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電噴主機在現代船舶上的應用
發布時間：2017-08-23
來源：遠洋船員 瀏覽：5585次
目前，船舶大型低速柴油機大多使用的機械式燃油噴射系統，這種傳統的噴射系統由于結構上的限制，不能同時滿足柴油機的經濟性和排放要求。因為，在噴油量一定的條件下，為了提高柴油機的經濟性要求噴油（供油）提前角適當增大些，然而為了降低柴油機NOX的排放，要求噴油（供油）提前角適當減小些。
中國為此，少數類型的船舶低速柴油機通過使用可變正時機構來調整噴油提前角。但是由于結構復雜，在使用過程中其準確性和可靠性都不太理想，且供油正時、供油規律還隨機件磨損而發生變化。由此可見，機械式燃油噴射系統很難滿足經濟性、可靠性和環保的發展需求。
作為二沖程柴油機技術的領先者，Wartsila NSD于1998年研制出 Sulzer RT-flex 大型船用柴油機電子控制共軌系統，在RTX-3型技術示范機上演示成功，應用于大型船用柴油機的Sulzer RT-flex系統，是世界上最大的共軌燃油噴射系統，第一代產品機Sulzer 6RT-flex58T-B于2001年1月成功地通過了裝船檢測。這一系統較好地解決了大型低速柴油機噴油定時問題，為航運公司的節能減排提供了一種有效途徑。
Sulzer RT-flex電控技術的核心是WECS9500電子控制單元，其控制理論有：最優控制、自適應控制、模糊控制、人工神經網絡控制等。WECS9500電控單元得到傳感器的各種信息后，經過綜合判斷處理，輸出一路指令到高壓油泵，保持所需的共軌油壓，另一路指令（與噴油正時、預噴油量、主噴油量等響應的控制脈沖）到噴油器上方的高速電磁閥。由于各個噴油器的控制是單獨的，所以具有很大的靈活性，這體現在：（1）可自由選擇噴射壓力；（2）靈活的噴油定時控制；（3）可改變噴油率曲線形狀或噴油速率；（4）按容積精確控制噴油量；（5）可實現高壓噴射，對燃燒重油有很大適應性。Sulzer RT-flex在高壓噴射的前提下還能夠根據柴油機的工作要求實現噴油量、噴油定時、噴油速率的如圖1所示。
6.另外安裝有一套WECS 9500控制系統，它是電噴的核心部分，具體有以下單元組成：
•供電單元。提供24V電源給系統。
•公共電子控制單元 MCM （Main Controller Module）。此單元一機二套，互為備用。負責與外圍設備如電子調速器、角度傳感器、集控室電腦之間的通訊，并調控燃油共軌系統壓力。
•單缸電子控制單元 CCM （CylinderControl Module）和VDM （Valve Drive Module）。 CCM每缸一套，負責計算與控制燃油定時、油量和排氣閥定時，并調控液壓油軌壓力。VDM每缸一套，主要功能是放大信號給各個電磁閥。
•集控室電腦一臺，監測主機運行工況、修改程序和有關參數。
•外圍傳感器等。
人們不禁要問，在主機起動時，如何建立1 000bar壓力的燃油呢？ （實際工況約在900 Bar，并且油壓隨負荷的變化而相應調整。如在低轉速時，油壓相對較低，約在600 Bar左右。這樣可以避免由于油壓過高，而缸內壓縮壓力較低時，油束噴到活塞頭上） 。當主機接收到起動信號時，由WECS 9500控制系統根據安裝在自由端的角度傳感器的角度信號，控制某一只缸先進氣及其他缸的相應次序。一旦主機轉動后，帶動供油單元中的油泵（Sulzer Common rail pump）。主機轉動一次，每只油泵將供油三次。因液體是不可壓縮的，在起動的過程中，油壓會很快建立。燃油軌參見下圖3。
