吳亞飛，李漢潤，袁 信，鄧健星，湯卓鑫

（玉柴船舶動(dòng)力股份有限公司，珠海 519100）

1 引言

作為引進(jìn)專利產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)，需要對專利產(chǎn)品中采用的先進(jìn)技術(shù)和關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)原理及控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，提高對專利產(chǎn)品的認(rèn)識和設(shè)計(jì)理念的理解，更好的生產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的產(chǎn)品，對提高售后服務(wù)技術(shù)水平具有必要和迫切的現(xiàn)實(shí)意義。瓦錫蘭低速柴油機(jī)進(jìn)油控制電控高壓共軌高壓泵采用了目前行業(yè)最前沿的電控高壓共軌控制技術(shù)，因此對其零部件結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方式進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和研究是很有必要的。

2 RT-flex和W-X柴油機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)簡介

瓦錫蘭電控RT-flex和W-X柴油機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)已有四代產(chǎn)品：第一代為液壓驅(qū)動(dòng)、電子控制，即采用液壓驅(qū)動(dòng)噴油泵帶電子執(zhí)行調(diào)速器；第二代在第一代基礎(chǔ)上增加排氣閥電子控制；第三代發(fā)展為電控共軌系統(tǒng)。

先期的電控共軌產(chǎn)品采用WECS-9520控制系統(tǒng)，容積式噴油控制器（ICU），高壓泵采用齒輪齒條通過電子調(diào)速器控制，噴油器采用克服彈簧預(yù)緊力開啟的傳統(tǒng)噴油器，其產(chǎn)品配套瓦錫蘭RT-flex柴油機(jī)，圖1所示為瓦錫蘭高壓共軌燃油系統(tǒng)三代產(chǎn)品。

圖1 瓦錫蘭高壓共軌燃油系統(tǒng)三代產(chǎn)品

高壓共軌系統(tǒng)在現(xiàn)代船舶低速二沖程柴油機(jī)中處于技術(shù)領(lǐng)先水平。其在船舶柴油機(jī)上用電子控制取代常規(guī)的機(jī)械控制，用共軌系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的燃油噴射系統(tǒng)和氣閥運(yùn)行系統(tǒng)，改善了柴油機(jī)部分負(fù)荷性能，降低了燃油消耗，特別是NOx排放，簡化了機(jī)械機(jī)構(gòu)，提高了柴油機(jī)的可靠性。

為了進(jìn)一步提高電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)控制的靈活性和控制精度，降低柴油機(jī)排放及燃油消耗，瓦錫蘭在其最新W-X機(jī)型上，采用了與其中速柴油機(jī)基本相同、在各高速柴油機(jī)上普遍使用的電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，為其電控低速二沖程船用柴油機(jī)燃油系統(tǒng)第四代產(chǎn)品。其控制系統(tǒng)由RT-flex機(jī)的WECS-9520改為UNIC，去掉容積式噴油控制器（ICU），采用電磁閥液力控制噴油器；去掉帶電子調(diào)速器的高壓油泵，采用無調(diào)節(jié)齒桿的進(jìn)油節(jié)流控制高壓泵。圖2所示為W-X機(jī)型燃油部分控制原理簡圖。其高壓油泵帶有進(jìn)油節(jié)流控制的油量計(jì)量單元，高壓共軌上帶有進(jìn)油單向閥、出油限流閥、壓力泄放控制閥、壓力傳感器等零部件，噴油器為電磁閥液力控制。

圖2 W-X機(jī)型燃油部分控制原理簡圖

3 高壓共軌高壓泵結(jié)構(gòu)原理

3.1 高壓共軌高壓泵供油量控制

前面已經(jīng)提到，電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的高壓泵壓入共軌管的油量由控制器控制高壓泵上的油量控制裝置進(jìn)行。油量控制裝置主要有控制燃油進(jìn)入量的油量計(jì)量單元（FMU）和使多余的高壓油泄放的油壓控制閥（PCV），也有個(gè)別高壓泵采用變排量壓力控制閥，另個(gè)別高壓泵采用油量計(jì)量單元和油壓控制閥二者的組合?？刂瓢磳?shí)際需要和實(shí)測反饋的共軌壓力通過一定的邏輯關(guān)系計(jì)算，通過控制電磁閥脈沖電流大小來控制油量控制裝置的進(jìn)或泄流量開度大小，從而控制進(jìn)或泄流量大小。在瓦錫蘭新的W-X機(jī)型上，使用帶進(jìn)油控制的油量計(jì)量單元通過控制燃油的進(jìn)油量來控制高壓泵的供油量。

