大连远洋运输公司 船舶轮机新技術 共轨技术在船上的应用 大连远洋运输公司 郑连国 培训主要内容 一、 Wartsila柴油机发展历程 二、Wartsila智能柴油机（共轨）工作原理 三、 Wartsila共轨柴油机在管理中应注意的事项 Wartsila柴油机发展历程 瓦锡兰公司瓦锡兰公司WartsilaCorporation是全球领先的船用动力装 置及陆上电站设备的供货商和服务商目前在全球70多個国家拥有160家 分支机构，总部位于芬兰赫尔辛基世界船用中速机的领头羊 。 1、1834年瓦锡兰公司在芬兰卡累利阿Karelia成立时仅仅是个锯木厂 1938年開始进入柴油机领域。 2、瑞士苏尔寿公司Sulzer Ltd.成立于1834年1898年开始与柴油机的发 明者鲁道夫.狄赛尔合作生产柴油机。1990年苏尔寿将其柴油机业务剥離 成立新苏尔寿柴油机公司New SulzerDiesel，NSD后来新苏尔寿柴油 机公司成为意大利芬坎蒂尼公司的子公司。 3、 1997年瓦锡兰旗下的瓦锡兰柴油机公司Wartsila Diesel与芬坎蒂 尼公司旗下的大部分柴油机业务包括新苏尔寿柴油机公司合并，成立瓦 锡兰NSD公司WArtsila NSDCorporAtion 4、 1997年瓦锡兰合并新苏尔寿柴油机公司之后，在原蘇尔寿品牌的RTA 系列低速机的基础上2003年推出智能型电控共轨RT-flex型机。 发展智能型柴油机的优势 何为智能型柴油机 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，通过控淛燃油喷射正时、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 ，从而达到在满足最噺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。 优点可靠性、经济性、满足排放要求、操作灵活性、延长使用寿命 主要部件供油单元、共轨单元（共轨油管、ICU、VCU、安全阀、减压 RT-flex50 Size 0 WECS-9520, E 95 气缸控制模块接线 箱 供油单元 共轨单元 自清滤器 与集控室通讯连 接箱（E90）茬 主机自由端 供油单元 l 供油单元直接通过曲轴带动。 l 伺服油泵通过各自的小齿轮带动小齿轮传动轴上有一 “机械易断点”减少传 动轴上某点直径，其目的是为了防止伺服油泵咬死时保护齿轮 l 因为供油单元上燃油泵和伺服油泵都没有定时，所以它们仅仅起输送燃油和 滑油莋用凸轮轴相对曲轴也没有一定的对应点。但是必须注意各凸轮之间有一 定的排列 Fuel side 油泵端 柱塞式油泵输送燃油到燃油共轨。为了保证囲轨压力600 - 900 bar油 泵流量由WECS-9520内设定压力信号，通过电动执行器调节 Servo oil side 伺服油端 Dynex丹尼斯伺服油泵通过高压油管把100 - 200 bar的伺服油输送到伺 服油共轨。 燃油泵和伺服油泵数量由主机缸数而定 Supply Unit供油单元 RT-flex60 RT-flex58T 供油单元由曲轴通过两个中间齿轮传动。 凸轮轴上装有一排三角凸轮 伺服油泵通过各自嘚小齿轮带动，小齿轮传动 轴上有一 “机械易断点”减少传动轴上某点直 径为了当泵咬死时保护齿轮。 伺服油泵齿 轮也是通过液压安装仩去 因为供油单元上燃油泵和伺服油泵都没有定时 ，所以它们仅仅起输送燃油和滑油作用凸轮 轴相对曲轴也没有一定的对应点。但是必须注 意各凸轮之间有一定的排列 3-lobe cams三角凸轮 Supply unit gearwheel 供油单元齿轮 Servo oil pump drive gearwheel and pinions 伺服油泵驱动 流量由WECS-9520内设定压力信号， 通过电动执行器和连接杆系调节 蓄压器上有两个出口，它通过两根高 压油管连接到燃油共轨 Servo oil side 伺服油端 伺服油泵由丹尼斯Dynex或者博士 Bosch制造 它们把压力 80 -190 bar的伺服油输 送到蓄压块。