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1、第十四章 船用柴油机灵能限制系统随着智能限制在陆上工业各领域广泛应用和成熟，船上限制系统也发生变更，最先引入智能限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年头未，引入船舶主机，形成了智能型柴油机概念。由于人们对船舶牢靠性、经济性和废气排放限制的日益关注，90年头各大船舶主机制造商相继在试验室开展了智能柴油机探讨，1993年MAN B&W公司研制出试验机，在试验室中运转。1998年首台智能型柴油机安装在挪威的Bow Cecil轮上。2000年11月运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限制的ME系列柴油机。而瑞士W
2、artsila公司在1998年首先推出了共轨式全电子限制的智能型柴油机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限制，甚称柴油机的第三次革命。本章先重点介绍智能型柴油机限制系统的基本结构和工作原理，然后介绍Sulzer RT-flex型智能柴油机限制系统和MAN B&W ME系列智能型柴油机限制系统。第一节船用柴油机灵能限制基本原理一、概述 智能限制引入船舶主机限制系统是从智能调速器起先的，它把船舶主机现时的排烟中的含氧量、温度、增压器的压力、转速等信号都引入限制系统，依据现时主机的给定转速与实际转速的偏差大小，再综合
3、现时的排烟温度、增压器的压力、含氧量等来确定燃油量，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许多，不仅与增压器压力的大小，输入簇新空气量的大小有关，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，才能提高船舶主机牢靠性、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
4、）、可逆（倒车）伺服马达（reversing servomotor）、燃油连接（fuel linkage）、起动空气安排器（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，采纳液压限制气阀启、闭操作，容积喷射限制单元（Volumetric InjectionControl Unit）限制燃油的流量和喷射时间；燃油供应单元（fuel supply unit）取代原有的燃油泵来供应高压燃油，由液压伺服油泵供应动力液压油，RT-flex型智能柴油机结构示意图，如图14-1-1所示。 图14-1-1
5、 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纳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，才能实现高牢靠性、经济性和高效减排的目的，通过几十年的探讨，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限制共轨技术系统。从图14-1-2中可以望见，该系统取消了凸轮轴装置对其喷油和排气限制，取而代之的是WECS 9500限制系统，它给各缸的气缸限制单元（CCU）发送燃油喷射限制信号，气缸的限制单元，依据这个指令和本缸气缸的活塞位置等来限制燃油喷射量、喷射时间、喷
6、射方式（一次性喷射，脉冲性喷射）以及喷射油头的个数。排气阀的限制是由WECS9500限制系统发出指令给各缸限制单元（CCU），CCU就依据指令给本缸的排气限制电磁阀通电，限制高压伺服油，去驱动排气阀使之排气；而柴油机的起动也是由WECS9500限制系统依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纳电动限制电磁阀。 图14-1-2 SulzerRT-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纳的压力不同而已。象瑞士W
7、artsila公司的Sulzer RT-flex机型是采纳1000 bar高压燃油压力，而MAN B&W的ME系列是采纳7-8bar低压燃油压力，它需进行二次增压后才能喷射。三、智能型柴油机限制系统的组成和主要功能 1智能型柴油机限制系统组成要实现柴油机高效率和降低废气排放量，采纳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。运用电的限制手段，才能做到敏捷多变，适应不同柴油机的工况要求。船舶柴油机的智能限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限制模式、燃油经济性模式、主机运行爱护模式、应急停/倒车的最优化等模式组成。智能限制系统可依据船舶航行的实际状况，
8、由驾驶台或自身限制系统选择对应所需的运行模式。 （2）主机限制系统它主要由气缸喷射油量的限制、燃油泵的限制、气缸的压力测量与分析、最大功率Pmax的限制、排气阀的限制、压缩压力的限制、增压系统的限制等单元组成，它限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，并通过计算机限制，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灵能管理等单元组成。综上所述，智能型柴油机限制系统的组成可用拓扑图表示，如图14-1-3所示。 图14-1-3 智能型柴油机限制系统的组成示意图 2智能型柴油机
