海船船员适任证书知识更新船用电喷柴油机控制系统

第十四章船用柴油机智能控制系统

随着智能控制在陆上工业各领域广泛应用和成熟，船上控制系统也发生变化，最先引

入智能控制是船舶航向自动操舵仪，随之航迹保持器。到了上个世纪80年代未，引入船

舶主机，形成了智能型柴油机概念。由于人们对船舶可靠性、经济性和废气排放控制日益

关注，90年代各大船舶主机制造商相继在实验室开展了智能柴油机研究，1993年MAN

B&W公司研制出实验机，在实验室中运转。1998年首台智能型柴油机安装在挪威Bow

Cecil轮上。11月使用智能系统船舶主机进行试航，并通过了DNV等船级社承认，初MAN

B&W公司正式推出了电子控制ME系列柴油机。而瑞士Wartsila公司在1998年一方面推

出了共轨式全电子控制智能型柴油机SulzerRT-flex（电控等压喷射；燃油喷射系统，该系

统实现了无凸轮轴柴油机燃油喷射，排气阀启、闭，起动空气和缸套润滑全电控制，甚称

柴油机第三次革命。本章一方面重点简介智能型柴油机控制系统基木构造和工作原理，然

后简介SulzerRT-flex型智能柴油机控制系统和MANB&WME系列智能型柴油机控制系

统。对于智能型柴油机与老式柴油机在机械构造区别及工作原理在《船舶柴油机》中简介，

此处不重述。

第一节船用柴油机智能控制基本原理

一、概述

智能控制引入船舶主机控制系统是从智能调速器开始，它把船舶主机现时排烟中含氧

量、温度、增压器压力、转速等信号都引入控制系统，依照现时主机给定转速与实际转速

偏差大小，再综合现时排烟温度、揖压器压力、含氧量等来决定燃油量，使其充分燃烧，

达到经济性规定。但是，影响船舶柴油机燃油燃烧充分与否因素诸多，不但与增压器压力

大小，输入新鲜空气量大小关于，还与喷射启动时间、喷射时间持续长短、燃油喷射压力

关于，并11不同柴油机转速下，它们也是不相等。因此，当时智能型调速器就达不到减排

高效目，只能通过老式柴油机自身构造上突破，才干提高船舶主机可靠性、经济性和减少

带珞式的：突出显示

排放。Warlsila公司一方面提出夬轨技术，在老式SulzerRTA型柴油机上取消辽废建气

〔带珞式的:字体：加粗，字体颜f

:带珞式的：谷体：加粗，字体颜

阀驱动装置(exhaustvalvedriver)s燃油泵(fuelpump)、凸轮轴(Camshaft)>可逆(倒f

车)伺服马达(reversingservomotor)、燃油连接(fuellinkage)、起动空气分派器(start

1带珞式的二字体：力口粗，字体颜7

airdistribution)和凸轮轴驱动(camshaftdrive)等机构。,ommonRai1(共轨)装篁，

:带珞式的:南礼加1粗，字体颜f

用来建立燃油压力，采用液压控制废(排)气阀启、闭操作，容积喷射控制单元(Volumetric1带咯式的：字体：加粗，字体颜f

InjectionControlUnit)控制燃油流量和喷射时间；燃油供应单元(fuelsupplyunit)取代

原有燃油泵来提供高压燃油，由液压伺服油泵提供动力液压油，RT-flex型智能柴油机构造

示意图，如图14-1-1所示。

图RT.flex型智能柴油机构造示意图

二、智能型柴油机共轨技术

采用老式机械构造柴油机无法实现高效减排目的，只有通过机电一体化设计对老式柴

油机在构造上进行变革，才干实现高可靠性、经济性和高效减排目，通过几十年研究，诞

带履的：下划线

生了柴油机共轨技术。图14-1-2为瑞士yartsila公司研制SulzerRT-flcx.型船用低速柴油机

〔带珞式的：字体：力口粗，突出显;