電噴主機的工作原理如圖4所示。 圖中顯示了燃油總管、液壓油總管以及空氣總管，他們被安裝在同一“U”型槽中（這一槽被稱作共軌系統，英文名為“COMMON RAIL”）。燃油的定時及容量由燃油噴射控制單元控制，可以控制3只油頭同時噴油、單只油頭噴油或3只油頭循環依次噴油。排氣閥開與閉也由控制，以及柴油機轉速和負荷變化所有工況下的動態優化，從而實現柴油機的低污染排放。
從柴油機本身而言，RT-Flex 型機與RTA 系列機型主要部件基本相似，但為滿足其工作要求，在系統中進行了如下技術優化：
1.電噴式柴油機燃油噴油系統取消了凸輪軸、燃油高壓油泵、驅動排氣閥的高壓油泵以及空氣分配器。
2.由于取消了高壓油泵，所以增加了一套供油單元。此單元有4至6臺常規柱塞、套筒油泵組成，但不再需要定時，由主機自身傳動齒輪帶動，把燃油的壓力升至1000 bar到燃油總管（或者叫燃油軌，電噴式主機中所講的軌是總管的概念）。供油單元如圖2所示。
3.文如圖
4.由于電子控制系統中所能輸出的能量有限，不足以推動燃油控制閥等閥件，必須借助于液壓系統來加以控制，為此在供油單元中設有三臺伺服油泵，正常工作時輸出200 Bar伺服油。在伺服油系統中還設有二臺電動液壓油泵，在備車狀態時提供液壓油50 Bar至液壓油總管（液壓油軌）。
5.為了防止電磁閥卡死在常開位置，燃油會源源不斷地噴進汽缸，在燃油系統中專門設計了燃油噴射控制單元。油量由電子調速器根據主機工況輸出信號給WECS 9500控制系統，再由它控制燃油噴射控制單元，控制油路的接通與斷開。此閥設有位移傳感器，把所噴油量反饋給系統，一旦油量在本循環中已給足，就切斷電磁閥，并只有在三只電磁閥均回到零位時，才能給出下一循環的油量，以防止電磁閥卡死時造成的誤噴油。此控制單元電磁閥控制，由液壓驅動。起動閥的開啟與關閉直接由電磁閥控制，取消了空氣分配器，起動系統由就顯得非常簡單。在WECS 9500系統中，角度傳感器是一個非常重要的部件，所有定時的控制均以它所測的信號為準，所以安裝有兩只傳感器互為備用。
當主機備車后，空氣軌和液壓油軌就已保持足夠的壓力。在起動的過程中，建立起燃油壓力，根據控制信號，控制所需油量給油頭，使主機達到給定轉速。
由于電噴式燃油噴射系統具有的良好性能，我公司先后建造的十艘多用途重大吊船舶上，全部采用了Sulzer 7RTflex60c柴油機作為船舶主機。其額定功率16520kw，服務功率14868kw，油耗168.3g/kwh。總結這十艘重大吊船八年多的運行歷程，可以得出使用電噴主機的如下優點：
1.可以實現高壓噴射
高壓共軌燃油噴射系統最顯著的特點之一就是可實現高壓噴射。高噴油壓力可以保證燃油霧化良好，從而降低PM、CO、HC的排放。機械式燃油噴射系統的噴射壓力是通過轉速、噴油量來調整的。由于不能保證高壓噴射，容易導致霧化不良從而使PM、CO、HC的排放量增加。例如發動機在高轉速和高負荷下容易出現二次噴射，二次噴射的燃油以很低的壓力噴入缸內，致使排煙增加。
2.能夠保證準確的噴油定時
噴油定時在很大程度上影響著污染物的排放。推遲噴油可以使NOX的排放降低，但卻有可能使CO和PM的排放增加。噴油定時對HC的排放也很敏感（提前或退后都將有可能增加HC的排放），需要一個最佳的噴油定時。所以，選擇準確的噴油定時很重要，它可使排放達到一個折中的最佳值。然而，機械式燃油噴射系統是通過噴油泵和提前器來調整噴油定時的，它的調整范圍和精度都受到了限制。在高壓共軌燃油噴射系統中，噴油定時是由在高壓共軌燃油噴射系統中，噴油定時是由ECU和噴油器控制。根據ECU送來的電子控制信號，噴油器將共軌內的高壓燃油以最佳的噴油定時、噴油量、噴油率和噴霧狀態噴入發動機的燃燒室中。
