制和伺服油壓力控制

各缸排氣門(mén)由各缸控制模塊CCM-20分別控制。各缸排氣門(mén)動(dòng)作由各自的排氣閥位置傳感器監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)根據(jù)位置信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償機(jī)械和液力的延遲與偏差。在傳感器故障情況下閥動(dòng)作則根據(jù)缺省值進(jìn)行控制?？刂七^(guò)程如下。

1)根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角和可變排氣門(mén)開(kāi)啟定時(shí)計(jì)算排氣門(mén)開(kāi)啟指令。

2)開(kāi)啟延遲測(cè)量0～15%排氣門(mén)行程時(shí)間。

3)根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角和可變排氣門(mén)關(guān)閉定時(shí)計(jì)算排氣力關(guān)閉指令。

4)關(guān)閉延遲測(cè)量0～15%排氣門(mén)行程時(shí)間。

5)在曲軸旋轉(zhuǎn)一周后，根據(jù)這一循環(huán)的延遲時(shí)間來(lái)修正下一循環(huán)的定時(shí)，見(jiàn)圖4。

圖4 排氣門(mén)控制原理示意

此機(jī)型配備兩臺(tái)伺服油泵，每臺(tái)伺服油泵內(nèi)部有一個(gè)帶電子設(shè)定點(diǎn)的機(jī)械壓力式控制器，此設(shè)定點(diǎn)由脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)決定。設(shè)定點(diǎn)取決于柴油機(jī)負(fù)荷，由CCM-20模塊CCM #3和CCM #4(從飛輪端數(shù)第3和第4缸氣缸控制模塊)發(fā)出。兩臺(tái)油泵的壓力控制器分別連接一塊CCM-20模塊(第3、4缸)，這種分散化處理增強(qiáng)了伺服油系統(tǒng)的實(shí)用性。每個(gè)CCM模塊連接有一個(gè)壓力傳感器監(jiān)測(cè)伺服油系統(tǒng)伺服油壓力。伺服油的壓力大小由UNIC系統(tǒng)根據(jù)主機(jī)的負(fù)荷來(lái)決定，主機(jī)的負(fù)荷大，伺服油的壓力也高，加壓后的伺服油再去驅(qū)動(dòng)排氣門(mén)伺服油單元，去打開(kāi)或關(guān)閉排氣。排氣門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)間(VEO、VEC)是按照UNIC系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)定的曲線根據(jù)主機(jī)的轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)的。伺服油控制系統(tǒng)見(jiàn)圖5。

圖5 伺服油控制示意

2.3 啟動(dòng)控制

啟動(dòng)時(shí)，曲軸每旋轉(zhuǎn)一周CCM-20模塊控制起動(dòng)閥在一定的曲軸轉(zhuǎn)角開(kāi)啟和關(guān)閉一次，直至啟動(dòng)成功。UNIC系統(tǒng)通過(guò)兩副接近式傳感器測(cè)量中間齒輪輪齒來(lái)獲得曲軸轉(zhuǎn)角信息。兩個(gè)轉(zhuǎn)角傳感器、上止點(diǎn)信號(hào)傳感器和下止點(diǎn)信號(hào)傳感器連接至每塊CCM-20模塊。使用累加算法測(cè)量，使用兩個(gè)接近式傳感器檢測(cè)齒輪輪齒，一個(gè)傳感器檢測(cè)上止點(diǎn)。通過(guò)以遞增方式計(jì)算從基準(zhǔn)位置至當(dāng)前位置的脈沖數(shù)(齒輪輪齒)計(jì)算曲軸轉(zhuǎn)角，見(jiàn)圖6。

使用單獨(dú)的傳感器檢測(cè)基準(zhǔn)位置(上止點(diǎn)和下止點(diǎn))?；鶞?zhǔn)點(diǎn)是上止點(diǎn)齒以及下止點(diǎn)齒的中心。兩個(gè)脈沖之間的角度通過(guò)計(jì)算齒輪齒數(shù)獲取。基準(zhǔn)傳感器信號(hào)用于同步相對(duì)位置信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)。通過(guò)使用精確的計(jì)時(shí)器、實(shí)際的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和已測(cè)點(diǎn)的時(shí)間戳記估算測(cè)量點(diǎn)之間的曲軸轉(zhuǎn)角以獲得較高的測(cè)量精度。CCM-20模塊內(nèi)部基于遞增測(cè)量原則計(jì)算曲軸轉(zhuǎn)角位置(絕對(duì)值)。 因此在CCM-20模塊上電后，只能在柴油機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)其中一個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記上止點(diǎn)或下止點(diǎn)之后才能獲取曲軸轉(zhuǎn)角信息。有些CCM-20模塊出現(xiàn)因傳感器故障不能處理轉(zhuǎn)動(dòng)方向信息時(shí)，將會(huì)從其它具有兩個(gè)完整曲軸轉(zhuǎn)角傳感器信號(hào)的CCM-20模塊收到相應(yīng)信息。