电子控制共轨技术系统。从图15-1・2中可以看见，该系统以消了凸轮轴装置对其喷油和排

（带珞式的：字体：加粗，字体颜f

气控制，取而代之是［VECS9500捏制系统，它给各缸气缸控制单元（C3）遂送燃油喷［带珞式的：字体：力咻比突出显二

妫宪制售•，，气缸控制单元，依照这个指令和本缸气缸活塞位置等夹控制燃油喷射量、骐带珞式的：字体：倾斜，图案：1

景，白色背景）

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射时间、黑射方式（一次性喷射，脉冲性喷射）以及膜射油头个数。排气阀控制是由j带珞式的：图案：15%（自动设置

［带珞式的：图案：15附（自动设置

WECS9500控制系统发出指令给各缸控制单元（CCU）,CCU就依照指令给本辄排气控制

i带珞式的：图案：15%（自动设置

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电磁阀通电，控制高压何服油，去驱动排气阀使之排气；而柴油机起动也是由WECS9500

控制系统依照曲柄角度传感器送来曲柄位置信号来鉴别各缸活塞位置，从而发出哪个缸应

带珞式的：画橐：15%（自动痈

打开起动阀进气，进行起动。这里走动阀也是采用电动控制电磁阀:

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图14-1-2SulzerRT-flex共轨技术系统示意图

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从图上看，各缸燃油压力都是同样，各缸液压伺服油压力也是同样，由此而得名，称

［带珞式的：字体：力口粗，下划线:

之为共轨技术,只但是各大柴油机制造商所采用压力不同而已。象瑞士Wartsila公司Sulzer

RT-flex机型是采用1000bar高压燃油压力，而MANB&WME系列是采用7-8bar低压燃油

压力，它需进行二次增压后才干喷射。

三、智能型柴油机控制系统构成和重要功能

带珞式的：突出显示

1.智能型柴油机控制系统构成

要实现柴油机高效率和减少废气排放量，采用老式机械构造是无法达到，只有通过机

电一体化设计才干实现。运用电控制手段，才干做到灵活多变，适应不同柴油机工况规定。

船的柴油机智能控制系统重要由如二各某些构成:

【带珞式的：字体：力U粗，字体颜f

（1）每营模式选取程序某些

带履的：波浪线-

它重要由低排放控制模式、燃汨经济性模式、主机运营保护模式、应急停式J车最优化

［带珞式^2藤泵线

:带珞式的：波浪线

等模式构成。智能控制系统可依照船舶航行实际状况，由驾驶台或自身控制系统选取相应

带珞式的:波浪线

所需运营模式。

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（2）注机控制系级

:带珞式的：字色颜色：红色

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它重要由汽缸喷射油量控制、燃油泵控制、气缸压力测量与分析、最大功率巴呱控制、

排气阀控制、压缩压力控制、增压系统控制等单元构成，它控制了柴油机各系统运营。

【带珞式的：字体：力u粗，字体颜7

（3）注机工况监测、分析与管理

主机工况监测、分析与管理应能自动采集主机各种运营参数，并通过计算机控制，使

［带珞式的：波浪线

主机始终运营在最佳状态，它重要日萨塞环或气缸套工况监测、气缸压力监测、扭力和振

动监测以及柴油机智能管理等单元构成。

综上所述，智能型柴油机控制系统构成可用拓扑图表达，如图14-1-3所示。

［带咕式的：突出显示

2.智能型柴油8值要功能

要实现智能型柴油机各种功能，要靠当代自动化、计算机、通讯等技术手段来支持。

［带珞式的：字体：力【I粗，字体颜f

1方圆将检测回来柴油机件神":菅工态信号送到计算机匕J仰次：按照最日「作模式，使

:带珞式的：波浪线

柴油机燃油效率最高，排放最低），解决成果对柴油机燃油喷射系统、电子调速系统、增

［带珞式的：突出显示

压系统、排气阀系统等进行控制，这掰见定检测信号传感器反映快，可靠性高，计算机运

［带珞式的：字体：力【I粗，字体颜7

营速度快，各系统执行机构动作快、敏捷和可靠。另一方面是对柴油机管理维护、故障诊

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质等进行深层次管理，使柴油机在寿命期限内达到,最大效率。它重要完毕柴油机各工迈瞳