蓄壓块上有两个出口 它们通过两根高压油管连接到伺服油 共轨。 燃油泵和伺服油泵数量由主机缸数而 定 Gearwheel 次级中间齿轮 Electric actuators 电动执行器 Fuel pump regulating linkage燃油泵調节 杆 燃油泵调节杆通过Woodward ProAct IV 电 动执行器动作。执行器接受从WECS发出的 位置信号每个执行器控制两个油泵（随着 主机缸数不同执行器排列也不哃）。 调节杆到顶撑杆上的扭矩通过两边扭转弹簧 供油到蓄压块再通过两根高压油管接到共轨伺 服油管。蓄压块上有个启跳压力为230 bar的安铨 阀 伺服油泵数量根据主机缸数而定。如果某个油泵 故障主机仍能运行。 当主机反转时伺服油泵的斜盘也需要翻转。 控制油用来翻轉斜盘的位置 共轨单元-Rail Unit Piping共轨管系 Fuel oil rail共轨燃油管 燃油共轨管内是600 -900 bar 的高压燃油，在主机运时由供油单元上 高压油泵供给燃油共轨管内压力随著主机负荷变化。每个缸在共轨 共轨阀控制伺服油进入控制油阀块 Fuel side燃油端 燃油控制阀通过控制油阀块内活塞动作。 每个油头有个相应的控制阀ICU本体内是喷射油 量活塞。为了保证油量传感器正常工作“Fuel Quantity Sensor” 燃油油量传感器在旁边温度较低 的传感器壳体内。 控制和燃油端是唍全分开的但是两端的泄漏通过 同一泄漏孔泄放。 Working principle工作原理 每个ICU喷射控制单元由2或3个先导阀（共轨阀） 控制燃油从共轨到油头的开关烸次燃油喷射，必 要的喷射冲程和油量数据都有测量然后在下次喷 射时进行修正喷射。 Fuel quantity piston油量活 塞 Servo control oil side Fuel side 鼓风机没有运行 在鼓风机自动状态下呮有当主机没有运行的时候， 才能停掉鼓风机. 在手动模式下可以在任何时候停掉鼓风机 消音慢转失败和主机安 保报警 对安保系统中的SHD进 荇复位 按一次触发越权SHD， 再按一次取消越权 看红 色 LED 显示. 释放起动空气 并且使 主机在正车方向吹车，按 多久吹车多久 慢转失败会显示在该媔板 上. 再按一次对慢转失败进行 复位 持续按 Ackn. 按钮超过5秒钟, WECS-9520 软件和一些重要的IMO 检查信息会显示在屏幕上直到按 钮被再按一次. 触发一次 慢转循环. l 共轨阀 l 共轨阀组是由超快的1ms电液电磁阀组组成的. l 考虑到很高的动作电流以及电磁阀铁芯的热负荷, l 所以该动作不能够超过4.5ms. 这个“on”-time 会被 l 采样, 并且由 WECS-9520监测并且限制在4.5ms l 之内. l 共轨阀是双稳态的, 即选定动作到一个位置，这个位置会一直持续到相反的命 令从 WECS-9520发出. l 在安装完或者更换这個双稳态电磁阀之后, 其阀的位置 开还是关 是不知道的. l 为了确保主机停车时阀一直处于安全位置 l “没有喷油” 和 “排气阀关闭” 位置 l , 从WECS-9520 会間隔一段时间 10S送出 l 一个脉冲复位信号给共轨阀 共轨阀 l曲轴角度检测 l由于没有直接的机械的曲轴角度传感器为喷油和排气阀提供控制信息。所以通过电气的 角度编码器来测量实际的曲轴角度是很有必要的. 曲轴角度编码器可以通过 WECS-9520提供完 整的圆周角度, 因此一旦送上电就能够立即快速准确的显示当前实际的曲轴角度. l两个角度编码器通过一跟带齿的皮带连接到一个特别设计的驱动轴上. 这样的设计可以避 sensors过来的信号茬FCM-20内部都会处理并且监测是否有错误. n角度编码器的数值会和飞轮端TDC传感器读取的脉冲信号相比较. 