童順波

摘 要：柴油機(jī)零部件的是柴油機(jī)安全高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，在現(xiàn)代工程、機(jī)械項(xiàng)目對于質(zhì)量的要求越來越高的發(fā)展局面下，有必要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)柴油機(jī)零部件的性能，從而確保柴油機(jī)更為有效的運(yùn)轉(zhuǎn)使用。機(jī)電一體化是近些年來所大力推廣的技術(shù)，其在柴油機(jī)零部件優(yōu)化改進(jìn)工作中同樣發(fā)揮著重要的價(jià)值，因而有必要有針對性的、科學(xué)合理的應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)。在這種背景下，文章首先概述了柴油機(jī)零部件優(yōu)化改進(jìn)的機(jī)電一體化需求，進(jìn)而分析了燃料油噴射裝置控制電子化改進(jìn)與調(diào)速器裝置控制電子化改進(jìn)，最后分析了氣缸與排氣閥的控制電子化改進(jìn)，并進(jìn)行了總結(jié)，以求為更好地開展柴油機(jī)零部件優(yōu)化改進(jìn)工作提供必要的借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；零部件；優(yōu)化改進(jìn)；機(jī)電一體化

1 柴油機(jī)零部件優(yōu)化改進(jìn)的機(jī)電一體化需求

柴油機(jī)是交通運(yùn)輸中耗能最低的動(dòng)力機(jī)械，使用面廣，擁有量大。近十年來，國外十多個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家的柴油機(jī)廠商，大學(xué)和研究所競相開發(fā)了以微型計(jì)算機(jī)為核心的電子控制柴油機(jī)（包括部件的電子化改造和全新電控柴油機(jī)品種），使柴油機(jī)從只能在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)較優(yōu)化運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍谌窟\(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍最優(yōu)化運(yùn)行，收到較大幅度節(jié)能，可燃燒劣質(zhì)燃料，改善大氣污染，提高低負(fù)荷扭矩和降低最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速等效果。同時(shí)使柴油機(jī)增加了自動(dòng)檢測、自動(dòng)顯示記錄、自動(dòng)調(diào)節(jié)、控制以及自動(dòng)診斷與保護(hù)等功能，因而具有若干“智能”特征，從根本上改變了傳統(tǒng)柴油機(jī)的面貌。

在新技術(shù)革命的浪潮中，微電子技術(shù)的飛速發(fā)展和向機(jī)械工業(yè)的滲透，形成了機(jī)械微電子復(fù)合技術(shù)-機(jī)電一體化技術(shù)，涌現(xiàn)出一代新產(chǎn)品-機(jī)電一體化產(chǎn)品，這類產(chǎn)品應(yīng)用范圍大，覆蓋面寬。從社會(huì)到經(jīng)濟(jì)，從生產(chǎn)到生活，從簡單的耐用消費(fèi)品到復(fù)雜的社會(huì)生產(chǎn)和管理系統(tǒng)，機(jī)電一體化幾乎達(dá)到“無孔不入”的境地；從而使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品功能和構(gòu)成、生產(chǎn)方式和管理體系發(fā)生了巨大的變化，也使工業(yè)生產(chǎn)從“機(jī)械電氣化”跨入以機(jī)電一體化為標(biāo)志的發(fā)展階段。隨著人類對生存環(huán)境和生活質(zhì)量的要求不斷提高，對柴油機(jī)排放的限制也越來越嚴(yán)格，不僅對碳?xì)浠铮℉C）、碳氧化物（CO）、氮氧化物（NOx）及微粒排放（PM）限制，而且已開始對二氧化碳（CO2），也就是耗油量有所要求。對柴油機(jī)而言，主要是氮氧化物，因此，國際海事組織（IMO）對于130kW以上的柴油機(jī)制定排放標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，該法規(guī)也針對氮氧化物排放制定出標(biāo)準(zhǔn)。