［带珞式的「波浪线"

测，记录历史数据,对其进行分析，检测出磨损量，预测出检修、更换备件时间表，同步,

还能对备件进行筐理，少件或缺件自动影成里购表。通过检测回来类油机运营参数，对存

［带珞式的：字体：力U粗，字体颜f

在故障能进行故障诊断，它能实现对柴油机进行全方位管理。屋后，由于检测参数多，执

〔带珞式的：波浪线，突出显示

行机构也多，用单台计算机解决控制无法满足适时性，.要采用分散式揆制方案，就得用妥

:带珞会的：突出显示一

台解决迷。这样，它们之间联系是通过押场总线方式，进行互换和传递有关信息，正如每

个气缸控制解决单元（CCU）与主控制解决器（MCU）是通过网络总线来联系。

智能柴油机控制系统构造示意图如图14-1-4所示，图14-1-5是智能柴油机控制系统方

框图。由图14-1-4可见，集控室可用多台电脑与现场总线（双总线制互为备用），柴油机

由两个主机控制单元（EU）控制，它们之间也是互为备用，一种单元在运营工作，另一种

处在热备用，通过集控室上转换开关来切换，由集控室或驾驶台车钟发讯器下达车令，通

过数据解决送到总线上，主机控制器（EU）接受到该车令后依照传感器（S）检测回来柴

油机现时状态信息进行解决，然后，按解决成果形成指令，通过总线送到各缸控制器（CU）,

对本缸燃油喷射控制、排气阀控制、起动阀控制、特定气缸气缸注油器控制等。

图14-1-4智能柴油机控制系统构造示意图

Bridge

Panel

图I4/.5智能柴油机控制系统方框图

开发智能型柴油机公司诸多，重要有：美国卡特彼勒（HEUI系统），德国（博世）Rcbcrt

BesehBosch公司,意大利（菲亚特）Fiai集团（Unijet系统），日本电装公司（ECD-UZ系

统）英国Loucas公司（dieselsystem）及大型低速柴油机供应商Wartsila公司（RT-flex

系统）和MANB&W公司（ME系统）低速柴油机。国内船上所采用比较典型是Warisila

公司RT-flex系统和MANB&W公司ME系统，背面两节将对这两个系统分别作简介。由

于各公司进行技术保密，只能对其方框构造简介，无法做到元器件简介，但作为管理维护

人员来讲，懂得其信息流程关系，以及各现场传感器、执行器作用，一旦这些单元发生故

障，可以排除这些故障。

笫二节RT-flex柴油机智能控制系统

一、WECS-9500控制系统

带珞式的：突出显示

Wartsila公司RT-flex型智能柴油机控制系统核心单元是WECS-9500,它构造原理框

带珞式的:突出显示

图，如图所示。由图可见，它重要由此控制器（）和各气缸拴制单

14-2-114-2-1COM-EU［带珞式的：突出显示

:带珞式的：谷体颜色：红色

元CCYL-EU）等构成。主控制器（COM-EU）接受外界信号，加主机遥控系统，调速器,

安保系统，人机界面，控制油系统，燃油系统，液压伺服系统等信号，然后进行程序解决,

把解决成果送到各气缸控制器（CCU）,由其再去控制燃油系统执行器、液压伺服系统执行

器等进行相应调节，使柴油机完毕相应功能，达到最佳运营状态。

［带珞式的：字体：力U粗，字体颜f

JVECS-9500控制系统不但取代了老式柴油机上凸轮轴有关机械零部件功能，并且能

【带珞式的：波浪线

对燃油喷射、排气阀动作、柴油机起动、换向、停车和气缸润滑等功能全电子化灵活控制。

［带珞式的：波浪线

通过对有关参数设定和修改，国调至主机运营状态和性能参数，实现柴油机最佳性能。此

:带略式的:波浪线

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外，还可对主机运营状况进行实时监测,并与船上其他控制系统、报警系统连接，将主机

