瓦锡兰最新型船用低速电控柴油机RT-flex35（W-X35）的性能与应用

wangweiqin168 2022-06-26 发布于重庆

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1.2 《 ME 电控柴油机的发展》（MC至ME）的视频已发布在抖音号“海事学苑”

目前电控技术在内燃机上的成功应用主要有两种方式:单体泵型电控内燃机及共轨型电控内燃机。本文介绍共轨型电控柴油机。在大功率低速二冲程柴油机领域, 以瓦锡兰公司为主设计开发的RT-flex系列高压共轨柴油机体现了全电子控制技术的优越性和先进性[1,2,3]。

1 RT-flex35 (W-X35) 主要技术指标

RT-flex35发动机性能优越, 在整个负荷范围内可靠性高、大修周期长达5年。主要技术参数见表1。

表1 主要技术参数

注:*标准调校/Delta调校/低负荷调校。

2 共轨系统控制原理

瓦锡兰RT-flex35发动机使用全电控 (UNIC) 共轨实现对燃油喷射控制、排气门控制、启动控制和气缸润滑控制。通过控制燃油喷射正时、喷油量、喷射速率、压力以及进、排气门正时, 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。

UNIC自动控制系统 (统一控制) 是一款嵌入式柴油机控制系统。此系统采用模块化设计。根据应用, UNIC配置中的一些零部件和功能可能会是可选的。UNIC系统设计中考虑了苛刻的主机使用环境, 在设计过程中专门对使用温度和振动耐久性做了努力。UNIC系统用于处理燃油喷射、排气门控制、气缸润滑、柴油机曲轴转角测取和转速/负荷控制。

系统采用现代总线技术传输传感器信号和其它信号。“通用功能”至外部推进控制系统和船舶报警和检测系统 (第5部分) 使用可靠的总线技术。外部系统充当人机交互界面。RT-flex柴油机上的UNIC控制系统是模块化系统, 包括:每缸一块气缸控制模块CCM-20, 用于各个气缸的控制。CCM单元同时装有大量冗余的全局功能用于柴油机控制;每机一块主控模块MCM-11, 用于速度控制和外部接口;两块机旁显示单元LDU-20, 一块安装在自由端机旁操纵箱, 另一块安装在集控室。所有模块用冗余的CAN总线连接。

2.1 燃油压力控制和喷射控制

2.1.1 轨压控制

UNIC系统最终的喷油时间参考值会因实际轨压 (偏差、波动等) 而产生一定偏差。鉴于此转速传感器和曲轴转角传感器将精确的柴油转角位置测量信息分别送至各气缸控制模块 (发火顺序和角位移已写进气缸控制模块) [4]。

轨压控制是基于负荷来决定的。控制回路使用两路冗余压力传感器测量设计轨压, 并将传感器链接气缸控制模块CCM#1和CCM#2 (从飞轮端数第一和第二缸气缸控制模块) 。CMM模块通过控制油泵流量控制阀 (FCV) 来调节实际轨压。在需要紧急泄压的情况下油泵执行器 (FCV) 将关至最小值以最小流量供油, 同时安保系统 (与UNIC系统是完全独立的电路) 会打开共轨管上的泄压阀泄放共轨管燃油。这里泄压阀既可充当机械的限压阀又可以在柴油机预热时充当流通阀。

2.1.2 喷射控制

各缸喷油电磁阀 (集成在喷油器上, 每缸两个) 由CCM-20模块控制。而打开喷油电磁阀需要较高的能量, CCM-20模块输出高能PWM控制信号分别驱动各喷油器电磁阀, 同时实现了对喷油器的单独控制 (见图1) 。喷油起始阶段使用较高的电流值 (开启电流) 以确保喷油器打开快速和循环周期的一致性;喷油器打开之后即切换为较低值电流 (保持电流) , 低电流在保持喷油器稳定打开的前提下可以减少控制电路和电磁阀本身产生的热量, 见图2。

图1 喷油器控制原理示意

喷油量 (即喷油持续期) 由CCM-20内部计算。而喷油量的计算则基于转速控制器的输出信号 (称为“燃油指令”) 。CCM-20将来自转速控制器的比例信号 (以R1点油量为基准, 即100%) 转化为各喷油器喷油持续时间值, 这个值的长短即决定了喷入各缸的燃油量, 也决定了柴油机负荷。

图2 控制电流

以上控制的实现大大提高了喷射控制的灵活性和准确性, 从而在油耗、排放方面有着重大的优越性。在不同负荷下控制系统自动改变共轨压力 (喷油压力) 和喷油正时, 如高负荷 (以100%点为例) 时将喷油压力提高至80~100 MPa, 喷油正时调整为上止点前2.25°CA, 在低负荷 (以25%点为例) 喷油压力调整为60 MPa左右, 喷油正时调整为上止点后2.93 CA。在很大程度上降低了油耗、排放。对于RT-flex35 (W-X35) 每缸安装有两只喷油器, 它们彼此独立控制, 可根据需要按设定程序分别动作或同时动作, 并且各喷油器可在各种不同喷射模式间转换 (见图3) 。

图3 燃油喷射模式

1) 提前喷射。在主喷射之前将占总喷射燃油量一定比例的燃油 (通常低于30%) 喷入气缸, 预喷的燃油在缸内产生冷焰反应, 使缸内温度和压力在主喷前已经升高, 当主喷燃油喷入气缸后, 由于预喷的引燃作用可以在很短的着火延迟期内燃烧, 缩短主喷滞燃期, 降低燃烧温度, 使主喷变柔和, 同时还有利于燃油的雾化均匀性, 从而降低NOx排放。[5]