3.2 高壓共軌高壓泵結(jié)構(gòu)原理

燃油由高壓泵供給共軌管，通過高壓油管到達(dá)電磁液力控制噴油器，噴油器的噴油由UNIC系統(tǒng)控制，共軌壓力由UNIC系統(tǒng)與共軌管上安裝的共軌壓力傳感器、高壓泵上進(jìn)油控制油量計(jì)量單元相連接，經(jīng)過相關(guān)的邏輯計(jì)算，通過控制高壓泵的進(jìn)油量控制。

目前配套W-X35和W-X40兩種機(jī)型的電控高壓共軌噴油系統(tǒng)零部件組成完全一樣。高壓泵由德國Lˊorange公司生產(chǎn)，外觀圖見圖3。

圖3 高壓泵的外觀圖

高壓泵為四缸直列泵，主體由泵體和泵蓋組成，泵體分上、下兩個(gè)主腔室：下腔室裝有柱塞墊板、挺柱體部件（包括挺柱體、內(nèi)滾輪、外滾輪、滾輪銷等）、凸輪軸﹑圓錐滾子軸承、中間軸承等零部件，底部用2個(gè)封蓋封??；上腔室裝有柱塞偶件、柱塞彈簧（每缸2個(gè)）、彈簧座等零部件。泵上、下兩個(gè)主腔室之間裝配有柱塞導(dǎo)套，并隔離密封上、下兩個(gè)主腔室。柱塞偶件頂部和泵蓋之間為出油閥。

高壓泵的供油過程如下：柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)高壓泵凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其傳動(dòng)比為539：39，凸輪每旋轉(zhuǎn)一圈柱塞上升和下降1次，柱塞彈簧力使柱塞與挺柱體部件、挺柱體部件與凸輪表面始終接觸，凸輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)柱塞上升和下降，當(dāng)柱塞下降至頂面低于柱塞套上油孔時(shí)，燃油進(jìn)入柱塞偶件腔中。當(dāng)柱塞上升至頂面高于柱塞套上油孔時(shí)，柱塞偶件與出油閥之間形成燃油加壓腔，當(dāng)壓力上升到一定值時(shí)，出油閥出油口打開，高壓燃油經(jīng)出油口供給燃油軌。

高壓泵的潤滑采用柴油機(jī)軸承油強(qiáng)制進(jìn)行，潤滑油由泵體下腔挺柱體上部位置進(jìn)入，部分油通過挺柱體與泵體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向面與挺柱體側(cè)內(nèi)部油孔進(jìn)入滾輪內(nèi)圈，泵體下腔中充滿油，潤滑圓錐滾子軸承和中間軸承及凸輪表面和滾輪外圈，多余的潤滑油通過柱塞導(dǎo)套經(jīng)柱塞導(dǎo)套出油孔返回到柴油機(jī)軸承油箱。

與RT-flex機(jī)型用高壓泵比較，W-X機(jī)高壓泵柱塞偶件沒有油量控制棱邊，沒有油量控制齒桿，沒有控制高壓泵齒桿的執(zhí)行器。高壓泵供給共軌管的供油量，通過UNIC控制系統(tǒng)控制高壓泵的進(jìn)油計(jì)量單元完成。

3.3 高壓共軌高壓泵進(jìn)油控制結(jié)構(gòu)原理分析

采用進(jìn)油控制的高壓泵，其進(jìn)油都是用油量計(jì)量單元通過控制器控制的，瓦錫蘭W－X35和W－X40機(jī)上高壓泵所帶油量計(jì)量單元結(jié)構(gòu)如圖4，其工作原理見圖5。

圖4 油量計(jì)量單元結(jié)構(gòu)