【带珞式的：突出显示一

运营状况直接送到各系统，各系统可直接采用该信号进行综合解决。可见，它理要作用是

对CommonRail燃油压力、伺服油压力进行控制以及主机、气缸有关功能管理，其中涉及

对主机状态检测、参数调节、控制气缸喷油时间、喷油量、排气时间，使主机处在最佳工

［带珞式的：波浪线

作状态，此外，势负责对外界系统通信。

CONTROLROOMIWECS-9500onEngine

ServoOilSystem

ServoOil

Remote

ControlP/PActuator

RemoteLccal

BackupBackup

ControlControl

Selectorfor

COM-EU1/2

UOM-bU

Speed

Control

Safety

System

CYL-EU1CYL-EU2CYL-EU3CYL-EU4CYL-EU5CYL-EUJ

Ship-

Alarm

System

WECS-9500

Assistant

图14.2/WECS-9500控制系统

1.WECS-9500控制系统各功能单元作用

带珞式的：突出显示

(I)公共电子控制单元(fOM-EU)

带珞式的：波浪线

它涉及眄个主控制模块MCM,它们互为备用，一种MCM工作，另一种处在热备用

状态，由外部选取开关发信号给选取模块ASM,ASM模块依照选取开关信号拟定哪个模

［带珞我的：字体：加1粗，字体颜7

块处在工作，哪个处在热备用。MCM重要作用是对fommonRail中油压控制、主起动阀

:带咯式的：字体颜色：深蓝

控制以及与其他系统通信，并对主机内部信号进行检测和传播。

（2）气缸电子控制单元（CYL-EU）

带珞式的：字体：力口粗，字体颜f

每个气缸都装配一种气缸电子控制单元（CEU）,它安装在CommonRail平台下部,

它提供对气缸起动空气阀启、闭进行控制，燃油喷射、废（排）气阀启、闭在时间和数量

［带珞式的,字体颜色：红色

上峥控制并在时间和数量上进行控制,即VITVEO陛笑功能控制」。_________________

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（3）曲柄轴角度传感器（CrankAngleSensor）

［带珞式的：字体颜色：红色一

它用于精确测量曲柄轴位置，该信号送到CEU,从而推算出气缸活塞位置，便于对气

缸喷油和排气时间控制。

（4）各缸执行器传感器

用于检测各电磁阀，液压伺服油缸工作状态。

（5）WECS辅助控制单元（WECSassislanD

【带珞式的：字体颜色：红色

它安装在集控室，由一台计算机和一台MAPEX-CR控制装置构成。这套装置作用是：

带珞式的：波浪线

显示主机状态及报警信息，例如每个气缸燃油、废气、延时时间，每个气缸活塞速度等状

［带珞式的：波浪线

态信息显示，以及各传感器测量值、参数设定值和动态曲线显示。对•各运营参数越限进行

【带珞式的：波浪线一

报鳖显示。对主机某塔参数进行设定。参数设定可分为两组，1组为操作人员，无需密码

带咯式的：突出显示

进入设定，例如，最大油耗限制、磨合模式、修改VIT、FQS等参数，变化喷油起始角

［带珞式的：突出显示一

度，排气阀关闭角度等；•另一组为专家，需密码进入，只有柴油机厂家服务人员或通过厂

家授权人员才干改定，例如：发火顺序这种核心参数。同步，作为智能化主机，RT-Ilex

机型还配备某些附加功能，如：某些特殊参数检测，数据分析，管理维修，备件管理等，

其中涉及MAPEX-TP（气缸磨损检测），MAPEX-PR（活塞运营可靠性检测），MAPEX-CR

（燃烧可靠检测），MAPEX-TV/AV（扭矩振动/轴向振动检测），MAPEX-SM（备件和维

修）等，顾客可依照自己规定来选取这些功能（所有或某些）。

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2.WECS-9500控制系统旭信功能：

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（1）与此机遥控系统通信

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所有注机运营命令如正车、换向、倒车等，根据操作人员所操车钟规定形成指令送给