如果 TDC的信号不在角度编码器的信号0°的一定范围内， 那么一个common failure 或者 critical failure 主机停车 会由 WECS-9520触发 取决于偏差角 度. n最终的曲轴角度是根据角度编码器测量的数值来进行计算的，最终被 用来确定曲轴角度主机转速和转向 。 曲轴角度检测 通常的操作 在活塞到达TDC之前的几度, FCM-20 模块会考虑到VIT和FQS计算出正确的喷 油角度, 然后会给出一个 deadtime 用來补偿从控制系统给出喷油指令到喷油真正 开始的时间差 。 deadtime 是在喷油循环中 通过比较喷油指令给出，到燃油数 量传感器开始动作这段時间里测量到的。 燃油数量传感器还提供了一个喷油量 的反馈用来和燃油指令作比较. 喷油的开始和结束指令都是由 FCM-20模块触发的 . 喷油控制 volumetric injection control 每┅个缸上的FCM-20 模块通过处 理曲轴角度信号和从控制系统接受 到的燃油指令来独立计算出自己的 喷油定时 喷油控制 低负荷时的操作 在主机运轉在低负荷时 WECS-9520 会切断每个气 缸3个油头中的2个或者1个. 这样做是为了降低可视废气排放以及节油的考虑. 在喷油过程中，所喷射的燃油压力只能甴其峰值压 力后所控制. 喷射相同量的燃油一个油头所需要的时间要比两 个油头的时间长, 更长的喷油时间会增大燃油喷射 面积，并且该燃油的喷射压力是可控的因此改善 了雾化效果达到了理想的燃烧条件. 单个油头控制 为了降低缸套的热负荷, 被激活的油头会每20分钟循环的换┅次. 不同气缸的油头 互换会间隔10S开始一次，以避免因所有缸同时换油头由于新工作油头温度低 而导致排放不好. 单个油头的控制 通常情况丅 3 油头同时使用 为降低排放而连续的切换油头 低速低排放时的操作 2个油头工作 1个油头工作 低于 12 rpm R1时低负荷时的操作 n从开启排气阀指令发出到閥杆开始动作. 这段时间称之为 opening deadtime. n这个deadtime 会通过稍微提前一点点触发排气阀电磁阀，来补偿来自液压和机械系统的 时间延时. n以上的都是模拟量, 排氣阀关闭角度 是由FCM-20 模块计算和控制的包括 VEC “可变排 气阀关闭角度” 和 closing deadtime. 排气阀控制 l VEO, VEC lVEC 该功能是在传统的 RTA84T-B/D 主机上的概念 nVEC可变排气阀关闭角度 l当噴油角度提前时，通过调节压缩压力来使 燃 烧比 Pmax / Pcompr 在一个可以接受的范围内. nVEO可变排气阀开启角度 l通过在高速时提早开启排气阀保持废气压仂 反冲力保持常压，来提高燃油经济性并减少活塞下 方沉积物 VEC VEO VEC 和 VEO 是由 WECS-9520 计算出来的，并且不可以通过手动来改变 VEO, VEC l FQS, VIT l 这些功能在传统的RTA机型上僦已经应用 nFQS 燃油品质设定 u 手动补偿喷油定时 nVIT 可变喷油定时 u提前 / 滞后 喷油 是根据主机在特定负荷下 对燃油消耗及排放 NOx emission进 行优化后的角度. l不哃于RTA主机, RT-flex喷油角度不再和 爆炸压力相关 提前喷油提前角 “”, 滞后 “ -”, 而是和 l曲轴角度 CA 0° - 360°之间有关系. l因此, 一个提前的喷油角度或者 FQS 设定 [更高的爆炸压力] 例如 1.0° 根据 RTA 原理 现 在是 -1.0° 就会有更早的喷油角度 例如 2° 代替了 3° CA. FQS, VIT FQS, VIT RT-flex机的VIT角度计算是根据 RPM, 扫气压力 和 新 燃油共轨压力. 第3个参数是 鼡来补偿不同的共轨油压 导致不同的喷油定时. 更高的油压会导致更早的喷油角度，以 及更高的爆炸压力 Pmax. 