圖6 啟動(dòng)控制示意

較傳統(tǒng)啟動(dòng)方式，瓦錫蘭電控柴油機(jī)在系統(tǒng)控制中引入啟動(dòng)先進(jìn)的自學(xué)習(xí)算法。由CCM模塊內(nèi)部基于累加原則計(jì)算曲軸轉(zhuǎn)角值，也就是說(shuō)當(dāng)CCM上電后并不能即刻獲得有效的曲軸轉(zhuǎn)角信息，而是在曲軸轉(zhuǎn)過(guò)其中一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)(上止點(diǎn)或下止點(diǎn)標(biāo)記)時(shí)才可以。但，即便在缺失曲軸轉(zhuǎn)角信息的情況下，UNIC仍可正常啟動(dòng)柴油機(jī)。這便是啟用啟動(dòng)自學(xué)習(xí)自動(dòng)算法。本算法在啟動(dòng)請(qǐng)求發(fā)出但UNIC系統(tǒng)尚未獲得有效曲軸轉(zhuǎn)角信息時(shí)自動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)壓縮空氣按預(yù)設(shè)方式噴入其中一缸時(shí)，因曲軸轉(zhuǎn)角位置，發(fā)動(dòng)機(jī)可能正轉(zhuǎn)、倒轉(zhuǎn)或者根本不動(dòng)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)反饋信息，一個(gè)專用的算法自動(dòng)選擇下一個(gè)合適的氣缸噴入壓縮空氣以驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)過(guò)上止點(diǎn)或下止點(diǎn)標(biāo)記時(shí)，UNIC便進(jìn)入同步，并獲取有效曲軸轉(zhuǎn)角信息。

2.4 氣缸滑油控制

對(duì)于新型的RT-flex35(W-X35)柴油機(jī)，瓦錫蘭采用了先進(jìn)的脈沖潤(rùn)滑系統(tǒng)CLU-5，見(jiàn)圖7。

這是一套定時(shí)潤(rùn)滑系統(tǒng)，由各缸CCM模塊控制。定時(shí)是可以非常靈活的，可以根據(jù)需要基于曲軸轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)在活塞上部、活塞環(huán)上以及活塞下部噴油。各缸CCM模塊通過(guò)控制安裝在滑油噴射單元(CLU)上的兩個(gè)電磁閥實(shí)現(xiàn)噴射的開(kāi)啟和關(guān)閉。安裝在噴射單元上的壓力傳感器將噴射定時(shí)反饋信號(hào)送至CCM模塊，UNIC系統(tǒng)通過(guò)反饋信號(hào)控制補(bǔ)償系統(tǒng)液力和機(jī)械的延遲。

圖7 氣缸滑油控制示意

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)船用柴油機(jī)相比，RT-flex35(WX35)柴油機(jī)采用高壓燃油共軌技術(shù)和全電子控制技術(shù)，具有很好的靈活性，非常有利于柴油機(jī)燃油噴射和換氣過(guò)程控制。在全部負(fù)荷/轉(zhuǎn)速條件下，RT-flex系統(tǒng)能夠通過(guò)軟件功能優(yōu)化選擇噴射壓力、設(shè)定噴油模式、調(diào)整噴油定時(shí)和排氣定時(shí)。

[1] 王德山.船用大功率電控柴油機(jī)的特點(diǎn)和使用優(yōu)勢(shì)[J].柴油機(jī)，2008，30(3):33-36.

[2] 徐家龍.柴油機(jī)電控噴油技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 金江善，楊 林，陳自強(qiáng)，等.船用柴油機(jī)電控系統(tǒng)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2010，32(8):70-74.

[4] 羅紅英.RT - flex58T - B船用電控柴油機(jī)的性能優(yōu)化[J].中國(guó)修船,2006,19(6):14-16.

[5] 呂 林,高 炳.電控氣缸注油器注油調(diào)頻控制機(jī)理分析[J].船海工程,2010(1):78-79,83.