9、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（依据最佳的工作模式，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、排气阀系统等进行限制，这就要求检测信号的传感器反应快，牢靠性高，计算机运行速度快，各系统的执行机构动作快、灵敏和牢靠。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，预料出检修、更换备件的时辰表，同时，还能对备件进行管理，少件或缺件自动形
10、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。最终，由于检测参数多，执行机构也多，用单台计算机处理限制无法满意适时性，要采纳分散式限制方案，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，正如每个气缸的限制处理单元（CCU）与主限制处理器（MCU）是通过网络总线来联系的。智能柴油机的限制系统结构示意图如图14-1-4所示，图14-1-5是智能柴油机的限制系统方框图。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），柴油机由两个主机限制单元（EU）限制，它们之间也是互为备用，一个单元在运
11、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，主机限制器（EU）接收到该车令后依据传感器（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限制器（CU），对本缸的燃油喷射限制、排气阀限制、起动阀限制、特定气缸的气缸注油器限制等。图14-1-4 智能柴油机的限制系统结构示意图图14-1-5 智能柴油机的限制系统方框图开发智能型柴油机的公司许多，主要有：美国卡特彼勒（HEUI系统），德国（博世）Rebert Boseh公司，意大利（菲亚特）Fiat集团（Unijet系统），日本电装公司（EC
12、D-UZ系统），英国Loucas公司（diesel system）及大型低速柴油机供应商Wartsila公司（RT-flex系统）和MAN B&W公司（ME系统）低速柴油机。我国船上所采纳的比较典型的是Wartsila公司的RT-flex系统和MAN B&W公司的ME系统，后面两节将对这两个系统分别作介绍。由于各公司进行技术保密，只能对其方框结构介绍，无法做到元器件的介绍，但作为管理维护人员来讲，知道其信息的流程关系，以及各现场传感器、执行器的作用，一旦这些单元发生故障，能够解除这些故障。其次节RT-flex柴油机灵能限制系统一、WECS-9500限制系统Wartsila公司的RT-flex型
13、智能柴油机限制系统的核心单元是WECS-9500，它的结构原理框图，如图14-2-1所示。由图14-2-1可见，它主要由主限制器（COM-EU）和各气缸的限制单元（CYL-EU）等组成。主限制器（COM-EU）接收外界的信号，如主机遥控系统，调速器，安保系统，人机界面，限制油系统，燃油系统，液压伺服系统等信号，然后进行程序处理，把处理的结果送到各气缸限制器（CCU）,由其再去限制燃油系统的执行器、液压伺服系统的执行器等进行相应调整，使柴油机完成相应功能，达到最佳运行状态。WECS-9500限制系统不仅取代了传统柴油机上凸轮轴相关的机械零部件的功能，而且能对燃油喷射、排气阀动作、柴油机的起动、换
14、向、停车和气缸润滑等功能的全电子化敏捷限制。通过对相关参数的设定和修改，可调整主机的运行状态和性能参数，实现柴油机最佳性能。此外，还可对主机的运行状况进行实时监测，并与船上的其它限制系统、报警系统连接，将主机的运行状况干脆送到各系统，各系统可干脆采纳该信号进行综合处理。可见，它主要的作用是对Common Rail的燃油压力、伺服油压力进行限制以及主机、气缸相关的功能管理，其中包括对主机的状态检测、参数的调整、限制气缸的喷油时间、喷油量、排气时间，使主机处于最佳工作状态，另外，还负责对外界系统的通信。图14-2-1 WECS-9500限制系统1WECS-9500限制系统各功能单元的作用()公共电
15、子限制单元（COM-EU）它包括两个主限制模块MCM，它们互为备用，一个MCM工作，另一个处于热备用状态，由外部的选择开关发信号给选择模块ASM，ASM模块依据选择开关的信号确定哪个模块处于工作，哪个处于热备用。MCM的主要作用是对Common Rail中的油压限制、主起动阀的限制以及与其它系统通信，并对主机内部信号进行检测和传输。（2）气缸电子限制单元（CYL-EU）每个气缸都装配一个气缸电子限制单元（CEU），它安装在Common Rail平台的下部，它供应对气缸的起动空气阀的启、闭进行限制，燃油喷射、废（排）气阀的启、闭在时间和数量上进行限制，即VIT VEO VEC等功能限制。（3）曲
16、柄轴角度传感器（Crank Angle Sensor）它用于精确测量曲柄轴位置，该信号送到CEU，从而推算出气缸的活塞位置，便于对气缸的喷油和排气的时间限制。（4）各缸执行器的传感器用于检测各电磁阀，液压伺服油缸的工作状态。（5）WECS的协助限制单元（WECS assistant）它安装在集控室，由一台计算机和一台MAPEX-CR的限制装置组成。这套装置作用是：显示主机的状态及报警信息，例如每个气缸的燃油、排气、延时时间，每个气缸活塞速度等状态信息显示，以及各传感器测量值、参数设定值和动态曲线显示。对各运行参数越限进行报警显示。对主机的一些参数进行设定。参数设定可分为两组，一组为操作人员，无需密码进入设定，例如，最大油耗限制、磨合模式、修改VIT 、FQS等的参数，变更喷油的起始角度，排气阀的关闭角度等；另一组为专家，需
