船舶电喷柴油机-瓦锡兰共轨技术

1、大连远洋运输公司,船舶轮机新技术 共轨技术在船上的应用 大连远洋运输公司 郑连国 2012.11.25,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多个国家拥有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年开

2、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离，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，在原苏尔寿品牌的RTA系列

3、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。 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、减压阀等）、伺服油自清滤器、曲轴转

4、角传感器、E95控制箱、E90控制箱。,二、Wartsila智能柴油机（共轨）工作原理,传统机型与共轨柴油机比较, Wrtsil Land TDC Pick-up) Digital Input 2 (Pressure Switches) Analogue Out (Fuel Actuator Set point) Power Supply Failure Module ready, SW OK Failure on Module Not Applicable,FCM-20 硬件 低位 I/O,FCM-20 硬件 I/O口 在模块的右下角，是数据总线和低压信号的接头插口。 LEDs 显示出FCM

5、-20 模块和 I/O 状态. 当发生故障或者发生短路时一些LED会改变颜色. 闪烁的代码会显示详细的故障信息.,FCM-20 模块和WECS-9520 的内部功能可以被分为两大组: 单缸相关功能 共用功能 单缸相关功能: 为了将阀控定时和角度编码器信号同步, 每一个FCM-20从SSI-Bus读取并且处理角度编码信号来计算单缸的转速、角度、和转向。 启动-, 喷油- 和排气阀动作是根据数据库中的设定和从CANopen System bus读取的控制信号和参数来控制的。 共用功能: 燃油-和伺服油共轨压力调节和监测, 控制油泵的控制 存储和处理调整的数据 (IMO, 主机特性参数及通用设定)

6、WECS内部监测(电源监测, 软件加密狗, CRC- 起 / 停 根据实际的扫气压力. 手动起动鼓风机, 如果两个扫气压力传感器都故障=显示: 辅助鼓风机手动控制. / 鼓风机没有运行 在鼓风机自动状态下，只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进行复位 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面板上. 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

7、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.,共轨阀: 共轨阀组是由超快的(1ms)电液电磁阀组组成的. 考虑到很高的动作电流以及电磁阀铁芯的热负荷, 所以该动作不能够超过4.5ms. 这个“on”-time 会被 采样, 并且由 WECS-9520监测并且限制在4.5ms 之内. 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. 在安装完或者更换这个双稳态电磁阀之后, 其阀的位置 (开还是关) 是不知道的. 为了确保主机停车时，阀一直处于安全位置 “没有喷油” 和 “排气阀关闭” 位置 , 从WECS-95

8、20 会间隔一段时间( 10S)送出 一个脉冲复位信号给共轨阀,共轨阀,曲轴角度检测: 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. 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. 这样的设计可以避免角度编码器轴向以及径向的移动，产生测量 误差. 每个角度编码器从光学编码碟片上读取曲轴 角度并转换成数字位信号. FCM-20 模块通过 SSI bus 来读取这些数据 (Synch

9、ronous Serial Interface Bus).,曲轴角度检测,为了同步 FCM-20 模块和 CA-sensors之间的数据, 每个SSI 总线都拥有自己的 clock bus, 而数据位则是通过 data bus传送. 倒数两个 FCM-20 模块是clock bus masters (e.g. #11 & #12 on a 12-cyl. RT-flex).I.e. FCM-20 #(倒数第二块) 提供时钟脉冲信号给 1号传感器和1号总线上的其他模块. FCM-20 #(最后一块) 提供脉冲信号给 2号传感器和2号总线上的其他模块. 从 CA sensors过来的信号在FCM-

10、20内部都会处理并且监测是否有错误. 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). 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 用来补偿从控制系统给出喷油指令到喷油真正开始的时

11、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，这段时间里测量到的。 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) 每一个缸上的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:,在主机运转在低负荷时 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

12、力只能由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分钟循环的换一次. 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,从开启排气阀指令发出到阀杆开始动作. 这段时间称之为 opening deadtime. 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. 以上的都是模拟量

13、, 排气阀关闭角度 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,VEO, VEC: VEC 该功能是在传统的 RTA84T-B/D 主机上的概念:,VEC:可变排气阀关闭角度 当喷油角度提前时，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. VEO:可变排气阀开启角度 通过在高速时提早开启排气阀，保持废气压力反冲力保持常压，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,

14、 VEC,FQS, VIT: 这些功能在传统的RTA机型上就已经应用: FQS:燃油品质设定 手动补偿喷油定时 VIT:可变喷油定时 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. 不同于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 曲轴角度 (CA) 0 - 360之间有关系. 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

15、, 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 用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，喷油角度会相应的略有滞后.,VIT A,VIT B,VIT C,FQS, VIT,起动 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 参数而给出95100%的输出. WECS-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。 起动空气会在主

16、机达到一个特定转速之后，切断，这个特定转速是在 RCS 系统里设置的.,燃油压力控制,主机运行 2 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, 任何对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。 FCM-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 信号范围). 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。,燃油压力控制,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

17、 (降低排放) 50%负荷和 CMCR 负荷时: 低油压用于满足 IMO 排放标准 服务负荷: 高油压用来优化燃油经济性,Example:,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. 一般开启角度是 0, 关闭角度是 110. 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. 如果遥控系统通过总线给出一个启动信号，主起动阀 2.03 就会从FCM-20 #1 和 FCM-20 #2得到信号，通过 ZV70113C 和 ZV7014C 电磁阀被打开 对于慢转和慢转失败复位, 遥控系统分别发送信号到FCM-20 #1 和 FC

18、M-20 #2. 慢转的速度可以通过调整WECS-9520中的脉冲频率参数加以调节 另外， Air Run信号可以利用启动空气吹一吹主机,起动阀控制,2.07,2.03,冗余, 在部件受损时的应急操作: Flex 控制模块 FCM-20 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. 任何一个 FCM-20 模块都可以被在线的备件模块所替换. 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。 当安装一个新的FCM-20模块时, 从仓库里拿出来之后, 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,角度传感器 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. 但是至少要有一个角度传感器工作正常 ! TDC- 传感器 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 (= 包括拆掉传感器).,传感器冗余,燃油数量传感器 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