船用电控共轨柴油机的最新技术特点和管理
[摘要]阐述了电控共轨柴油机的工作过程和特点，着重分析比较两大主流机型（SulzerRT-flex和MAN-B＆WME／ME-C）。
通过与传统型柴油机在性能和结构上的比较，介绍了电控柴油机的优点，探讨船用柴油机电子喷射燃油系统的运行管理措施，指出电控共轨燃油喷射系统NOx排放可完全符合MARPOL73／78国际防污公约的最新要求，从而进一步改善船舶柴油机的经济性、可靠性。
这是船用柴油机的发展方向。
1.前言
随着科学电子技术迅猛发展，微型计算机已越来越广泛地应用在船舶动力控制和监测中。
为了提高燃油经济性、降低排放要求、提高可靠性和操作的灵活性，实现适时调节，电控共轨柴油机已成为发展的必然趋势。
经过各大厂商的不懈努力，全电控型的柴油机终于在2003年研制成功并得到实船验证，这标志着柴油机的发展经历了又一次质的飞跃。
2.传统柴油机和电控型柴油机的区别。
传统的柴油机是由调速器控制其喷油量，由凸轮控制其喷油定时、进排气等过程，能使柴油机在额定工况下实现性能的优化。
但是当柴油机的工况、海况、外界环境、燃油品质发生变化，凸轮轴磨损或者机械间隙改变导致喷油正时、喷油速率、配气正时、气阀时面值等参数偏离其设计的最佳值时，均会影响柴油机经济性能。
船用柴油机工作过程的燃烧效率，燃油消耗以及废气排放污染，一直是人们关注的问题。
根据国际海事组织《MARPOL73／78公约》的规定对船舶柴油机NOx 的排放进行了严格的限制。
而控制其最有效的手段是降低最高燃烧温度及控制燃气在高温下停留的时间。
电控型柴油机也称为智能型柴油机，即将电子设备及软件应用于船用柴油机并成为其重要部分的新型柴油机。
根据柴油机燃烧理论，主要是应用了电控技术，通过控制燃油喷射正时、喷油量、喷射速率、压力以及进、排气阀正时，能够有效地实现柴油机在各种负荷下的性能最优化，从而达到在满足最新排放要求下，提高其经济性、可靠性、操纵灵活性和延长使用寿命。
3.电控共轨型柴油机
3.1目前两种主流智能型船用柴油机的比较
Wärtsilä公司SulzerRT-flex系列柴油机采用的共轨系统和MAN-B&W公司的ME／ME-C系列柴油机采用的电控燃油喷射系统，具有一定的差别：（1）油轨方面。
SulzerRT-flex机型的公共油轨有两个，一是20MPa的滑油，它的作用是因为电子控制系统中所输出的能量有限而作为驱动排气阀、气缸起动阀和喷射控制装置；二是100MPa的重油，它作为柴油机的燃料油，在油轨中等待喷射。
而MAN-B&WME机型的公共油轨仅一个20MPa滑油，它作为动力油使用。
轨压上的差别很大程度上取决于油轨的密封技术，因此对油轨的管理就要区
别对待。
（2）原始动力方面。
RT-flex机型采用曲轴带动的复合凸轮来带动柱塞式油泵保持油轨中100MPa的燃油油压，从而以预定的高喷射压力把足够量的燃油输送到气缸盖水平位置的高压燃油集管（共轨）。
同样由曲轴通过传动齿轮带动的一个油泵来保持伺服滑油20MPa的油压；ME机型用的是轴带轴向液压泵给油轨输入滑油（柴油机起动前是用电动泵输入滑油），柴油机经主滑油滤器后分为两路：一路去正常的各轴承的润滑和活塞冷却；而另一路经细滤器后去柴油机自带增压泵（双头活塞泵）增压。
增压后滑油达到高压（20MPa左右）排至各缸高压油泵的两只大储存器里，高压滑油系统一般保持恒压，波动较小。
各缸高压油泵的燃油喷射，是由电控阀NC快速控制高压滑油（动力油）的进、出，以驱动活塞快速上、下运动，带动高压油泵柱塞产生高压（75～120MPa）燃油，经油嘴喷射雾化；电控电磁阀NC是由微处理器控制程序系统ECSP，根据柴油机状况分析系统ECA和控制操作系统OMCP的综合信息发出指令而动作，因而其柴油共轨是驱动各缸高压油泵的动力滑油来完成。
（3）高压油泵方面。
RT-flex机型的高压油泵是柱塞式增压泵，与原来相比，变化不大。
而ME机型采用的是液压驱动高压油泵。
前者是凸轮的传动使燃油泵柱塞上下运动，后者是用高压滑油作为高压燃油的驱动动力。
（4）喷油控制方面。
RT-flex机型在控制喷油时，是由控制系统发出信号给电磁阀，电磁阀的动作使伺服器的油路变化，从而改变燃油的油路，完成喷射过程；ME机型在控制喷油时，同样是控制系统发出信号给电磁阀，电磁阀改变伺服油后，再给伺服油驱动油泵使燃油增压，完成喷射过程。
前者控制的是伺服油，后者控制的是动力油。
（5）燃油的来源方面。
RT-flex机型燃油来自100MPa的油轨中；ME机型的燃油是由给油泵共给的大约1MPa的燃油。