圖5 油量計(jì)量單元工作原理

油量計(jì)量單元安裝在高壓泵的進(jìn)油位置，用于調(diào)整燃油供給量以調(diào)整和穩(wěn)定燃油軌中燃油壓力值，其調(diào)整受控制器控制。油量計(jì)量單元有常開和常閉兩種模式：對于常開模式，油量計(jì)量單元在控制線圈沒有通電時(shí)，其帶有控制縫隙的柱塞10處于上方位置，柱塞上的燃油流通截面對應(yīng)于輸油泵來的進(jìn)油口開度最大，可以向高壓泵柱塞腔提供最大流量的燃油。控制器通過脈沖信號控制油量計(jì)量單元內(nèi)的線圈，通過鐵心桿克服彈簧11的彈力，使帶有控制縫隙的柱塞10的上下位置發(fā)生變化，從而改變高壓泵進(jìn)油截面積來增大或減小油量；對于常閉模式，油量計(jì)量單元在控制線圈沒有通電時(shí)，進(jìn)油截面積處于完全關(guān)閉位置。瓦錫蘭W-X35和40機(jī)上高壓泵所帶油量計(jì)量單元為常開模式。

4 高壓共軌燃油系統(tǒng)軌壓控制分析

4.1 柴油機(jī)對共軌壓力的要求

凸輪驅(qū)動(dòng)非高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的共同特點(diǎn)，是噴油器的噴油規(guī)律是柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、凸輪形狀、柱塞直徑、出油閥直徑、高壓油管長度和內(nèi)徑及噴油嘴等一系列參數(shù)的函數(shù)，其噴油壓力不可能實(shí)現(xiàn)自由地控制。所以柴油機(jī)在低速時(shí)，由于轉(zhuǎn)速低，噴油泵的噴油壓力低，使噴油器在整個(gè)噴油期間壓力低、速度慢、噴油轉(zhuǎn)角大、霧化不良，導(dǎo)致柴油機(jī)在低速時(shí)燃燒不好，排放多、煙度大；蓄壓式，也就是機(jī)械共軌，其噴油器的噴油雖然也與燃油泵結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速無關(guān)，但其噴油泵噴油需要的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置一般還是凸輪，結(jié)果與以凸輪驅(qū)動(dòng)噴油泵差不多，即使是高壓蓄壓，受機(jī)械材料工藝水平及控制的限制，其軌壓也只能是比噴油器啟開壓力稍高一些，不能太高，且壓力難于改變，整體柴油機(jī)性能變化不大；其他所有非共軌的電控燃油噴射系統(tǒng)，由于基本脫離不了凸輪驅(qū)動(dòng)和壓力沒有獨(dú)立控制，也無法達(dá)到自由控制噴油壓力的目標(biāo)。所以，只有電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)除實(shí)現(xiàn)了自由調(diào)節(jié)噴油量、自由調(diào)節(jié)噴油率形狀和自由調(diào)節(jié)噴油時(shí)間外，還可實(shí)現(xiàn)自由調(diào)節(jié)噴油壓力。

柴油機(jī)對共軌壓力的要求可歸納為：能夠達(dá)到一定高的壓力，要求壓力不改變時(shí)穩(wěn)定，要求壓力改變時(shí)反應(yīng)迅速，變化期間壓力波動(dòng)小、波動(dòng)時(shí)間短，壓力隨柴油機(jī)工況的變化可任意變化、控制可靠等。

從柴油機(jī)排放的要求和電控高壓共軌燃油系統(tǒng)的發(fā)展來看，共軌壓力仍處于逐漸上升的趨勢，目前應(yīng)用于產(chǎn)品的高壓泵軌壓有的已超過250 MPa。共軌壓力的提高，對整個(gè)燃油系高壓部分零部件的材料及熱處理、加工設(shè)備工藝及精度、裝配工藝及質(zhì)量、試驗(yàn)方法手段和測試儀器裝置、壓力的控制等方面帶來更高的要求和考驗(yàn)。除需要應(yīng)用先進(jìn)的控制邏輯和算法外，還需要各傳感器、控制器和執(zhí)行器及零部件具有高的精度、靈敏度和可靠性。

4.2 軌壓控制邏輯簡介

對進(jìn)油節(jié)流控制的高壓泵而言，其軌壓控制按實(shí)際需要和實(shí)測反饋的共軌壓力通過一定的邏輯關(guān)系計(jì)算后，控制器輸出信號控制高壓泵的油量計(jì)量單元進(jìn)行。