自往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械誕生以來，柴油機(jī)的噴油裝置及進(jìn)排氣閥，均由曲拐軸的凸輪控制驅(qū)動(dòng)。對于傳統(tǒng)柴油機(jī)而言，其噴油及進(jìn)排氣閥定時(shí)受至于凸輪的形狀。因其凸輪的形狀的設(shè)計(jì)是為適應(yīng)柴油機(jī)于高負(fù)荷狀態(tài)下使用，換而言之，當(dāng)柴油機(jī)于低負(fù)荷時(shí)，由于燃油凸輪因回轉(zhuǎn)速度延遲，而使燃油泵的柱塞運(yùn)動(dòng)較慢，因此，燃油受到壓縮時(shí)間較長，燃油要維持于高壓的噴射壓力較為困難。為改善上述缺點(diǎn)，低速柴油機(jī)朝向電子點(diǎn)火方式發(fā)展，亦即為無凸輪裝置的柴油機(jī)。柴油機(jī)機(jī)電整合系統(tǒng)，其包含燃料噴油裝置、排氣閥及空氣啟動(dòng)閥等的啟閉控制；啟動(dòng)及反轉(zhuǎn)、速度調(diào)整及氣缸油注油裝置的控制等及原有的電子控制與監(jiān)視系統(tǒng)，文章于下將分別予以說明介紹。

2 燃料油噴射裝置控制電子化改進(jìn)

柴油機(jī)的燃油噴射過程為間歇性過程，僅為于每一工作循環(huán)中的極小部分時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。噴射過程為由噴射泵輸送來的燃油，經(jīng)高壓油管經(jīng)由噴嘴噴入氣缸，噴嘴的噴孔面積相對于噴油泵的瞬間排油率而言為極小，因此，燃油是以極高速噴入氣缸，與此同時(shí)就在燃油系統(tǒng)內(nèi)建立極高的壓力。噴出的高速燃油流，在其內(nèi)部的原始擾動(dòng)及外部摩擦力作用下，當(dāng)其大于燃油自身的表面張力時(shí)即脆裂，即所謂燃油霧化。

將燃油視為不可壓縮的流體，燃油系統(tǒng)于工作時(shí)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各處的燃油其狀態(tài)于同一時(shí)間內(nèi)均為一致。實(shí)際上，從高壓油管兩端壓力與流量的差異，以及噴油率與供油率隨時(shí)間的變化，其系統(tǒng)狀態(tài)變化為不穩(wěn)定流變化。為改善此狀況，因而發(fā)展出共軌式燃油噴射系統(tǒng)。

燃油噴射裝置機(jī)能：（1）高壓噴射。柴油機(jī)于低負(fù)何時(shí)，其燃油噴射壓力較低，霧化效果較差，因而燃燒不良，于廢氣排放中含有大量的微粒；若能提高其噴射壓力，則能改善廢氣排放。（2）噴射定時(shí)。隨著柴油機(jī)負(fù)荷率的改變，針對燃油特性所需最佳噴射定設(shè)定時(shí)，將可減少耗油量及降低廢氣中NOx排放的污染。（3）噴射量。燃油噴射量多寡將影響氣缸內(nèi)的燃燒壓力，各缸噴射量不均勻，會(huì)造成柴油機(jī)各缸的出力不平衡。（4）噴射形式。初期噴射少量燃油，可抑制預(yù)燃現(xiàn)象，對于降低NOx排放有顯著效果；若安裝有先導(dǎo)噴射泵（pilot nozzle），則主噴射燃燒延遲縮短，對于將降低震動(dòng)、噪音及NOx排放有顯著效果。

燃油噴射系統(tǒng)最佳狀況為于整各負(fù)荷范圍內(nèi)，其噴射壓力均能維持高壓狀態(tài)。低負(fù)荷時(shí)，為燃燒延遲；高負(fù)荷時(shí)，為燃燒提前，將減少耗油量及降低廢氣中NOx排放的污染。為達(dá)上述要求，已將傳統(tǒng)機(jī)械控制式噴射系統(tǒng)，改變?yōu)殡娮涌刂乒曹壢加停–ommon Fuel Rail）噴射系統(tǒng)。燃油噴射系統(tǒng)可分為增壓式及蓄壓式兩種，機(jī)械式屬于增壓式系統(tǒng)；共軌式屬于蓄壓式系統(tǒng)，而MAN B&W 發(fā)展的Slid Type Fuel Nozzle 則屬于增壓式及蓄壓式混合式。

