船机故障心莫慌，遇事不决船机帮
导读
文章简要介绍了船用柴油机的发展历程以及船用电控柴油机的工作原理。
从公共油轨、原始动力、高压油泵、喷油控制、燃油来源方面分析对比了瓦锡兰和曼恩电控两种主流智能型船用柴油机。
一、船用柴油机的发展
船用柴油机主要经历了四个阶段：
无气喷射式柴油机、大功率大缸径、长行程及超长行程低速柴油机、电子控制式船舶柴油机。
1）第一阶段是从20世纪初至20世纪40年代。随着无气喷射技术的发展及应用，船舶柴油机技术得到完善；
2）第二阶段是20世纪40年代至70年代。废气涡轮增压技术在此时得到快速的发展并趋于成熟，使得船用低速柴油机发展迅速；
3）第三阶段是从20世纪70年代至90年代末。低速、高效船用柴油机成为当时主要趋势。在这种背景下，长行程及超长行程低速柴油机得到了快速的发展；
4）第四阶段是从21世纪初开始的。在 21 世纪，电子科学技术的飞速发展促进了电子控制在船舶柴油机上应用。
通过电子系统控制柴油机的喷油、排气等过程，将柴油机的管理、检测等也纳入电子化、智能化的分析中，使船用柴油机的自动化程度进一步提高。典型的电子控制式船用柴油机机型是 Sulzer RT-flex 高压共轨柴油机和 MAN B&W的ME系列柴油机。
wartsila rt-flex 50-b柴油机透视图
man b&w s60me-c8 柴油机透视图
二、电控柴油机及共轨简介
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一代柴油机。
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。
高压共轨(Common Rail)电喷技术是指在高压油泵、压力传感器和电子控制单元(ECU)组成的闭环系统中，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式。
它是由高压油泵将高压燃油输送到公共供油管(Rail)，通过公共供油管内的油压实现精确控制，使高压油管压力(Pressure)大小与
柴油机的转速无关，其可以大幅度减小柴油机供油压力随柴油机转速变化的程度，因此也就减少了传统柴油机燃油压力波动的缺陷。
ECU 控制喷油器的喷油量，喷油量大小取决于燃油轨（公共供油管）压力和电磁阀开启时间的长短。
高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，并消除燃油中的压力波动，然后再输送给每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止。
三、瓦锡兰与曼恩
船用电控柴油机技术对比
Wartsila公司SulzerRT-flex系列柴油机和MAN公司的 ME 系列柴油机在公共油轨、原始动力、高压油泵、喷油控制、燃油来源等方面有所不同。
1、公共油轨
图 1 RT-flex 机型公共油轨
SulzerRT-flex 机型有两个公共油轨如图1 所示，一根 20MPa 压力的液压伺服油管（内部充满20MPa 压力的液压油），它的作用是在适当的时间驱动排气阀、气缸起动阀和喷射控制；一根 100MPa压力的燃油管（管内充满 100MPa 压力的燃油），它从油轨中进行喷射，作为柴油机的燃料油。
燃油喷油启（闭）定时、排气阀的开（闭）定时、启动空气的开（闭）定时均由每缸一个控制模块控制，而曲柄转角传感器，采集曲柄转动角度信号输入控制模块，计算喷油等定时时间（另外还有上死点TDC 位置传感器，采集各缸上死点位置信号进行顺序喷油和喷油定时控制）。
而 MAN ME 机型只有一个公共油轨为 20MPa 液压油，它作为动力油使用，如图2所示。
图 2 MAN-ME 机型公共油轨
其设计没有共轨燃油管路，而是通过控制各缸的电磁阀，使动力伺服油分别进入各缸排气阀和燃油增压单元进行排气操作和燃油增压喷油。
2、原始动力
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伺服油（柴油机起动前是用电动泵输入），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，做伺服油使用。
增压后伺服油达到高压（20MPa 左右）排至各缸高压油泵的两只大储存器里，高压伺服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
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。
RT-flex 50 型柴油机有两台燃油泵，由齿轮传动，凸轮轴驱动，油量调节由齿条控制，每台燃油泵各自有自己的执行机构。