燃油的高壓噴射一方面可以改善柴油機(jī)的燃燒，提高柴油機(jī)的指示熱效率，降低排放。但另一方面，建立高的燃油噴射壓力，也要消耗柴油機(jī)的輸出功率，因此柴油機(jī)最佳噴油壓力的設(shè)立，要兼顧柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性，根據(jù)其不同工況點(diǎn)的特性進(jìn)行優(yōu)化確定。最佳噴油壓力應(yīng)是柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的二元函數(shù)，按不同的排放要求所需控制的精度不同，還需進(jìn)行燃油溫度、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度和冷卻水溫度等補(bǔ)償，各產(chǎn)品機(jī)型柴油機(jī)不同工況下的目標(biāo)噴油壓力是通過柴油機(jī)在試驗(yàn)臺架上進(jìn)行性能試驗(yàn)、型式試驗(yàn)和與其配套產(chǎn)品的可靠性、耐久試驗(yàn)中，通過大量的匹配標(biāo)定試驗(yàn)確定的。

噴油壓力由控制器控制?？刂破饕M(jìn)行兩級計(jì)算：第一級是由各種傳感器信號確定目標(biāo)噴射壓力；第二級是為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)噴射壓力計(jì)算控制閥的脈沖寬度或脈沖電流大小，目標(biāo)噴射壓力由基本的目標(biāo)噴油壓力來確定，基本的目標(biāo)噴油壓力由柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷確定，再進(jìn)行燃油溫度、冷卻水溫、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度等的補(bǔ)償。根據(jù)目標(biāo)噴射壓力和共軌壓力傳感器所測得的共軌內(nèi)實(shí)際噴油壓力的差值，應(yīng)用PID或模糊PID的校正再加上基本的控制閥脈沖寬度或脈沖電流大小，得到最后的控制閥脈沖寬度或脈沖電流大小，最后經(jīng)過控制控制閥脈沖寬度或脈沖電流大小，油量計(jì)量單元按此開度控制進(jìn)入高壓泵的燃油量，起到控制軌壓的目的。

除正常工況外，柴油機(jī)在起動(dòng)、怠速等各不同特殊工況有不同的特殊控制邏輯，以滿足柴油機(jī)使用要求。

在此需要特別強(qiáng)調(diào)的是， RT-flex機(jī)和W-X機(jī)應(yīng)用的伺服油軌壓力的控制方法與燃油軌高壓壓力控制方法完全不同。伺服油與高壓燃油相比壓力不需要經(jīng)常變化，壓力相對較低，所用控制方法為在伺服油泵內(nèi)設(shè)一壓力控制比例閥，由控制器設(shè)定目標(biāo)壓力值，伺服油泵通過比例閥作用內(nèi)部自動(dòng)調(diào)整到油軌的供油量，達(dá)到目標(biāo)壓力值。伺服油軌上所裝壓力傳感器為監(jiān)測伺服油軌壓力用，與伺服油軌壓力控制無關(guān)。

4.3 瓦錫蘭W-X35機(jī)目標(biāo)噴油壓力

根據(jù)瓦錫蘭W-X35調(diào)試規(guī)范，其目標(biāo)噴油壓力（目標(biāo)軌壓）為柴油機(jī)負(fù)荷百分?jǐn)?shù)的函數(shù)，即為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的函數(shù)。對W－X35和W－X40機(jī)，目前的排放要求為滿足IMO TierⅡ標(biāo)準(zhǔn)，軌壓沒有進(jìn)行其它影響因素的補(bǔ)償。

5 結(jié)論

縱觀柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的發(fā)展歷史．由機(jī)械式發(fā)展到電控式，現(xiàn)在公認(rèn)為唯一能夠滿足現(xiàn)代柴油機(jī)對燃油系統(tǒng)理想要求的是電控共軌式燃油系統(tǒng)產(chǎn)品。通過此次瓦錫蘭低速柴油機(jī)用進(jìn)油控制電控高壓共軌高壓泵的研究，對電控共軌式燃油系統(tǒng)中重要零部件高壓燃油泵結(jié)構(gòu)和燃油系控制原理有了深刻的了解，同時(shí)對今后研究電控共軌燃油系零部件的國產(chǎn)化、售后服務(wù)維修具有較大現(xiàn)實(shí)意義。隨著IMO Tier III將在2016年之后對新建的船舶生效，未來船舶柴油機(jī)智能化程度將會越來越高，電控共軌式燃油柴油機(jī)將完全取代傳統(tǒng)機(jī)械的船用柴油機(jī)，瓦錫蘭電控共軌燃油系統(tǒng)將會廣泛應(yīng)用于船舶大型低速柴油機(jī)。

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