淺談ME型柴油機(jī)燃油噴油和排氣閥控制原理

許衛(wèi)鋒

摘 要：隨著船舶技術(shù)的不斷更新發(fā)展，智能柴油機(jī)的使用越來越普及，輪機(jī)員必須及早學(xué)習(xí)與掌握智能柴油機(jī)的新技術(shù)和新的管理理念，適應(yīng)新常態(tài)。本文以MAN B&W ME某機(jī)型為例，簡述智能柴油機(jī)燃油噴油和排氣閥的控制功能，讓老舊船任職的輪機(jī)員對新機(jī)型船舶技術(shù)有個(gè)認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：定時(shí)、伺服油 噴油 排氣閥 FIVA閥 先導(dǎo)閥 主閥 反饋傳感器

1.控制技術(shù)的改進(jìn)

MAN B&W ME型主機(jī)為智能柴油機(jī)，俗稱“電噴機(jī)”，取消了傳統(tǒng)柴油機(jī)高壓油泵和排氣閥的機(jī)械驅(qū)動部分及為之服務(wù)的凸輪軸系等部件，使用225bar的伺服液壓滑油直接驅(qū)動燃油升壓器液壓活塞和排氣閥驅(qū)動執(zhí)行器活塞，通過活塞向上驅(qū)動來完成相應(yīng)燃油噴油和排氣閥開啟。它們的驅(qū)動定時(shí)由電腦觸發(fā)的電磁閥控制。

2.控制定時(shí)

智能柴油機(jī)安裝了ME Tacho 系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)機(jī)的凸輪軸來采集和確認(rèn)燃油噴油定時(shí)、排氣閥開關(guān)定時(shí)、缸頭啟動閥定時(shí)，氣缸油注油定時(shí)，實(shí)現(xiàn)智能化控制柴油機(jī)的各種定時(shí)。

如圖1所示，曲軸自由端，安裝有2個(gè)完全冗余的曲柄角采集系統(tǒng)A和B，即Tacho system Angle encoder A and B，Angle encoder A采集No.1缸曲柄上死點(diǎn)，即飛輪刻度0度位置，另外飛輪處安裝有供參考的探頭M SA，采集同方向轉(zhuǎn)動No.1缸曲柄上死點(diǎn)后90度的位置，兩個(gè)信號同時(shí)送至Tacho Signal AmplifierA（TSA-A）。Angle encoder B采集同方向轉(zhuǎn)動No.1缸曲柄上死點(diǎn)后45度的位置，此信號送至Tacho Signal AmplifierB（TSA-B）；TSA-A和TSA-B放大處理后的信號送至2個(gè)ECU單元和各缸CCU單元。這樣就采集到了兩套完整的No.1缸曲柄角度信號，ECU（A和B）和CCU處理后就能給出各缸所需要的準(zhǔn)確的部件控制定時(shí)。（備注：ECU/CCU都為多功能控制器，硬件相同，加載了不同的軟件，控制功能與作用不用。）

3.動力伺服油

如圖2所示，主機(jī)系統(tǒng)滑油經(jīng)過6μm的濾器過濾，主機(jī)啟動前經(jīng)過2臺電動柱塞液壓油泵加壓或運(yùn)行期間經(jīng)過3臺機(jī)帶柱塞液壓油泵加壓，把3.0bar低壓系統(tǒng)滑油升壓至225bar以上，再經(jīng)過溢流閥、安全閥等元件穩(wěn)壓處理后，變成225bar穩(wěn)壓的動力伺服油，進(jìn)入各缸液壓控制單元，之后通過ECU（A和B）及各缸CCU單元控制各缸的電磁閥，使伺服油分別進(jìn)入各缸排氣閥的液壓單元進(jìn)行排氣閥開關(guān)控制、進(jìn)入各缸燃油升壓器的液壓單元進(jìn)行燃油升壓噴油，進(jìn)入各缸Alpha注油器的液壓單元，進(jìn)行氣缸油注油。

4.燃油噴油和排氣閥控制概念

如圖3所示的液壓單元，225bar動力伺服油進(jìn)入伺服油分配塊，經(jīng)過FIVA閥控制，按照柴油機(jī)的燃油噴油和排氣閥開關(guān)定時(shí)，一路流入燃油升壓器底部，驅(qū)動液壓活塞，液壓活塞再頂升燃油柱塞，進(jìn)行行程有效控制的燃油升壓噴油；另一路流入排氣閥執(zhí)行器驅(qū)動活塞底部，頂升排氣閥驅(qū)動活塞，通過液壓油推動排氣閥頂部液壓活塞，準(zhǔn)確控制排氣閥開關(guān)動作。還有一路進(jìn)入氣缸油注油器，作為氣缸油注油的動力伺服油。

燃油升壓器安裝有位移反饋傳感器，反饋液壓活塞上升的位移量，該信號送到CCU單元，CCU單元處理并發(fā)出信號，用來修正和確認(rèn)液壓活塞位置，即確保各缸噴油量是正確的。排氣閥上部也安裝有排氣閥閥桿位移反饋傳感器，用來確認(rèn)排氣閥是處于開或關(guān)的狀態(tài)。