若一台燃油泵的执行机构出现故障，它将会停在原处或者慢慢回到零位，另外一台燃油泵仍然正常工作。
若燃油泵出现机械故障，可以使用专用工具把这台燃油泵的滚轮抬起，使它停止工作，同时柴油机需要适当降速，以不出现燃油共轨压力异常报警为宜。
因为一台燃油泵的供油量不能满足柴油机保持常用转速需要的油量，这时燃油共轨压力会出现很大的波动（接近 10MPa），致使燃油共轨压力异常报警而导致柴油机慢车；
ME 机型采用的是液压驱动高压油泵。
相比于凸轮的传动使燃油泵柱塞上下运动， ME 机型是用高压滑油作为高压燃油的驱动动力。
MAN ME 机型采用无出油阀式喷油泵，但增设了油压波动缓冲器。
由于没有出油阀，当喷油泵柱塞向下运动时，高压油管内的燃油压力迅速下降至油腔压力，喷油器可迅速关闭，因而有效地克服了大型低速柴油机燃油喷射系统中两次喷射，重复喷射等现象，同时也不存在传统出油阀卸载容积与高压油管容积不匹配的问题，给高压油管的布置带来很大的灵活性。
4、喷油控制
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，控制的是伺服油；100MPa 压力的燃油供至每缸一组的喷油控制阀件处分二路，一路与喷油量采集装置内活塞（以下简称“活塞”）的右侧相通，另一路通过喷油液压控制阀与活塞的左侧相通，而活塞的左侧另有管子与 3 个喷油控制阀分别相连接。
根据曲柄转动角度信号，当该缸需喷油时，控制模块输出信号至喷油控制阀件组的电磁阀，电磁线圈通电时间约 2ms 即能到位，20MPa 压力的伺服油经电磁阀再去控制液控喷油控制阀，当 3 个喷油控制阀的其中任何一个动作时，100MPa 压力的燃油供至活塞左侧的通路断开。
因活塞的左侧另有管子与 3 个喷油控制阀分别相连接，因此活塞左侧燃油经另一管流经喷油控制阀至油头喷入气缸内，当活塞左侧燃油喷入气缸而至压力与容积减小时，在活塞右侧100MPa 压力的燃油作用下，活塞拉动活塞杆向左位移，从而采集到喷油量信号，用于转速闭环控制等。
电控共轨喷射系统可轻易实现 1 到 3 个油头的喷射控制，也可轻易实现多次喷射控制，达到可变喷油定时目的；
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，控制的是动力油。
喷油器采用双针阀可循环回油式。
当系统燃油压力低于1.0MPa 时（燃油系统正常油压为0.7~0.8MPa），内部滑阀回油口打开，燃油自动通过滑阀阀芯移动，遮住回油口，内部第一级针阀打开，随着油压进一步升高，且达到喷油压力时，第二级针阀升起喷油动作。
MAN ME 机型喷油器喷油压力是不可调节的，如发现油头、喷油压力低于设定值（30±2.5MPa）时，需要更换内部弹簧。
在新式机型中，可增加弹簧的调节垫片（每增加一片，相应可提高 3.0MPa 喷油压力）来弥补喷油压力的下降。
燃油喷射采用模拟量，燃油量的多少由每缸控制模块控制比例阀来控制喷油量，进而控制主机转速。
具体是通过控制燃油进油阀的开度来实现的。
采用一个三位三通液压伺服阀来控制喷油和排气阀的开启。
5、燃油的来源
RT-flex 机型燃油来自100MPa的油轨中。
主机通过曲轴的旋转为燃油泵加压，使燃油压力达到100MPa，然后该 100MPa 的燃油被送到共轨管路里，再通过共轨管路里的容积喷射控制单元对燃油喷射进行控制。
该控制单元由 20MPa 的伺服油驱动，而伺服油的触发信号来自于控制模块的气缸控制单元，气缸控制单元通过曲轴角度传感器测得曲轴位置和负荷，进行判断、计算。
同时，考虑传动机械的延时，然后选择最佳时机进行燃油的喷射。
轮机员还可以通过主机的反馈信息，利用控制系统的辅助单元根据燃油品质对可变喷油正时及燃油喷射量进行重新设定，另采用自动控制 RT-flex 的气缸的喷油阀有 3 个，低负荷运行时，控制系统可以关闭其中的 1 个或 2 个喷油阀，减少喷油量，从而可以达到省油，减少废气排放的目的，同时还可以达到良好的低负荷运行特性；
ME 机型的燃油是由一个供油泵供给的大约0.8MPa 的燃油，再输送至各缸，在缸头加压喷射。
所以其结构上没有 RT-flex 机型配备的高压共轨燃油管路，而是采用高压伺服油在各缸对低压燃油加压。
相比而言，高压共轨系统更加简单，单缸喷油装置更加复杂。
四、结束语
瓦锡兰RT-flex和曼恩ME是目前主流的船用智能电控柴油机。
瓦锡兰RT-flex在中速柴油机市场有优势，而曼恩ME在低速柴油机市场有优势。
瓦锡兰RT-flex和曼恩ME的公共油轨、原始动力、高压油泵、喷油控制等技术均各有特点。
本文原创作者系：
中国船级社广州分社 王剑凡
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