試論船用共軌柴油機控制方法

強曉春

（中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214400）

傳統(tǒng)的船用共軌柴油機的功能較為落后，其性能逐漸無法與時代發(fā)展相匹配，自動化和智能化技術(shù)的出現(xiàn)，為船用共軌柴油機的發(fā)展提供了可行的路徑，基于此，現(xiàn)代船用共軌柴油機實現(xiàn)了自動化和智能化的轉(zhuǎn)變。與此同時，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)和控制方法已經(jīng)無法適用于現(xiàn)代的船用共軌柴油機，因此，對船用共軌柴油機控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，強化控制效果，具有十分重要的意義。

1 船用共軌柴油機的發(fā)展及控制系統(tǒng)優(yōu)化的必要性

傳統(tǒng)的船用共軌柴油機主要為低速二沖程柴油機，例如，RTA、MC 系列的柴油機，其控制系統(tǒng)為機械凸輪系統(tǒng)，會實現(xiàn)以下方面的功能：一是啟動空氣定時；二是噴油定時；三是排氣閥啟動關(guān)閉定時，如果僅實現(xiàn)上述幾方面功能，那么使用機械凸輪系統(tǒng)即可。該系統(tǒng)的控制能力十分優(yōu)越，其穩(wěn)定性也非常具有保障。

但伴隨著時代的不斷發(fā)展，船舶發(fā)展速度日益提升，傳統(tǒng)的柴油機功能已經(jīng)無法與船舶發(fā)展速度相匹配，對共軌柴油機功能實現(xiàn)提出了更高的要求，柴油機控制系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)常規(guī)功能，還要實現(xiàn)監(jiān)測功能、均勻分配各缸負荷功能、避免熱負荷過高、故障預測預警及防范等功能。此外，還要對污染排放進行有效的控制，并提高排放的可控性、靈活性和改進可能性，以此確保柴油機排放與要求相契合?？梢哉f，在船舶發(fā)展的大背景下，傳統(tǒng)船用共軌柴油機的控制系統(tǒng)和

控制方法已經(jīng)不再適用，需要對其進行優(yōu)化和改造，促使其控制效果得到穩(wěn)步提升，充分發(fā)揮出柴油機的性能，只有這樣，才能在確保柴油機運行效果的基礎(chǔ)上，節(jié)省資源，并降低污染排放量。

雖然船舶為了實現(xiàn)對主機轉(zhuǎn)速的控制，促使系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動化發(fā)展，采用一定的方法，如電子調(diào)速器的應用，但是事實結(jié)果表明，在船舶中應用電子調(diào)速器的效果極為有限，究其原因，主要是在傳統(tǒng)凸輪控制的共軌柴油機中，調(diào)速器無法對噴油量進行直接的控制，而控制噴油量的方法為拉動高壓油泵的齒條，從而實現(xiàn)對噴油量的間接控制，要想在這種控制系統(tǒng)中保證電氣調(diào)速器的應用效果，就要對電子調(diào)控器的信號進行轉(zhuǎn)化，只要將電氣進行轉(zhuǎn)換作用于執(zhí)行機構(gòu)，然后，由執(zhí)行機構(gòu)拉動齒條，才能對柴油機噴油量進行控制，但這種方式與傳統(tǒng)的機械-液壓站式調(diào)速器相比，不僅控制效果沒有得到優(yōu)化，且需要耗費大量的成本，由此可以看出，傳統(tǒng)船用共軌柴油機的控制系統(tǒng)，已經(jīng)無法與船舶和柴油機的發(fā)展相匹配，需要對其進行優(yōu)化和創(chuàng)新，以充分發(fā)揮系統(tǒng)控制的作用。

2 WECS 控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的對比

目前，瓦錫蘭公司所采用的柴油機控制系統(tǒng)為WECS，該系統(tǒng)與柴油機控制系統(tǒng)相比，應用了大量的計算機和網(wǎng)絡通信技術(shù)，大大提升了對柴油機的控制效果。

該系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在著明顯的不同，該系統(tǒng)可以被直接安裝于柴油機之中，需要面對較為惡劣的工作環(huán)境，對系統(tǒng)防水、防高溫和抗腐蝕等性能提出了更高的要求。同時，該系統(tǒng)還對維護管理提出了要求，必須要確保維修和管理的便捷性，以此縮減停機的時間。基于此，該系統(tǒng)在設計過程中，需要在考慮系統(tǒng)控制功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的可靠性和可維護性進行保證。瓦錫蘭公司為解決這一問題，與世界著名的電子控制系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)倫索公司進行合作，并在WECS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研發(fā)出了該系統(tǒng)的升級版本W(wǎng)ECS-9500，實踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)的控制效果和穩(wěn)定性與設計要求基本吻合。該系統(tǒng)由以下部分組成：一是電子部件COMEU；二是氣缸電子部件CYL-EU。其中電子部件COM-EU 屬于公用的電子部件，柴油機都會配備一套，其控制功能實現(xiàn)的側(cè)重點為對整臺柴油機進行控制，同時完成與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換工作。而氣缸電子部件為每個氣缸配置一套，能夠?qū)飧走M行管理和控制。這種層次結(jié)構(gòu)分明的控制系統(tǒng)，具有十分清晰的概念，便于系統(tǒng)的維護和調(diào)試，便于故障定位和經(jīng)驗積累。但依然存在一些不足，需要對其進一步的優(yōu)化和完善。

