船舶电喷柴油机-瓦锡兰共轨技术.ppt

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 & Sea AcademyPage 6Chapter 20* RT-flex 柴油机整机图 Wrtsil Land & Sea AcademyPage 7Chapter 20* Overview, 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）在 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。 Fuel side 油泵端: 柱塞式油泵输送燃油到燃油共轨。为了保证共轨压力(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)，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上去。 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 齿轮和小齿轮 2nd intermediate Gearwheel 次级中间齿轮 Camshaft bearing Covers 凸轮轴瓦盖 Supply Unit Drive供油单元驱动 Drawn for Size 4 尺寸4机型供油单元 Fuel side 燃油端: 柱塞式油泵输送燃油到燃油共轨。为 了保证共轨压力(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。蓄压块上有两个出口， 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。 Fuel pumps 燃油泵 Servo oil pumps 伺服油泵(图示为博士泵 “Bosch”) Fuel intermediate Accumulator 燃油中间蓄压器 Servo oil collector Block伺服油蓄压块 Servo oil outlet to rail 伺服油出 口 Fuel outlet to rail 燃油出口 2nd intermediate Gearwheel 次级中间齿轮 Electric actuators 电动执行器 Fuel pump regulating linkage燃油泵调节 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同）。 调节杆到顶撑杆上的扭矩通过两边扭转弹簧 传递。如果某个油泵调节尺条卡住，相应的 弹簧可以被压缩，可保证其它油泵调节杆仍 可正常动作。 Electric fuel pump actuators 电动执行器 Local position indication (0-10). No load indicator ! 刻度板显示0-10刻度 但不是负荷指示器！ Torsional springs 扭转弹簧 Fork lever 顶撑杆 Regulating Linkage调节杆系 Additional spring to push the rack, in case of failure, to full position 当执行器失效时，该弹簧能把油 门尺条推到最大位置。 伺服油供给泵-Servo Oil Pump “Bosch”博士泵 Bosch伺服油泵都是轴向斜盘式柱塞油泵。它们 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的安全 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。 控制油用来翻转斜盘的位置。 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着主机负荷变化。每个缸在共轨 内装有相对应的 喷射控制单元Injection Control Unit (ICU) 。 ICUs通 过连结到伺服油管的高压软管内伺服油来动作。 WECS 控制ICUs的喷 射。共轨由伴热管系加热。 Servo oil rail共轨伺服油管: 伺服油共轨管内是通过6 m滤器过滤的压力为 80-190bar的伺服油，由供油单元上伺服油泵 供给。伺服油共轨管内压力随着主机负荷变化 。 每个缸有个相应的排气阀控制单元Valve Control Unit (VCU)。WECS 通过VCUs控制排 气阀动作。 新设计的共轨单元内简化高压管数量。 Rail Unit Piping共轨管系, Size 0 Trace heating 伴热管 Servo oil rail 共轨伺服油 Fuel oil rail 共轨燃油 ICU 喷射控制单元 VCU 排气阀控制单元 Fuel overpressure regulating valve 燃油超压调节阀 Servo oil return pipe 伺服油回油管 Fuel pressure relief valve 安全阀 Rail Unit Piping共轨管系, Size 0 Trace heating伴热管 Servo oil rail 共轨伺服油 Fuel oil rail 共轨燃油 ICU喷射控制单元 VCU排气阀控制单 元 Servo oil return pipe 伺服油回油管 Rail Unit Piping共轨管系, Size 1 MKI lFuel rail燃油共轨管: l燃油共轨管内是 600 -900 bar 的高 压燃油，在主机运行时，由供油单元 上高压油泵供给。燃油共轨管内压力 根据主机负荷变化。 l每个缸在共轨内装有相对应的喷射控 制单元Injection Control Unit (ICU) 。 ICUs通过高压控制油来动作。 WECS 控 制ICUs的喷射。 l共轨由伴热管系加热。 ICUs VCUs Servo oil return pipe Main bearing oil supply Control oil supply rail 控制油进油管 Control oil return rail 控制油回油管 Fuel rail Servo oil rail Servo oil rail伺服油共轨管: 伺服油共轨管内是经过(6- micron) 过滤的，由供油单元供给的压 力为 80-190 bar的伺服油。伺服 共轨管内压力随着负荷变化。每缸在共轨内相应的装有个排气阀控制单 元Valve Control Unit / exhaust valve actuator (VCU) 。 WECS 通过 VCUs来控制排气阀的动作。 Rail Unit Piping共轨管系, Size 1 MKII l Additional return/leakage piping: l 回油/泄漏管系： n 燃油泄漏管 (回到溢流柜) n 伺服油回油总管(到曲轴箱) n 伴热管 (蒸汽或加热油) l Fuel system overpressure valves: l 燃油超压阀： n SHD and overpressure regulating valve.停车和超压 调节阀。 超压调节阀开启压力大概为1050 bar。SHD停车阀 由安保系统给出信号动作来释放共轨燃油压力。( 燃油泄放到燃油增压泵前)。 n Safety valve 安全阀. 启阀压力为1250 bar。燃油泄放到溢流柜。 