3.能夠實現噴油率的優化控制
在高壓共軌燃油噴射系統中，噴油始點和噴油延續時間由指令脈沖決定，與轉速及負荷無關，因此可以自由控制噴油時間，再加上可以靈活控制噴油壓力，也就可以形成理想的預混燃燒。同時，還可以通過自由調節預噴射始點、主噴射始點、噴射終點和自由選擇預噴射段的壓力；以及靈活選擇噴油峰值壓力。保證主噴射開始后的壓力升高率適當，以及能夠快速斷油。從而確保燃料的充分燃燒，以降低CO、HC、PM的排放。而盡可能縮短了滯燃期則可以降低NOX的排放。
4.可以自由設定參數，自由度高
在高壓共軌燃油噴射系統中，可以自由設定噴油嘴參數及其它各種參數，各個參數可以獨立地滿足相應的要求。在滿足要求方面沒有約束，自由度高。這些都是使燃油霧化良好，降低排放的必要條件。
總之，在高壓噴射前提下根據工況需求實現噴油壓力、噴油量、噴油定時和噴油速率的動態優化的柔性控制功能，是柴油機燃油噴射系統發展的必然趨勢。都被稱作“無煙柴油機”（smokeless propulsion）的高壓共軌燃油噴射系統通過對噴油要素的優化控制，使得柴油機的有害排放、噪聲排放和冷起動性能得到了很大改善。
電噴主機雖然造價高，但單位油耗為168.3g/kwh，比同類型機低3g/kwh，并且共軌燃油噴射系統在很大的轉速范圍內，保持霧化良好、燃燒完全，且可以在任何轉速下長時間運轉，有效克服了傳統機械式噴射系統柴油機，在低到某一轉速時燃燒開始惡化、燃燒不完全、冒黑煙等弊病。她不僅能能滿足多種經濟航速的要求，還能使動力性、經濟性和排放性能都能達到令人滿意的效果。這在當下的燃油價格高企、航運市場蕭條、排放要求嚴格的大背景下，電噴主機的效用顯得尤為可貴。它可以為航運公司的降速節能和低速減排，逐步淘汰高能耗、高排放的老式機型，提供技術保障和科學典范，為航運業的低碳經營和綠色航行提供了一條發展之路。
中國為此，少數類型的船舶低速柴油機通過使用可變正時機構來調整噴油提前角。但是由于結構復雜，在使用過程中其準確性和可靠性都不太理想，且供油正時、供油規律還隨機件磨損而發生變化。由此可見，機械式燃油噴射系統很難滿足經濟性、可靠性和環保的發展需求。
作為二沖程柴油機技術的領先者，Wartsila NSD于1998年研制出 Sulzer RT-flex 大型船用柴油機電子控制共軌系統，在RTX-3型技術示范機上演示成功，應用于大型船用柴油機的Sulzer RT-flex系統，是世界上最大的共軌燃油噴射系統，第一代產品機Sulzer 6RT-flex58T-B于2001年1月成功地通過了裝船檢測。這一系統較好地解決了大型低速柴油機噴油定時問題，為航運公司的節能減排提供了一種有效途徑。
Sulzer RT-flex電控技術的核心是WECS9500電子控制單元，其控制理論有：最優控制、自適應控制、模糊控制、人工神經網絡控制等。WECS9500電控單元得到傳感器的各種信息后，經過綜合判斷處理，輸出一路指令到高壓油泵，保持所需的共軌油壓，另一路指令（與噴油正時、預噴油量、主噴油量等響應的控制脈沖）到噴油器上方的高速電磁閥。由于各個噴油器的控制是單獨的，所以具有很大的靈活性，這體現在：（1）可自由選擇噴射壓力；（2）靈活的噴油定時控制；（3）可改變噴油率曲線形狀或噴油速率；（4）按容積精確控制噴油量；（5）可實現高壓噴射，對燃燒重油有很大適應性。Sulzer RT-flex在高壓噴射的前提下還能夠根據柴油機的工作要求實現噴油量、噴油定時、噴油速率的如圖1所示。