带珞式的：字体颜色：深蓝

WECS-95OO公共模堤（COMEU）,同步，主控模块上主机负荷和检测到排气压力、排烟

温度等信号也会传送给主机遥控系统。

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（2）与船舶栽警系统通信

WECS-9500控制系统检测到主机故障信号时，会发给船舶报警系统进行报警、打印、

记录或发出减速、停车信号给安保系统。WECS-95OO报警信号可分为次要报警信号和重要

报警信号，如封缸报警信号为重要报警信号。

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（3）与排速控制器通信

主机调速器是独立一某些，WECS-9500控制系统接到主机调速器一种燃油指令信号，

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注控模块（ComEU）将这个信号分派到所有各气缸控制模块（CEU）,这就是柴油机此时

燃油给定值。如果调速器发生故障，仍可手动调节燃油命令信号，此时，主机处在备用模

式运营，在该模式下，对于可变螺距主机而言，为了防止主机超速，应把螺旋桨设为定螺

距运营。

带珞式的：图窠：15%（自动设曾

（4）与趋取器通信

与辨认器进行信号互换，拟定哪一种主控模块处在运营状态，哪一种处在热备用状态。

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（5）与拿全保护系统通信

WECS-95OO控制系统对液压系统泄漏监测、各传感器工作状态监测、曲柄轴角度传感

器监控，把这些监控到信号都发到安全保护系统。泄漏检测是采用在整个液压系统外皮包

装中安装各种检测开关，当系统中某个部位或子系统发生不正常泄漏，就能检测出来。对

各传感器工作状态监控是判断传感器送出信号与否越过上、下限值，若超过测量范畴，阐

明传感器工作不正常，此信号不可信，同步也显示一种测量误差信号。由于曲柄轴角度是

极其重要参数，对其检测采用冗余设计，把两个曲柄轴角度编码器安装在自由端，通过联

轴罂由曲轴驱动。这两个曲柄轴角度编码器提供绝对转角信号，两个信号都传送到各气缸

控制单元（CEU）,对这两个曲柄轴角度编码器信号进行比较，浮现偏差超限，阐明编码

器不正常或故障。若不浮现偏差超限，再与飞轮端转速传感器读数进行比较，必要时还需

通过WECS辅助控制器进行补偿和校正。

二、WECS-9500系统中公共电子单元（COM-EU）

图14-2-2是WECS-9500系统中公共电子单元方框图，其中有一种模式辨认模块ASM

带珞式的：字体颜色：红色

10,是由集控室中您取器来选中某一种主控板（MCM700）为运营板，另一种为备用板,

该信号通过ASM10辨认选中其中一种块作为运营板，另一种为备用板，例如以MCM700

1号为运营板，2号就成热备用板。这时运营主控板MCM700就与驾驶台或集控室外界系

统通信，依照各传感器采集回来主机现时运营状态信息和外界指令规定，形成命令，传播

带珞式的：字体颜色：红色

给每个缸气缸控制器，进行相应控制操作，回匕帘认模块ASM10发出指

带珞式的：字体颜色：红色

行驱动器，使燃油泵工作；辨认模凡也发出指令使控制油泵工作。选中主控板依照车钟指

【带珞式的：字体颜色：红色

令也直接对起动空气阀进行控制。

COMMONELECTRONICUNIT(COM-EU)

三、气缸控制单元（CYL・EU）

图14-2-3是WECS-9500控制系统中气缸控制单元方框图，它由气缸控制中心模块

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（£CM）和阀件控制信号放大驱动模块（VDM）构成。当气缸控制模块CCM从CAN总

带珞式的：突出显示

线上与主控制模块MCM进行通信，从冗余设计曲柄轴角度编吗器获取曲柄轴位置，推算

出气缸活塞位置，做出对气缸运营状态进行控制，同步也采集燃油喷射信号、排气阀位置

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信号以及三个喷射阀状态适时信号，然后通过设定程序进行计算解决，对各燃油喷射阀、

废气排放阀、起动进气阀和液压伺服油泵执行器进行控制。

CYLINDERELECTRONICUNIT(CYL-EU)