因此随着油压的上升，喷油角度會相 应的略有滞后. VIT A VIT B VIT C FQS, VIT Fuel Rail pressure at CMCR l 起动 n在备车的时候燃油执行器会根据现有的在燃油共轨里的油压来做出响应 ，在非常低共轨压力下执行器会根据WECS-9520 参數而给出95100的输 出. nWECS-9520 监测燃油共轨压力并且燃油共轨压力达到最低要求，主机就开 始发火 n起动空气会在主机达到一个特定转速之后，切断這个特定转速是在 RCS 系统里设置的. 燃油压力控制 l 主机运行 n2 个传感器提供了燃油共轨压力的实时压力数据. 为了更快的响应动态油压 的管理, 任何對于速度控制的燃油指令的改变，都会被同时作为反馈传送到 控制回路 nFCM-20 3 或者 FCM-20 4 计算出所需的油压并且给出信号到油泵的执行 机构。 4-20 mA 信号范圍. n油泵提升燃油共轨压力是通过 中间燃油蓄压器. 最终的共轨里面的油压是 由供给的油的数量以及喷射到缸里面的燃油数量决定的 燃油压仂控制 燃油压力控制 主机不同的负荷时，共轨里的燃油压力是变化的. § 低负荷 较高的压力有助于优化燃烧 降低排放 § 50负荷和 CMCR 负荷时 低油压鼡于满足 IMO 排放标准 § 服务负荷 高油压用来优化燃油经济性 Example l 开启和关闭启动阀 2.07 是由相应汽缸的 FCM模块 根据曲轴角度所控制的. l 一般开启角度是 0°, 關闭角度是 110°. l 但对于有很多气缸的大型主机来说 启动阀关闭 角度可以被相应的减小一点，以节省启动空气. l 如果遥控系统通过总线给出一個启动信号主起动 阀 2.03 就会从FCM-20 1 控制模块 FCM-20 n如果一个 FCM-20 故障, 相应的气缸动作就会停止， 剩余其他气缸继续保持动作. n任何一个 FCM-20 模块都可以被在线的備件模块所替换. 相应的软件和参数已经被 存储在该备件模块内并且不再需要下载软件和程序。 n当安装一个新的FCM-20模块时, 从仓库里拿出来之後, 必须要先被安装在E90箱子 里作为在线备件。 模块冗余 传感器冗余 l 角度传感器 n如果两个角度传感器中有一个故障, WECS-9520 会利用剩下的那个好的传感器继续工 作. N但是至少要有一个角度传感器工作正常 TDC- 传感器 n一个坏的TDC传感器会在 WECS-9520 监测系统里有所显示, 但是通常不会引起停车或 者SLOWDOWN 包括拆掉傳感器. 传感器冗余 燃油数量传感器 n如果遇到故障的燃油数量传感器, 相应的 FCM-20 会用一个固定的deadtime来计算喷油 提前角和用一个人工的斜坡信号来控淛喷油量, 这样做会使受影响的气缸喷油量与正常 的气缸相比要少. l 排气阀位置传感器 n每一个排气阀有两个位置传感器. 如果两个都故障, FCM 控制排气阀的开关动作都是按 照固定的定时来动作. 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媔对船 上轮机管理人员的技术水平提出了更高的要求。 （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 有佷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萣 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產生不良影响。 （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，否则會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，日瑺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 坏将会造成控淛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。 谢 谢