目前柴油機(jī)廠有關(guān)燃料油噴射裝置控制電子化發(fā)展趨勢介紹說明如下：（1）MAN B&W 柴油機(jī)。ME系列低速柴油機(jī)采用共軌式燃油噴射系統(tǒng)，燃油噴射泵為兩段式，于低負(fù)荷時(shí)為一段噴射；高負(fù)荷時(shí)為二段噴射，其噴射率、噴油定時(shí)、噴射時(shí)間及壓力均可調(diào)整。另于中高速四沖程柴油機(jī)如L16/24、L21/31系列亦采用共軌式燃油噴射系統(tǒng)。（2）WARTSILA SULZER。RT-flex系列低速柴油機(jī)采用共軌式燃油噴射系統(tǒng)，每缸上有三組燃油噴嘴（Fuel Nozzle），于啟動(dòng)及低負(fù)荷時(shí)為一組噴射；于中負(fù)荷時(shí)為二組噴射；高負(fù)荷時(shí)為三組噴射，其為程序控制，其噴射量及噴射形式可調(diào)整。另于中高速四沖程柴油機(jī)系列如32及46亦采用共軌式燃油噴射系統(tǒng)。（3）MTU。中高速四沖程柴油機(jī)，如MTU2000、MTU4000及MTU8000系列均采用共軌式燃油噴射系統(tǒng)。

3 調(diào)速器裝置控制電子化改進(jìn)

柴油機(jī)的不同轉(zhuǎn)速，為經(jīng)由改變每一循環(huán)的供油量來獲得的。若于一定的外界負(fù)荷條件下，供給柴油機(jī)的燃油量能使柴油機(jī)產(chǎn)生的功率與外界負(fù)荷互相平衡，柴油機(jī)則于某轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)外界負(fù)荷變化時(shí)，處于平衡狀態(tài)的柴油機(jī)就出現(xiàn)不平衡。為使柴油機(jī)的功率與新的負(fù)荷相適應(yīng)，必須及時(shí)改變噴油量，而噴油量的改變是經(jīng)由調(diào)速器來控制。傳統(tǒng)的機(jī)械油壓式調(diào)速器無法完全適應(yīng)新型柴油機(jī)的發(fā)展，因而發(fā)展出電子調(diào)速器。

電子調(diào)速器的功能：（1）柴油機(jī)燃料控制。a.啟動(dòng)時(shí)燃料抑制控制。啟動(dòng)時(shí)，經(jīng)由設(shè)定燃料油桿位置來抑制燃油噴入量，作為第一段噴油。當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)超過70%時(shí)，則進(jìn)行第二段噴油。如此，可降低啟動(dòng)時(shí)冒黑煙。b.加速時(shí)燃料抑制控制。加速時(shí)，對應(yīng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的變化，燃料油桿亦隨之變化，為抑制其急劇的變化，因此，必須加以設(shè)定。當(dāng)輸出功率變化趨穩(wěn)時(shí)，則針對此時(shí)的負(fù)載自動(dòng)調(diào)整燃料油桿的位置。（2）柴油機(jī)速度控制。a.速度控制機(jī)能。柴油機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的高低是靠改變油門開度來實(shí)現(xiàn)的。不管柴油機(jī)與螺旋槳是直接帶動(dòng)還是間接帶動(dòng)，根據(jù)能量守恒定理知：柴油機(jī)輸出的有效功率和被螺旋槳吸收的功率始終保持平衡的。b.加減速設(shè)定。調(diào)速器主要的功能是能維持柴油機(jī)轉(zhuǎn)速于所預(yù)期的轉(zhuǎn)速下，安全而且有效地運(yùn)轉(zhuǎn)。由操車桿車 的轉(zhuǎn)數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)數(shù)，相互比較其偏差值，而以偏差值去驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器，而由作動(dòng)器帶動(dòng)油門桿來增減發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)；再由發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)與車 的轉(zhuǎn)數(shù)作比較，而重復(fù)其動(dòng)作，直到兩者轉(zhuǎn)數(shù)一致為止。

4 氣缸與排氣閥的控制電子化改進(jìn)

4.1 氣缸油注油器控制電子化

低速柴油機(jī)隨著增壓度的提高及燃用重質(zhì)燃料油，氣缸的潤滑為嚴(yán)重的問題。因此，除采用帶堿性添加劑的黏度適當(dāng)，抗氧化能力較強(qiáng)，散布性較好的汽缸油外，還采用高壓脈沖、定時(shí)定量滴注方式進(jìn)行潤滑。

機(jī)械式注油器，每缸注油器有多個(gè)油嘴，分別供應(yīng)至氣缸套四周，是經(jīng)由注油器的滑油，流過安裝于汽缸套止回式的噴嘴，噴入汽缸內(nèi)，一部分被燃燒，另一部分借助活塞油環(huán)布于缸壁上，多余的被刮到掃氣箱內(nèi)，由污油口排出。