5.FIVA閥的控制及動作原理

5.1FIVA閥結(jié)構(gòu)

如圖4所示，F(xiàn)IVA閥主要由引導(dǎo)閥、引導(dǎo)閥控制線圈（線圈由精密的電路板控制）、下端控制大活塞、上端兩個(gè)控制小活塞、主閥閥芯、反饋傳感器和閥體等組成。FIVA閥有三個(gè)功能，控制燃油定時(shí)噴油、隨著主機(jī)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)所需的噴油量和排氣閥定時(shí)開關(guān)。（圖4：P為伺服油主油路，F(xiàn)1通燃油升壓器驅(qū)動油缸，VA通排氣閥驅(qū)動油缸，L1下控制室節(jié)流泄放，L2上控制室節(jié)流泄放，T1燃油升壓器驅(qū)動油缸泄放，T2排氣閥執(zhí)行器油缸泄放，A伺服油經(jīng)引導(dǎo)閥進(jìn)入下控制室，T下控制室液壓油經(jīng)引導(dǎo)閥泄放。）

5.2引導(dǎo)閥

如圖5所示，引導(dǎo)閥是二位三通比例節(jié)流型換向電磁閥。ECU（A和B）單元控制各缸CCU單元，C C U單元給予引導(dǎo)閥電磁線圈4 ～ 2 0 m A的電流控制信號，CCU把4 ～ 2 0 m A分為3段控制信號（4～8mA＼8～12mA＼12～20mA），每段信號擔(dān)當(dāng)著不同的控制功能。引導(dǎo)閥芯上、下端的壓力差：下端為彈簧預(yù)緊力，上端為電磁線圈隨著控制電流（4～20mA）的大小，產(chǎn)生與之相對應(yīng)的電磁力，相者相比形成壓力差。該壓力差推動引導(dǎo)閥芯在內(nèi)孔上、下滑動而并使其處于某個(gè)相對穩(wěn)定在某個(gè)位置，使引導(dǎo)閥芯上的各圓周密封環(huán)面與P、A、T、B通道所組成的通道口的開度和方向發(fā)生變化（B通道無作用），使各圓周密封面讓P與A或A與T節(jié)流相通，準(zhǔn)確控制進(jìn)、出主閥下控制室的液流量和流向，即主閥下控制室的液壓油壓力大小得到準(zhǔn)確控制。

5.3主閥

如圖4所示，主閥閥芯上、下端的壓力差：上端始終承受著2個(gè)控制小活塞的推力，控制小活塞的頂端保持與伺服油主油路P相通，下端承受下控制室液壓油壓力，下控制室液壓油壓力發(fā)生變化，使得控制小活塞推力與控制大活塞推力相比產(chǎn)生壓力差。該壓力差推動主閥芯上、下滑動并相對穩(wěn)定在某個(gè)位置，在該位置上，主閥芯的各個(gè)圓周密封環(huán)面使得F1與T1、VA與T2相通或P與F1節(jié)流相通、VA與T2相通或P與VA節(jié)流相通、F1與T1相通，控制進(jìn)入或流出燃油升壓器驅(qū)動油缸和排氣閥執(zhí)行器油缸的液壓油流量和流向。這樣流經(jīng)引導(dǎo)閥的伺服油的流量和流向受到電流4～20mA的準(zhǔn)確控制，受控的伺服油再去控制FIVA閥主閥芯上下滑動和它所處的上下位置。主閥芯上下所處的位置又控制FIVA閥內(nèi)孔各通道液流量的大小和流向，使得進(jìn)入燃油升壓器和排氣閥執(zhí)行器伺服油的流量和方向得到控制，最終控制了燃油根據(jù)主機(jī)負(fù)荷大小而進(jìn)行相對定量的噴油量和排氣閥開關(guān)動作。CCU發(fā)送的4～20mA控制電流信號通過FIVA閥控制，讓主機(jī)處于3種狀態(tài)：非噴油、排氣閥關(guān)閥狀態(tài)；噴油、排氣閥關(guān)閉狀態(tài)；非噴油、排氣閥打開狀態(tài)。

5.4FIVA閥控制噴油和排氣閥開關(guān)過程

如圖4所示，在非噴油且排氣閥關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，CCU的輸出電流信號為8～12mA，預(yù)緊彈簧力大于電磁線圈產(chǎn)生的磁力，引導(dǎo)閥芯上移，引導(dǎo)閥芯密封環(huán)帶面讓A與T相通并形成節(jié)流口，釋放主閥下控制室液流，使主閥下控制室的油壓稍小于上控制室，主閥芯的兩端控制室形成平衡力，主閥閥芯處于中間位置，此時(shí)，如圖4所示，F(xiàn)1與T1相通、AV與T2相通，讓燃油升壓器驅(qū)動油缸和排氣閥執(zhí)行器油缸的伺服油回流至主油泵的吸口，并保持一定的背壓，確保燃油升壓器下行及排氣閥關(guān)閉過程的平穩(wěn)運(yùn)行，之后讓主機(jī)處于非噴油且排氣閥關(guān)閉狀態(tài)。