3.2电控共轨柴油机的优点
（1）燃油系统能够同时满足排放和经济性的要求。
机械式喷射系统，在燃烧的前期燃油燃烧的速度快、放热率大、导致燃气温度高，从而使燃气中的NOx 量相对增加。
如果采取减小喷油提前角来降低NOx，由于结构的限制，则整个燃烧过程较长，后燃严重，从而导致柴油机的经济性降低。
而共轨系统在适当减小喷油提前角来降低燃烧温度的同时，也增大喷油速率来缩短整个燃烧过程。
共轨型柴油机一般提供两种操作模式：燃油经济性模式和低NOx模式。
在一般航区航行，使用燃油经济性模式同时遵守国际海事组织（IMO）提出的NOx排放标准；在特殊航区航行，选择NOx模式，柴油机的排放将会符合特殊航区的NOx排放标准。
此外，电控共轨燃油系统能够控制喷油时间和喷油速率来控制燃烧过程，从而达到控制排气中NOx量和提高经济性的目的。
（2）采用电磁阀控制喷油，控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残余压力为0的现象，循环喷油量变动小，各缸燃烧压力、排烟温度等热力参数相当均衡；机械负荷和热负荷低；柴油机内部机械作用力、扭矩和振动较小。
（3）由于各个负荷状态下燃油均能很好雾化，缸内结碳明显减少，可以延长检修周期，降低船舶备件费用。
（4）部分负荷时运行性好，最低稳定转速低。
柴油机在低负荷运转时，能保持相当高的喷射压力，同时精确控制喷油量。
（5）取消了凸轮等大部件，减轻了主机的重量和体积，从而增加了柴油机的可靠性，降低制造成本，加大大修间隔，降低维修成本，并可延长寿命。
3.3电控共轨柴油机的不足与改进措施
电控共轨柴油机和传统的柴油机相比具有很多优点，但还存在一些不足的地方，也是未来共轨柴油机所需要解决的问题。
（1）由于给公共油轨输油的是轴带泵，刚开始启动时柴油机转速较低，影响到轨压，使其压力有些波动，必然会影响到共轨系统的工作状况。
已经提出油轨的给油泵由电动机提供动力，那么给油泵的转速不再受主机的影响，这样更加容易控制。
（2）对共轨系统伺服油清洁程度要求较高。
如果把共轨系统的伺服油设计成一个独立的系统，增加一套滑油的冷却、净化等机械，将会使共轨系统的管理更加方便。
（3）电控共轨柴油机仅把排气阀作了优化控制，对于进气、扫气未进行优化，所以整个换气过程还未达到最优化。
这一缺点的改进必将更有利于柴油机性能的提高。
（4）系统中较多使用电磁阀且激磁频繁，不少电子元器件长期在高温、振动等环境中工作，损坏概率高，从而导致意外事故增多。
为了更好监测柴油机的工况，必须加大对新型传感器和电磁阀的研发。
（5）采用先进的控制模式与提高控制软件的功能。
建立完备的诊断与报警系统。
（6）大量采用电脑技术，对船舶管理人员提出了更高的要求。
加强对管理人员的培训。
3.4共轨柴油机运行管理要点
对共轨柴油机的管理注重技术上_的管理，特别是在电子控制系统方面，对船上轮机管理人员的技术水平提出了更高的要求。
概括如下：
（1）保证滑油系统的清洁。
由于有一部分滑油是用于控制系统的，对其清洁度有很高的要求。
应该特别注意各个滤器的状态，并按要求清洗。
（2）确保共轨油压管路的密封。
共轨油压系统的压力较高，在运行过程中一定要观察它的密封性是否良好。
特别是进入喷油器的那段管路，既要保证它的密封性，同时又要保证它的膨胀不是太大，以免对喷射雾化产生不良影响。
（3）电磁阀。
在共轨油压系统的控制单元中，电磁阀是一个很重要也是很容易损坏的元件。
必须保证滑油的清洁度，否则会造成电磁阀的动作延迟或卡死，或电磁阀磨损加剧，从而产生密封不好等一系列问题。
另外，过电流还会造成电磁阀的烧毁。
因此，日常管理中，要特别注意对电磁阀的维护保养。
（4）传感器。
传感器是控制系统获取柴油机上工作状况的主要途径。
传感器损坏将会造成控制系统误动作，必须保证各个传感器的清洁和保养，尤其是在恶劣状况下工作的传感器，应予以特别关注。
（5）NOx排放量控制。
电控共轨柴油机在满足NOx的排放标准的情况下，必须充分提高其运行经济性。
所以这就要求轮机管理人员把握一个度。
4.结束语
从柴油机技术发展的历程来看，其经历了高压油泵的应用、涡轮增压技术和电子控制技术三次飞跃，其中以电子控制技术的发展影响最大。
随着柴油机应用电子技术的不断发展，燃油共轨喷射系统将会广泛应用于船舶大型低速柴油机，使排放量符合公约的要求，且进一步改善船舶柴油机的经济性和可靠性。
未来的船舶推进动力装置，智能化程度将会越来越高，以减轻轮机管理人员的劳动强度和减少船上人员配备。
所以，电控型柴油机极有可能完全取代传统的船用柴油机。
