強(qiáng)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(jī)的功能較為落后,其性能逐漸無法與時(shí)代發(fā)展相匹配,自動(dòng)化和智能化技術(shù)的出現(xiàn),為船用共軌柴油機(jī)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(jī)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化的轉(zhuǎn)變。與此同時(shí),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(jī),因此,對船用共軌柴油機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,強(qiáng)化控制效果,具有十分重要的意義。
傳統(tǒng)的船用共軌柴油機(jī)主要為低速二沖程柴油機(jī),例如,RTA、MC 系列的柴油機(jī),其控制系統(tǒng)為機(jī)械凸輪系統(tǒng),會(huì)實(shí)現(xiàn)以下方面的功能:一是啟動(dòng)空氣定時(shí);二是噴油定時(shí);三是排氣閥啟動(dòng)關(guān)閉定時(shí),如果僅實(shí)現(xiàn)上述幾方面功能,那么使用機(jī)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(shí)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(jī)功能已經(jīng)無法與船舶發(fā)展速度相匹配,對共軌柴油機(jī)功能實(shí)現(xiàn)提出了更高的要求,柴油機(jī)控制系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)常規(guī)功能,還要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能、均勻分配各缸負(fù)荷功能、避免熱負(fù)荷過高、故障預(yù)測預(yù)警及防范等功能。此外,還要對污染排放進(jìn)行有效的控制,并提高排放的可控性、靈活性和改進(jìn)可能性,以此確保柴油機(jī)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(jī)的控制系統(tǒng)和
控制方法已經(jīng)不再適用,需要對其進(jìn)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(jī)的性能,只有這樣,才能在確保柴油機(jī)運(yùn)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(shí)現(xiàn)對主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,促使系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化發(fā)展,采用一定的方法,如電子調(diào)速器的應(yīng)用,但是事實(shí)結(jié)果表明,在船舶中應(yīng)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(jī)中,調(diào)速器無法對噴油量進(jìn)行直接的控制,而控制噴油量的方法為拉動(dòng)高壓油泵的齒條,從而實(shí)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(yīng)用效果,就要對電子調(diào)控器的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化,只要將電氣進(jìn)行轉(zhuǎn)換作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu),然后,由執(zhí)行機(jī)構(gòu)拉動(dòng)齒條,才能對柴油機(jī)噴油量進(jìn)行控制,但這種方式與傳統(tǒng)的機(jī)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(fèi)大量的成本,由此可以看出,傳統(tǒng)船用共軌柴油機(jī)的控制系統(tǒng),已經(jīng)無法與船舶和柴油機(jī)的發(fā)展相匹配,需要對其進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新,以充分發(fā)揮系統(tǒng)控制的作用。
目前,瓦錫蘭公司所采用的柴油機(jī)控制系統(tǒng)為WECS,該系統(tǒng)與柴油機(jī)控制系統(tǒng)相比,應(yīng)用了大量的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),大大提升了對柴油機(jī)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(jī)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(shí),該系統(tǒng)還對維護(hù)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(jī)的時(shí)間?;诖耍撓到y(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中,需要在考慮系統(tǒng)控制功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性進(jìn)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(jìn)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(shí)踐結(jié)果表明,該系統(tǒng)的控制效果和穩(wěn)定性與設(shè)計(jì)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(jī)都會(huì)配備一套,其控制功能實(shí)現(xiàn)的側(cè)重點(diǎn)為對整臺(tái)柴油機(jī)進(jìn)行控制,同時(shí)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(gè)氣缸配置一套,能夠?qū)飧走M(jìn)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(hù)和調(diào)試,便于故障定位和經(jīng)驗(yàn)積累。但依然存在一些不足,需要對其進(jìn)一步的優(yōu)化和完善。
在總結(jié)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)之后,瓦錫蘭公司隨即研發(fā)出了柴油機(jī)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(jī)的每一個(gè)氣缸都配備一個(gè)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(jìn)行了優(yōu)化和完善。具體表現(xiàn)在以下方面:第一,實(shí)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(jìn)行控制;第三,數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和處理功能。例如,與IMO 存在聯(lián)系的參數(shù)、與柴油機(jī)控制有關(guān)的參數(shù)設(shè)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(jì)算和處理。例如:噴油定時(shí)、氣閥開啟關(guān)閉定時(shí)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(shí)現(xiàn)以外,9520 控制系統(tǒng)的還能實(shí)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(jī)進(jìn)行充分的控制;第二,保證電磁閥定時(shí)控制與曲柄角保持相同的狀態(tài),每個(gè)電子模塊都會(huì)利用系統(tǒng)總線,對曲柄角的角度信號進(jìn)行采集,并以此為依據(jù),計(jì)算柴油機(jī)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(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)更換預(yù)先下載好的備用電子模塊,以此節(jié)省故障檢測和修復(fù)時(shí)間,電子模塊更換完成后,系統(tǒng)會(huì)為模塊提供運(yùn)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(jī)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(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),大大提升了系統(tǒng)維護(hù)的便捷性,減少了停機(jī)維修故障的時(shí)間。
噴油單元是船用共軌柴油機(jī)的重要組成部分之一,其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,每個(gè)氣缸都會(huì)存有3 個(gè)噴油頭,并且每個(gè)噴油頭由對應(yīng)的氣閥進(jìn)行控制,而每個(gè)氣閥則由電磁閥進(jìn)行控制,究其原因,主要是9520 系統(tǒng)中的控制模塊,會(huì)利用電信號對電磁閥進(jìn)行控制,繼而實(shí)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(gè)油頭的噴油量進(jìn)行控制,并且還可以利用活塞檢測的方式,對沖程噴油量進(jìn)行檢測計(jì)算,如果負(fù)荷較低,也可以適當(dāng)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(dòng)作速度快是其最大的特點(diǎn),在通電后,線圈的中的電流會(huì)立即增大,由于電磁閥存在一定的熱負(fù)荷,線圈通電的時(shí)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(tái)還要對線圈的通電時(shí)間進(jìn)行限制,究其原因,主要是雙控電磁閥尚不具備自主復(fù)位功能,導(dǎo)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(jī)的情況下,控制模塊會(huì)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(jī)控制系統(tǒng)存在一個(gè)固有的弊端,具體表現(xiàn)為:一個(gè)氣缸在噴油過程中,很容易導(dǎo)致燃油軌的油壓出現(xiàn)波動(dòng),在壓力波傳動(dòng)的過程中,則會(huì)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(diǎn),如果壓力過大,甚至?xí)斐蓢?yán)重的后果。因此,將油量活塞裝置應(yīng)用于船用共軌柴油機(jī)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(jìn)行存儲(chǔ),噴油時(shí)只能調(diào)動(dòng)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(yīng)的調(diào)整。
綜上所述,與傳統(tǒng)的柴油機(jī)控制系統(tǒng)相比,電控柴油機(jī)控制系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢,電控柴油機(jī)系統(tǒng)也是船用共軌柴油機(jī)未來發(fā)展的必然趨勢,其優(yōu)越的性能,會(huì)被船舶行業(yè)所重視,電控系統(tǒng)也會(huì)逐漸取代傳統(tǒng)的柴油機(jī)成為主流機(jī)型。柴油機(jī)的發(fā)展關(guān)鍵點(diǎn)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(shí)踐結(jié)果表明,該系統(tǒng)的控制效果十分顯著,應(yīng)用價(jià)值非常高。