單缸噴油之前，該缸CCU給引導(dǎo)閥線圈發(fā)送大于12mA的電流信號，引導(dǎo)閥線圈產(chǎn)生的磁力增大，使引導(dǎo)閥閥芯成比例地向下移動，P口與A口節(jié)流相通，主閥下控制室流進(jìn)伺服油。隨著輸入電流增加，節(jié)流口開大，進(jìn)入主閥下控制室液流增大，腔室內(nèi)壓力增大，推動主閥閥芯向上移動。進(jìn)入下控制室伺服油的多少，成比例地移動主閥閥芯。主閥閥芯的位移量正比于輸入電流的大小。隨著主閥閥芯的移動，P口與F1相通，主油路P逐步接通燃油升壓器驅(qū)動油缸。伺服油進(jìn)入燃油升壓器驅(qū)動油缸，驅(qū)動燃油升壓器活塞動作，燃油柱塞上升開始泵油，燃油壓力上升，噴油器噴油。同時(shí)，T2與VA相通，接通排氣閥驅(qū)動油缸回油通道，確保排氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

主閥閥芯往上移動的位移量，即主閥閥芯P與F1通道口的大小決定進(jìn)驅(qū)動油缸伺服油流量的大小。該流量決定燃油升壓器活塞行程的長短，即噴油量的多少。因此，CCU的輸出電流大?。?2～20mA），最終控制噴油量的多少。

噴油結(jié)束，CCU的輸出電流回到8～12mA，引導(dǎo)閥芯換向并工作在上邊，A與T相通，引導(dǎo)閥芯節(jié)流口釋放下控制室的伺服油，室內(nèi)壓力下降，上控制室2個(gè)小活塞往下的推力大于下控制室活塞往上的推力，使主閥閥芯下移并回到中位，F(xiàn)1與T1相通，燃油升壓器驅(qū)動油缸內(nèi)的液壓油得到釋放，其驅(qū)動活塞下移，等待下次噴油過程。VA與T2相通，仍然確保排氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)。安裝在FIVA閥上端的位移反饋傳感器，準(zhǔn)確反饋主閥閥芯所處的位置，如其偏離中位，數(shù)據(jù)反饋到CCU，由CCU增、減輸出電流信號，適量改變引導(dǎo)閥芯位移及引導(dǎo)閥芯節(jié)流口的開度和方向，自動修正主閥閥芯的位置，確保主閥芯在中位。燃油噴射系統(tǒng)見圖6

單缸排氣閥需要打開時(shí)，該缸CCU的輸出電流進(jìn)一步減小到4mA，電磁線圈產(chǎn)生的磁力減小。引導(dǎo)閥閥芯在預(yù)緊彈簧力的作用下向上移動，A與T相通，節(jié)流口開大，主閥下控制室完全接通低壓系統(tǒng)，并快速卸壓，主閥閥芯快速向下移動并處于最低位置，P與VA完全接通，大量伺服油進(jìn)入排氣閥執(zhí)行器油缸。如圖7所示，排氣閥執(zhí)行器活塞快速上升，排氣閥驅(qū)動液壓油迅速進(jìn)入排氣閥頂部，驅(qū)動排氣閥液壓活塞向下移動，迫使排氣閥快速打開。排氣閥打開后，該缸CCU輸出的電流信號回升到8mA，A與T節(jié)流口的開度變小，主閥閥芯向上適量移動，使P與VA相通的節(jié)流口減小，形成節(jié)流，維持少量的伺服油進(jìn)入排氣閥驅(qū)動油缸，克服空氣彈簧的彈力，維持排氣閥開啟狀態(tài)。當(dāng)需要關(guān)閥時(shí)，該缸CCU輸出電流又回到8～12mA，主閥閥芯回到中位，VA與T2相通，F(xiàn)1與T1相通，維持排氣關(guān)閉和非噴油器狀態(tài)。排氣閥液壓系統(tǒng)見圖7.

5.5反饋傳感器

共3個(gè)反饋傳感器，反饋FIVA閥主閥芯所處位置、燃油升壓器燃油柱塞所處位置、排氣閥所處位置，準(zhǔn)確反饋給各缸CCU，讓CCU進(jìn)行邏輯判斷，之后向引導(dǎo)閥線圈發(fā)出修正電流信號，讓燃油柱塞、主閥芯，排氣閥處于控制要求的正確位置。

6.結(jié)束語

ME型智能柴油機(jī)采用了大量的電子設(shè)備、軟件技術(shù)和液壓油技術(shù)，并成為其重要的組成部分，如果輪機(jī)員不懂電氣技術(shù)，將難以勝任，特別當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，如果看不懂電路圖，就很難判斷出是電控系統(tǒng)問題還是其它機(jī)械故障，所以輪機(jī)人員加強(qiáng)電氣知識學(xué)習(xí)，參與電氣管理，轉(zhuǎn)變故障分析思路是非常迫切的。