在總結(jié)研發(fā)經(jīng)驗之后，瓦錫蘭公司隨即研發(fā)出了柴油機控制系統(tǒng)WECS-9520，該系統(tǒng)與9500 系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)組成發(fā)生了變化，單一類型的電子模塊成為了其主要組成部分，柴油機的每一個氣缸都配備一個FCM-20 電子模塊，該模塊安裝的位置是E95.x 控制箱中，簡而言之，就是電子模塊和控制箱是一體的。

FCM-20 模塊具有控制和檢測功能，在繼承了9500 控制系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，對其控制功能進行了優(yōu)化和完善。具體表現(xiàn)在以下方面：第一，實現(xiàn)對燃油軌、伺服油軌的壓力調(diào)節(jié)和檢測功能；第二，對液壓油泵進行控制；第三，數(shù)據(jù)儲存和處理功能。例如，與IMO 存在聯(lián)系的參數(shù)、與柴油機控制有關(guān)的參數(shù)設定。第四，內(nèi)部自檢功能，例如，電源情況、軟件和硬件的檢測。第五，控制變量計算和處理。例如：噴油定時、氣閥開啟關(guān)閉定時的調(diào)節(jié)。第六，系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信；第七故障顯示。

除了上述功能實現(xiàn)以外，9520 控制系統(tǒng)的還能實現(xiàn)并優(yōu)化9500 控制系統(tǒng)中，氣缸電子部件的全部功能。具體表現(xiàn)為以下方面：第一，將有關(guān)數(shù)據(jù)、參數(shù)和指令作為依據(jù)，對柴油機進行充分的控制；第二，保證電磁閥定時控制與曲柄角保持相同的狀態(tài)，每個電子模塊都會利用系統(tǒng)總線，對曲柄角的角度信號進行采集，并以此為依據(jù)，計算柴油機各氣缸的速度及其他數(shù)據(jù)。

此外，WECS-9520 系統(tǒng)的功能還體現(xiàn)在軟件下載方面，在氣缸電子控制模塊出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動更換預先下載好的備用電子模塊，以此節(jié)省故障檢測和修復時間，電子模塊更換完成后，系統(tǒng)會為模塊提供運行數(shù)據(jù)。

總而言之，瓦錫蘭公司研發(fā)的船用共享柴油機控制系統(tǒng)WECS-9520 與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，其控制性能極為優(yōu)越，不僅簡化了數(shù)據(jù)通信的線路，并對傳統(tǒng)電子模塊進行了優(yōu)化設計，大大提升了系統(tǒng)維護的便捷性，減少了停機維修故障的時間。

3 噴油單元的控制原理

噴油單元是船用共軌柴油機的重要組成部分之一，其結(jié)構(gòu)十分復雜，每個氣缸都會存有3 個噴油頭，并且每個噴油頭由對應的氣閥進行控制，而每個氣閥則由電磁閥進行控制，究其原因，主要是9520 系統(tǒng)中的控制模塊，會利用電信號對電磁閥進行控制，繼而實現(xiàn)對噴油單元噴油量的有效控制。一般情況下，F(xiàn)CM-20 柔性控制模塊，可以對三個油頭的噴油量進行控制，并且還可以利用活塞檢測的方式，對沖程噴油量進行檢測計算，如果負荷較低，也可以適當減少工作油頭的數(shù)量。

由柔性控制模塊控制的電磁閥，也可以被稱之為油軌閥，動作速度快是其最大的特點，在通電后，線圈的中的電流會立即增大，由于電磁閥存在一定的熱負荷，線圈通電的時間不宜超過4 毫秒，因此，控制系統(tǒng)發(fā)出的信號最好為小于4毫秒的脈沖信號。并且，控制平臺還要對線圈的通電時間進行限制，究其原因，主要是雙控電磁閥尚不具備自主復位功能，導通和關(guān)閉閥是電磁閥線圈的主要功能，在系統(tǒng)更新的情況下，其通斷位置是不確定的，為確保安全，在停機的情況下，控制模塊會向全部的電磁閥發(fā)出關(guān)閉信號的命令。

傳統(tǒng)的船用共軌柴油機控制系統(tǒng)存在一個固有的弊端，具體表現(xiàn)為：一個氣缸在噴油過程中，很容易導致燃油軌的油壓出現(xiàn)波動，在壓力波傳動的過程中，則會對其他氣缸的噴油壓力和噴油量產(chǎn)生影響，并且這種影響具有相互性的特點，如果壓力過大，甚至會造成嚴重的后果。因此，將油量活塞裝置應用于船用共軌柴油機之中，則可以有效地解決這一問題。一方面，油量活塞裝置可以將噴油進行存儲，噴油時只能調(diào)動少部分的油，有利于確保油壓始終保持在平衡的狀態(tài)；另一方面，油量活塞裝置可以為控制系統(tǒng)提供噴油量的數(shù)據(jù)和信號，系統(tǒng)可以根據(jù)反饋信號，做出相應的調(diào)整。

4 結(jié)語

綜上所述，與傳統(tǒng)的柴油機控制系統(tǒng)相比，電控柴油機控制系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢，電控柴油機系統(tǒng)也是船用共軌柴油機未來發(fā)展的必然趨勢，其優(yōu)越的性能，會被船舶行業(yè)所重視，電控系統(tǒng)也會逐漸取代傳統(tǒng)的柴油機成為主流機型。柴油機的發(fā)展關(guān)鍵點在于硬件和軟件方面的優(yōu)化程度，目前，WECS 控制系統(tǒng)是主要的柴油控制系統(tǒng)，實踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)的控制效果十分顯著，應用價值非常高。