6.另外安裝有一套WECS 9500控制系統，它是電噴的核心部分，具體有以下單元組成：
•供電單元。提供24V電源給系統。
•公共電子控制單元 MCM （Main Controller Module）。此單元一機二套，互為備用。負責與外圍設備如電子調速器、角度傳感器、集控室電腦之間的通訊，并調控燃油共軌系統壓力。
•單缸電子控制單元 CCM （CylinderControl Module）和VDM （Valve Drive Module）。 CCM每缸一套，負責計算與控制燃油定時、油量和排氣閥定時，并調控液壓油軌壓力。VDM每缸一套，主要功能是放大信號給各個電磁閥。
•集控室電腦一臺，監測主機運行工況、修改程序和有關參數。
•外圍傳感器等。
人們不禁要問，在主機起動時，如何建立1 000bar壓力的燃油呢？ （實際工況約在900 Bar，并且油壓隨負荷的變化而相應調整。如在低轉速時，油壓相對較低，約在600 Bar左右。這樣可以避免由于油壓過高，而缸內壓縮壓力較低時，油束噴到活塞頭上） 。當主機接收到起動信號時，由WECS 9500控制系統根據安裝在自由端的角度傳感器的角度信號，控制某一只缸先進氣及其他缸的相應次序。一旦主機轉動后，帶動供油單元中的油泵（Sulzer Common rail pump）。主機轉動一次，每只油泵將供油三次。因液體是不可壓縮的，在起動的過程中，油壓會很快建立。燃油軌參見下圖3。
電噴主機的工作原理如圖4所示。 圖中顯示了燃油總管、液壓油總管以及空氣總管，他們被安裝在同一“U”型槽中（這一槽被稱作共軌系統，英文名為“COMMON RAIL”）。燃油的定時及容量由燃油噴射控制單元控制，可以控制3只油頭同時噴油、單只油頭噴油或3只油頭循環依次噴油。排氣閥開與閉也由控制，以及柴油機轉速和負荷變化所有工況下的動態優化，從而實現柴油機的低污染排放。
從柴油機本身而言，RT-Flex 型機與RTA 系列機型主要部件基本相似，但為滿足其工作要求，在系統中進行了如下技術優化：
1.電噴式柴油機燃油噴油系統取消了凸輪軸、燃油高壓油泵、驅動排氣閥的高壓油泵以及空氣分配器。
2.由于取消了高壓油泵，所以增加了一套供油單元。此單元有4至6臺常規柱塞、套筒油泵組成，但不再需要定時，由主機自身傳動齒輪帶動，把燃油的壓力升至1000 bar到燃油總管（或者叫燃油軌，電噴式主機中所講的軌是總管的概念）。供油單元如圖2所示。
3.文如圖
4.由于電子控制系統中所能輸出的能量有限，不足以推動燃油控制閥等閥件，必須借助于液壓系統來加以控制，為此在供油單元中設有三臺伺服油泵，正常工作時輸出200 Bar伺服油。在伺服油系統中還設有二臺電動液壓油泵，在備車狀態時提供液壓油50 Bar至液壓油總管（液壓油軌）。
5.為了防止電磁閥卡死在常開位置，燃油會源源不斷地噴進汽缸，在燃油系統中專門設計了燃油噴射控制單元。油量由電子調速器根據主機工況輸出信號給WECS 9500控制系統，再由它控制燃油噴射控制單元，控制油路的接通與斷開。此閥設有位移傳感器，把所噴油量反饋給系統，一旦油量在本循環中已給足，就切斷電磁閥，并只有在三只電磁閥均回到零位時，才能給出下一循環的油量，以防止電磁閥卡死時造成的誤噴油。此控制單元電磁閥控制，由液壓驅動。起動閥的開啟與關閉直接由電磁閥控制，取消了空氣分配器，起動系統由就顯得非常簡單。在WECS 9500系統中，角度傳感器是一個非常重要的部件，所有定時的控制均以它所測的信號為準，所以安裝有兩只傳感器互為備用。