Safety valve 安全阀 SHD and overpressure regulating valve 停车阀和超压调节阀 Fuel leakage pipe燃油泄漏管 Trace heating 伴热管 Servo oil return pipe 伺服油回油管 Fuel Rail Pipe燃油共轨管 l燃油共轨管为一整段 The bore has a shape of a “peanut”. 腰行孔 例如 RT-flex96C Connecting piece between fuel rail and ICU 燃油共轨管和ICU 的连接块 (fuel) Injection Control Unit (ICU) WECS- 9520 control Servo (control) oil supply 200 bar ICU结构及工作原理 ICU, Size 4 ICU, Size 3 Servo (control) oil side伺服油（控制油）端: 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。 控制和燃油端是完全分开的。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。每次燃油喷射，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 燃油端 Rail valves 共轨阀 Fuel control valves 燃油 控制阀 Fuel quantity sensor油量传 感器 Servo oil supply 伺服油供 给 Servo oil return回 油 ICU喷射控制单元 ICU Cross-Section剖面图 ICU, Working Principle工作原理 Fuel rail Servo rail Rail valves 共轨阀 Injection control valves喷射控制 阀 Fuel quantity piston 燃油油量活塞 Fuel quantity sensor燃油油量 传感器 Fuel nozzles油 头 (Size 4: Control rail) Wrtsil Land & Sea AcademyPage 27Chapter 20* ICU, Working Principle工作原理 Fuel rail Servo rail Rail valves Injection control valves Fuel quantity piston Fuel quantity sensor Fuel nozzles Fuel rail Servo rail Rail valves Injection control valves Fuel quantity piston Fuel quantity sensor Fuel nozzles Fuel rail Servo rail Rail valves Injection control valves Fuel quantity piston Fuel quantity sensor Fuel nozzles Injection Fuel rail Servo rail Rail valves Injection control valves Fuel quantity piston Fuel quantity sensor Fuel nozzles Injection Fuel rail Servo rail Rail valves Injection control valves Fuel quantity piston Fuel quantity sensor Fuel nozzles Return Fuel rail Servo rail Rail valves Injection control valves Fuel quantity piston Fuel quantity sensor Fuel nozzles Back to return position 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个双稳态电磁阀之后, 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 会间隔一段时间( 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 免角度编码器轴向以及径向的移动，产生测量 l误差. l每个角度编码器从光学编码碟片上读取曲轴 l角度并转换成数字位信号. l FCM-20 模块通过 SSI bus 来读取这些数据 l(Synchronous Serial Interface Bus). 曲轴角度检测 n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. n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. n从 CA sensors过来的信号在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 用来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 通常情况下 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阀杆开始动作. 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 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. 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, VEC l FQS, VIT: l 这些功能在传统的RTA机型上就已经应用: 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 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 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 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 参数而给出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，这个特定转速是在 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。 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 信号范围). 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 (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: 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, 关闭角度是 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 l 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 FCM-20 #2. 慢转的速度可以通过调整