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Pump

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图I4-2.3气缸控制单元方框图

四、智能型柴油机燃油系统控制

由于智能型柴油机燃油是采用共轨系统，因此，就有共轨燃油乐力控制和各缸喷射油

量控制。图14-2-4为SulzerRT-flex智能型柴油机共轨管路燃油压力控制原理图。由图14-2-4

可见，主控模块MCM从气缸控制模块CCM接受柴油机转速信号和现时共轨上压力信号,

然后通过内部运算解决输出控制燃油泵执行机构驷动器信号，并对其控制，使得燃油泵输

出燃油压力达到现时柴油机转速所规定压力。当共轨上燃油压力高时，通过燃油压力控制

释放阀，使其保持稳压；当安保系统检测到危及主机故障信号时就发出关闭燃油信号，使

燃油速闭阀动作，把燃油排放掉。同步，共轨燃油压力也受主轴承滑油压力控制燃油压力

控制阀控制，起到保护柴油机目。燃油增压泵是由曲柄轴通过传动机构来驱动，如果其中

一种燃油泵驱动器发生故障，它会通过弹簧使得正常连接在恰当位置或移动到最高位置，

变成定星泉，别的没有发生故障燃油泉仍保持变星案而受控。

图14-2-4SulzerRT-flex智能型柴油机燃油共轴压力控制

图14-2-5为SulzerRT-flex智能型柴油机燃油喷射量控制原理图。在非喷射燃油时间

段内，气缸控制模块CCM不发出喷射燃油信号，三个电磁阀无电，控制伺服油不能进入

喷射控制阀信号端，喷射控制阀下位通，共轨管路中lOOObar燃油道过三个喷射控制阀下

位，进入燃油喷射量油缸中，控制好量油缸中活塞位置，就量好了该气缸燃油喷射量大小。

燃油喷射量是主控模块MCM通过比较速度控制微中喷射油量和燃油指令信号规定推算

出。当CCM依照曲柄轴编码器送来曲柄角度信号和VIT,就可计算出喷射初始角，到达

喷射初始角时刻CCM给VDM发喷油指令，使共轨电磁阀通电（这三个电磁阀与否同步

通电，取决当时柴油机负荷和转速，如：低速、低负荷时，只需一种电磁阀工作，即一种

油嘴工作），这时相应液压伺服控制油出当前喷射控制阀信号端，使其上位通，这时共轴

管路燃油被堵塞，量油缸中lOOObar燃油再通过活塞驱动，形成更高压，通过喷油嘴喷入

气缸进行雾化燃烧。由于各阀件启、闭是需要时间，为「准拟定期喷油，需要计算出延时

时间，普通把触发信号发出时刻到有效喷射时刻之间差值称为喷射动作滞后时间。依照之

前循环喷射动作滞后时间可计算出二一种喷射循环。喷射系统还可以采集三个喷射阀启动

带珞式的：字体：力U粗，字体颜f

时间来监测每次循环，以至于保证不混乱。加果油量传感器损环了，控制系统将取代主控

制器MCM燃油指令信号，进行定量喷射。

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图14-2-5SUIzerRT-flex智能型柴油机燃油喷射量控制原理图

五、液压伺服油压力控制

图14-2-6为SulzerRT-fiex智能型柴油机液压控制油压力控制原理图。主控制模块

MCM采集控制油轨伺服油压力信号，与给定值200bar比较，若浮现偏差，通过CAN总

线使各气缸控制模块CCM去控制伺服泵输出量，从而控制伺服油轨压力。每个气缸控制

器CCM都输出一种指令信号给伺服泵内部压力控制器，普通该控制信号是一种脉宽调制

信号(1〜2.5A,AC),其频率为60〜100Hz。伺服和控制油都是把润滑油再通过一次过滤

后滑油。伺服控制油共轨管路系统装了一种安全阀，还安装两个压刀传感器，把共轨伺服

控制油压力信号送到主控模块MCM。控制油系统除了安装安全阀外，还装了一种稳压阀,

保持控制］油压力不变。

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ExhaustValveDrive

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ServoOil

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