電子式注油器與機(jī)械式注油器主要不同的，電子式?jīng)]有油量調(diào)整機(jī)構(gòu)，以活塞行程的設(shè)定取而代之，當(dāng)行程固定時(shí)，則以時(shí)間內(nèi)活塞來回次數(shù)控制油量。電子式注油器作動(dòng)原理，經(jīng)由柴油機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、曲柄軸角度及燃料油桿位置的信號偵測，在借助微處理器控制單元計(jì)算出柴油機(jī)的輸出功率，而后輸出信號至注油器的電磁閥，控制注油器噴油量。當(dāng)輸出功率變化時(shí)，待其負(fù)荷穩(wěn)定后，則針對此時(shí)的負(fù)載自動(dòng)調(diào)整注油器的注油量。

4.2 排氣閥控制電子化

柴油機(jī)把氣缸中燃燒后的氣體清除，并以新鮮的空氣充填，噴入氣缸的燃料才能進(jìn)行燃燒，化學(xué)能經(jīng)燃燒后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，柴油機(jī)才能不斷輸出功。因此，換氣之后于氣缸中可用于燃燒的空氣量，相應(yīng)也就限定所能燃燒的燃料量，因而，柴油機(jī)換氣質(zhì)量的好壞，與其作功能力有極大的關(guān)系。

柴油機(jī)于標(biāo)定功率以同樣的平均有效壓力運(yùn)行，若缸內(nèi)的空氣越多，則空氣與燃油的比率就越大，即為產(chǎn)生完全燃燒創(chuàng)造有利條件。另外，此時(shí)燃燒過后的燃?xì)獗葻彷^低，相對其比熱比較大，依據(jù)熱力學(xué)理論循環(huán)效率分析可知，比熱比大的工質(zhì)其循環(huán)效率高，由此可知，換氣過程對于柴油機(jī)的熱效率有極大的影響。

機(jī)械式的可變氣閥正時(shí)機(jī)構(gòu)，利用兩根凸輪軸分別驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣閥與排氣閥，借助由機(jī)械方式分別改變此兩根凸輪軸與曲軸的相對位置關(guān)系，來實(shí)現(xiàn)氣閥正時(shí)的改變。此種方式響應(yīng)快，運(yùn)行速度幾乎不受影響，但其缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)進(jìn)、排氣閥的開啟與關(guān)閉時(shí)刻的獨(dú)立調(diào)控。

以電磁伺服閥控制的電動(dòng)油壓可變氣閥正時(shí)機(jī)構(gòu)，具有調(diào)控靈活、容易與電子控制技術(shù)結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，但其工作響應(yīng)速度慢，適合于中低速柴油機(jī)。目前二沖程直流掃氣柴油機(jī)，其排氣閥是利用空氣彈簧替代氣閥彈簧來關(guān)閉，以電子控制方式控制電磁閥，實(shí)現(xiàn)其正時(shí)調(diào)控。其主要功能有二種，一為控制氣閥的落座速度；另一為控制氣閥的最大升程。

5 機(jī)電整合系統(tǒng)

ME 系列柴油機(jī)控制系統(tǒng)，包含主操作盤（Main Operation Panel， MOP）、柴油機(jī)接口控制單元（Engine Interface Control Unit， EICU）、機(jī)側(cè)控制盤（Local Control Panel， LCP）、柴油機(jī)控制單元（Engine Control Unit， ECU）、汽缸油控制單元（Cylinder Control Unit， CCU）及輔機(jī)控制單元（Auxiliaries Control Unit， ACU）。ME 系列柴油機(jī)操作模式分為低燃料消耗模式（Economy Mode）及低廢氣排放模式（Emission Mode），兩種操作模式其耗油率（SFOC）、NOx排放、最高壓力（Pmax）及壓縮壓力（Pcomp）完全不同。低燃料消耗模式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，完全為符合其經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)，但其NOx排放仍符合IMO的要求；低廢氣排放模式時(shí)，為符合IMO航行于特別海域低排放的要求。

RT-flex 系列柴油機(jī)控制系統(tǒng)WECS9500，包含遙控系統(tǒng)（Remote Control System）、電子調(diào)速器（Electronic Speed Control）、船舶警報(bào)系統(tǒng)（Ship Alarm System）及備用盤（Backup Panel）。遙控系統(tǒng)包含Start、Ahead、Astern、Brake、Slowturning、Slowdown、Charge Air Pressure；備用盤包含Ahead Backup、Astern Backup、Fuel Command Backup、Start Backup；電子調(diào)速器包含F(xiàn)uel Command；船舶警報(bào)系統(tǒng)包含WECS Alarm H、WECS Alarm HH。