2) 三次喷射。将总喷射量按一定比例分为三份, 分别喷入气缸。目的是在全工况下优化发动机输出转矩, 进一步减小尾气排放和油耗率。

3) 顺序喷射。控制系统单独驱动各喷油嘴, 使各喷油嘴按各自不同的定时喷油。自由选择共轨压力和喷射模式, 可以用来影响燃烧, 并在柴油机工作循环过程中形成各种不同形状的气缸压力曲线。这样, 选择理想的喷射模式, 即可实现柴油机期望的降低燃油耗率和控制烟度和NOx排放性能优化的目标。

另外, 在柴油机部分负荷工况, 系统可以切断喷油器喷油, 仅让燃油喷射通过一只 (轮换) 喷油器完成。这样, 有利于在低速运行时所需要的少量的燃油的喷射和良好雾化。在这种控制策略下, 柴油显示了卓越的低速稳定性, 以RT-flex35 (W-X35) 为例, 其最低稳定转速仅为MCR转速的10%~12%。

2.2 排气门控制和伺服油压力控制

各缸排气门由各缸控制模块CCM-20分别控制。各缸排气门动作由各自的排气阀位置传感器监测。系统根据位置信号进行补偿机械和液力的延迟与偏差。在传感器故障情况下阀动作则根据缺省值进行控制。控制过程如下。

1) 根据曲轴转角和可变排气门开启定时计算排气门开启指令。

2) 开启延迟测量0~15%排气门行程时间。

3) 根据曲轴转角和可变排气门关闭定时计算排气力关闭指令。

4) 关闭延迟测量0~15%排气门行程时间。

5) 在曲轴旋转一周后, 根据这一循环的延迟时间来修正下一循环的定时, 见图4。

图4 排气门控制原理示意

此机型配备两台伺服油泵, 每台伺服油泵内部有一个带电子设定点的机械压力式控制器, 此设定点由脉宽调制 (PWM) 信号决定。设定点取决于柴油机负荷, 由CCM-20模块CCM#3和CCM#4 (从飞轮端数第3和第4缸气缸控制模块) 发出。两台油泵的压力控制器分别连接一块CCM-20模块 (第3、4缸) , 这种分散化处理增强了伺服油系统的实用性。每个CCM模块连接有一个压力传感器监测伺服油系统伺服油压力。伺服油的压力大小由UNIC系统根据主机的负荷来决定, 主机的负荷大, 伺服油的压力也高, 加压后的伺服油再去驱动排气门伺服油单元, 去打开或关闭排气。排气门的打开和关闭时间 (VEO、VEC) 是按照UNIC系统的内部设定的曲线根据主机的转速自动调节的。伺服油控制系统见图5。

图5 伺服油控制示意

2.3 启动控制

启动时, 曲轴每旋转一周CCM-20模块控制起动阀在一定的曲轴转角开启和关闭一次, 直至启动成功。UNIC系统通过两副接近式传感器测量中间齿轮轮齿来获得曲轴转角信息。两个转角传感器、上止点信号传感器和下止点信号传感器连接至每块CCM-20模块。使用累加算法测量, 使用两个接近式传感器检测齿轮轮齿, 一个传感器检测上止点。通过以递增方式计算从基准位置至当前位置的脉冲数 (齿轮轮齿) 计算曲轴转角, 见图6。

使用单独的传感器检测基准位置 (上止点和下止点) 。基准点是上止点齿以及下止点齿的中心。两个脉冲之间的角度通过计算齿轮齿数获取。基准传感器信号用于同步相对位置信号和曲轴转角信号。通过使用精确的计时器、实际的柴油机转速和已测点的时间戳记估算测量点之间的曲轴转角以获得较高的测量精度。CCM-20模块内部基于递增测量原则计算曲轴转角位置 (绝对值) 。因此在CCM-20模块上电后, 只能在柴油机转过其中一个基准标记上止点或下止点之后才能获取曲轴转角信息。有些CCM-20模块出现因传感器故障不能处理转动方向信息时, 将会从其它具有两个完整曲轴转角传感器信号的CCM-20模块收到相应信息。

图6 启动控制示意

较传统启动方式, 瓦锡兰电控柴油机在系统控制中引入启动先进的自学习算法。由CCM模块内部基于累加原则计算曲轴转角值, 也就是说当CCM上电后并不能即刻获得有效的曲轴转角信息, 而是在曲轴转过其中一个基准信号 (上止点或下止点标记) 时才可以。但, 即便在缺失曲轴转角信息的情况下, UNIC仍可正常启动柴油机。这便是启用启动自学习自动算法。本算法在启动请求发出但UNIC系统尚未获得有效曲轴转角信息时自动运行。当压缩空气按预设方式喷入其中一缸时, 因曲轴转角位置, 发动机可能正转、倒转或者根本不动。根据发动机反馈信息, 一个专用的算法自动选择下一个合适的气缸喷入压缩空气以驱动发动机。当曲轴转过上止点或下止点标记时, UNIC便进入同步, 并获取有效曲轴转角信息。

2.4 气缸滑油控制

对于新型的RT-flex35 (W-X35) 柴油机, 瓦锡兰采用了先进的脉冲润滑系统CLU-5, 见图7。

这是一套定时润滑系统, 由各缸CCM模块控制。定时是可以非常灵活的, 可以根据需要基于曲轴转角实现在活塞上部、活塞环上以及活塞下部喷油。各缸CCM模块通过控制安装在滑油喷射单元 (CLU) 上的两个电磁阀实现喷射的开启和关闭。安装在喷射单元上的压力传感器将喷射定时反馈信号送至CCM模块, UNIC系统通过反馈信号控制补偿系统液力和机械的延迟。