當主機備車后，空氣軌和液壓油軌就已保持足夠的壓力。在起動的過程中，建立起燃油壓力，根據控制信號，控制所需油量給油頭，使主機達到給定轉速。
由于電噴式燃油噴射系統具有的良好性能，我公司先后建造的十艘多用途重大吊船舶上，全部采用了Sulzer 7RTflex60c柴油機作為船舶主機。其額定功率16520kw，服務功率14868kw，油耗168.3g/kwh。總結這十艘重大吊船八年多的運行歷程，可以得出使用電噴主機的如下優點：
1.可以實現高壓噴射
高壓共軌燃油噴射系統最顯著的特點之一就是可實現高壓噴射。高噴油壓力可以保證燃油霧化良好，從而降低PM、CO、HC的排放。機械式燃油噴射系統的噴射壓力是通過轉速、噴油量來調整的。由于不能保證高壓噴射，容易導致霧化不良從而使PM、CO、HC的排放量增加。例如發動機在高轉速和高負荷下容易出現二次噴射，二次噴射的燃油以很低的壓力噴入缸內，致使排煙增加。
2.能夠保證準確的噴油定時
噴油定時在很大程度上影響著污染物的排放。推遲噴油可以使NOX的排放降低，但卻有可能使CO和PM的排放增加。噴油定時對HC的排放也很敏感（提前或退后都將有可能增加HC的排放），需要一個最佳的噴油定時。所以，選擇準確的噴油定時很重要，它可使排放達到一個折中的最佳值。然而，機械式燃油噴射系統是通過噴油泵和提前器來調整噴油定時的，它的調整范圍和精度都受到了限制。在高壓共軌燃油噴射系統中，噴油定時是由在高壓共軌燃油噴射系統中，噴油定時是由ECU和噴油器控制。根據ECU送來的電子控制信號，噴油器將共軌內的高壓燃油以最佳的噴油定時、噴油量、噴油率和噴霧狀態噴入發動機的燃燒室中。
3.能夠實現噴油率的優化控制
在高壓共軌燃油噴射系統中，噴油始點和噴油延續時間由指令脈沖決定，與轉速及負荷無關，因此可以自由控制噴油時間，再加上可以靈活控制噴油壓力，也就可以形成理想的預混燃燒。同時，還可以通過自由調節預噴射始點、主噴射始點、噴射終點和自由選擇預噴射段的壓力；以及靈活選擇噴油峰值壓力。保證主噴射開始后的壓力升高率適當，以及能夠快速斷油。從而確保燃料的充分燃燒，以降低CO、HC、PM的排放。而盡可能縮短了滯燃期則可以降低NOX的排放。
4.可以自由設定參數，自由度高
在高壓共軌燃油噴射系統中，可以自由設定噴油嘴參數及其它各種參數，各個參數可以獨立地滿足相應的要求。在滿足要求方面沒有約束，自由度高。這些都是使燃油霧化良好，降低排放的必要條件。
總之，在高壓噴射前提下根據工況需求實現噴油壓力、噴油量、噴油定時和噴油速率的動態優化的柔性控制功能，是柴油機燃油噴射系統發展的必然趨勢。都被稱作“無煙柴油機”（smokeless propulsion）的高壓共軌燃油噴射系統通過對噴油要素的優化控制，使得柴油機的有害排放、噪聲排放和冷起動性能得到了很大改善。
電噴主機雖然造價高，但單位油耗為168.3g/kwh，比同類型機低3g/kwh，并且共軌燃油噴射系統在很大的轉速范圍內，保持霧化良好、燃燒完全，且可以在任何轉速下長時間運轉，有效克服了傳統機械式噴射系統柴油機，在低到某一轉速時燃燒開始惡化、燃燒不完全、冒黑煙等弊病。她不僅能能滿足多種經濟航速的要求，還能使動力性、經濟性和排放性能都能達到令人滿意的效果。這在當下的燃油價格高企、航運市場蕭條、排放要求嚴格的大背景下，電噴主機的效用顯得尤為可貴。它可以為航運公司的降速節能和低速減排，逐步淘汰高能耗、高排放的老式機型，提供技術保障和科學典范，為航運業的低碳經營和綠色航行提供了一條發展之路。
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