Woodward 發(fā)展的電子柴油噴射系統(tǒng)（Electronic Diesel Injection System， EDIS），其性能包含32mm Plunger diameter、45mm Cam lift、Solenoid operated valve、Injection volume up to 12cm3/stroke、Max. injection pressure 1600bar 及Designed for diesel and heavy fuel。Woodward 控制系統(tǒng)（Control Cabinet In-PulseTM）包含Electronic Control of Solenoid、Speed Control、Peripheral Equipment of the Security System and the Ship Electronics 及Power Supplies。

6 結(jié)束語

在引進(jìn)專利技術(shù)進(jìn)行柴油機(jī)生產(chǎn)時(shí)，柴油機(jī)的可靠性是用整機(jī)的耐久性試驗(yàn)來進(jìn)行考核的，此時(shí)大部分零部件仍然是國外生產(chǎn)的，通過耐久試驗(yàn)的是組裝的柴油機(jī)。而零部件的國產(chǎn)化是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，往往是國產(chǎn)化一部分零部件就裝船使用一部分，并且當(dāng)國產(chǎn)化率很高時(shí)也沒有進(jìn)行專門的整機(jī)耐久性試驗(yàn)來驗(yàn)證國產(chǎn)化后零部件的可靠性，從而將問題帶到了使用方；且國產(chǎn)化后的零部件可靠性考核并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。為此，在臺架試驗(yàn)無法考核單個(gè)零部件可靠性時(shí)，可考慮將零部件小批量裝船考核，并跟蹤被考核零部件的可靠性情況，再?zèng)Q定是否批量使用。在零部件的國產(chǎn)化過程中一定要注重工藝過程的控制，在消化國外工藝過程的基礎(chǔ)上結(jié)合自己的特長進(jìn)行工藝改進(jìn)。對原進(jìn)口零部件存在的問題應(yīng)督促國外廠商進(jìn)行改進(jìn)，以滿足用戶的需求。

總體而言，智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工智能在機(jī)電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。誠然，使機(jī)電一體化產(chǎn)品具有與人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。機(jī)電整合系統(tǒng)是將機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)整合而成的系統(tǒng)。由于其技術(shù)業(yè)已日俱成熟與穩(wěn)定，將應(yīng)用于汽車引擎的電子點(diǎn)火及氣門正時(shí)技術(shù)，轉(zhuǎn)移至船舶柴油機(jī)的操控方式，無非是為減少船用柴油機(jī)的廢氣排放公害及降低其運(yùn)轉(zhuǎn)與維修的成本。眾所周知，船用柴油機(jī)于啟動(dòng)及低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)時(shí)，經(jīng)常冒黑煙造成空氣污染。船舶于港口航行或調(diào)靠碼頭時(shí)，需以低速運(yùn)轉(zhuǎn)或啟動(dòng)，而港口大都位于人口稠密的都會(huì)區(qū)附近，由船舶排放的廢氣將造成港口附近的環(huán)境污染，對于人民的健康與生命有著深遠(yuǎn)的影響，由于環(huán)保意識獲得重視，對于船用柴油機(jī)的廢氣排放亦日趨嚴(yán)峻。因此，無論柴油機(jī)制造廠家、造船廠、船東、驗(yàn)船協(xié)會(huì)及各個(gè)相關(guān)機(jī)構(gòu)，無不努力地研究改進(jìn)，以求其符合其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，且付之實(shí)施。

參考文獻(xiàn)

[1]韓祖豪，李明海，崔洪江.船用柴油機(jī)的發(fā)展及設(shè)計(jì)思路[J].船海工程，2006（5）.

[2]黃立賢，徐春，任自中.單缸機(jī)模擬增壓壓力調(diào)節(jié)的理論與試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代車用動(dòng)力，2005（2）.

[3]盧熙群，張文平，曹健.基于PLC控制的閉式循環(huán)柴油機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].應(yīng)用科技，2005（10）.

[4]張金平.柴油機(jī)高壓共軌控制系統(tǒng)硬件的開發(fā)[J].現(xiàn)代車用動(dòng)力，2005（4）.

[5]余洪力，朱愛國.船用柴油機(jī)發(fā)展動(dòng)態(tài)綜述[J].中國水運(yùn)，2000（9）.