瓦锡兰低速柴油机进油控制电控高压共轨高压泵

吴亚飞，李汉润，袁 信，邓健星，汤卓鑫

（玉柴船舶动力股份有限公司，珠海 519100）

1 引言

作为引进专利产品的生产企业，需要对专利产品中采用的先进技术和关键零部件结构原理及控制系统进行分析研究，提高对专利产品的认识和设计理念的理解，更好的生产出符合质量要求的产品，对提高售后服务技术水平具有必要和迫切的现实意义。瓦锡兰低速柴油机进油控制电控高压共轨高压泵采用了目前行业最前沿的电控高压共轨控制技术，因此对其零部件结构、工作原理、控制方式进行深入的学习和研究是很有必要的。

2 RT-flex和W-X柴油机高压共轨燃油系统简介

瓦锡兰电控RT-flex和W-X柴油机高压共轨燃油系统已有四代产品：第一代为液压驱动、电子控制，即采用液压驱动喷油泵带电子执行调速器；第二代在第一代基础上增加排气阀电子控制；第三代发展为电控共轨系统。

先期的电控共轨产品采用WECS-9520控制系统，容积式喷油控制器（ICU），高压泵采用齿轮齿条通过电子调速器控制，喷油器采用克服弹簧预紧力开启的传统喷油器，其产品配套瓦锡兰RT-flex柴油机，图1所示为瓦锡兰高压共轨燃油系统三代产品。

图1 瓦锡兰高压共轨燃油系统三代产品

高压共轨系统在现代船舶低速二冲程柴油机中处于技术领先水平。其在船舶柴油机上用电子控制取代常规的机械控制，用共轨系统取代传统的燃油喷射系统和气阀运行系统，改善了柴油机部分负荷性能，降低了燃油消耗，特别是NOx排放，简化了机械机构，提高了柴油机的可靠性。

为了进一步提高电控高压共轨燃油喷射系统控制的灵活性和控制精度，降低柴油机排放及燃油消耗，瓦锡兰在其最新W-X机型上，采用了与其中速柴油机基本相同、在各高速柴油机上普遍使用的电控高压共轨燃油喷射系统，为其电控低速二冲程船用柴油机燃油系统第四代产品。其控制系统由RT-flex机的WECS-9520改为UNIC，去掉容积式喷油控制器（ICU），采用电磁阀液力控制喷油器；去掉带电子调速器的高压油泵，采用无调节齿杆的进油节流控制高压泵。图2所示为W-X机型燃油部分控制原理简图。其高压油泵带有进油节流控制的油量计量单元，高压共轨上带有进油单向阀、出油限流阀、压力泄放控制阀、压力传感器等零部件，喷油器为电磁阀液力控制。

图2 W-X机型燃油部分控制原理简图

3 高压共轨高压泵结构原理

3.1 高压共轨高压泵供油量控制

前面已经提到，电控高压共轨燃油喷射系统的高压泵压入共轨管的油量由控制器控制高压泵上的油量控制装置进行。油量控制装置主要有控制燃油进入量的油量计量单元（FMU）和使多余的高压油泄放的油压控制阀（PCV），也有个别高压泵采用变排量压力控制阀，另个别高压泵采用油量计量单元和油压控制阀二者的组合。控制按实际需要和实测反馈的共轨压力通过一定的逻辑关系计算，通过控制电磁阀脉冲电流大小来控制油量控制装置的进或泄流量开度大小，从而控制进或泄流量大小。在瓦锡兰新的W-X机型上，使用带进油控制的油量计量单元通过控制燃油的进油量来控制高压泵的供油量。

3.2 高压共轨高压泵结构原理

燃油由高压泵供给共轨管，通过高压油管到达电磁液力控制喷油器，喷油器的喷油由UNIC系统控制，共轨压力由UNIC系统与共轨管上安装的共轨压力传感器、高压泵上进油控制油量计量单元相连接，经过相关的逻辑计算，通过控制高压泵的进油量控制。

目前配套W-X35和W-X40两种机型的电控高压共轨喷油系统零部件组成完全一样。高压泵由德国Lˊorange公司生产，外观图见图3。

图3 高压泵的外观图

高压泵为四缸直列泵，主体由泵体和泵盖组成，泵体分上、下两个主腔室：下腔室装有柱塞垫板、挺柱体部件（包括挺柱体、内滚轮、外滚轮、滚轮销等）、凸轮轴﹑圆锥滚子轴承、中间轴承等零部件，底部用2个封盖封住；上腔室装有柱塞偶件、柱塞弹簧（每缸2个）、弹簧座等零部件。泵上、下两个主腔室之间装配有柱塞导套，并隔离密封上、下两个主腔室。柱塞偶件顶部和泵盖之间为出油阀。

高压泵的供油过程如下：柴油机转动带动高压泵凸轮轴转动，其传动比为539：39，凸轮每旋转一圈柱塞上升和下降1次，柱塞弹簧力使柱塞与挺柱体部件、挺柱体部件与凸轮表面始终接触，凸轮旋转带动柱塞上升和下降，当柱塞下降至顶面低于柱塞套上油孔时，燃油进入柱塞偶件腔中。当柱塞上升至顶面高于柱塞套上油孔时，柱塞偶件与出油阀之间形成燃油加压腔，当压力上升到一定值时，出油阀出油口打开，高压燃油经出油口供给燃油轨。

高压泵的润滑采用柴油机轴承油强制进行，润滑油由泵体下腔挺柱体上部位置进入，部分油通过挺柱体与泵体运动导向面与挺柱体侧内部油孔进入滚轮内圈，泵体下腔中充满油，润滑圆锥滚子轴承和中间轴承及凸轮表面和滚轮外圈，多余的润滑油通过柱塞导套经柱塞导套出油孔返回到柴油机轴承油箱。

与RT-flex机型用高压泵比较，W-X机高压泵柱塞偶件没有油量控制棱边，没有油量控制齿杆，没有控制高压泵齿杆的执行器。高压泵供给共轨管的供油量，通过UNIC控制系统控制高压泵的进油计量单元完成。

3.3 高压共轨高压泵进油控制结构原理分析

采用进油控制的高压泵，其进油都是用油量计量单元通过控制器控制的，瓦锡兰W－X35和W－X40机上高压泵所带油量计量单元结构如图4，其工作原理见图5。

图4 油量计量单元结构

图5 油量计量单元工作原理

油量计量单元安装在高压泵的进油位置，用于调整燃油供给量以调整和稳定燃油轨中燃油压力值，其调整受控制器控制。油量计量单元有常开和常闭两种模式：对于常开模式，油量计量单元在控制线圈没有通电时，其带有控制缝隙的柱塞10处于上方位置，柱塞上的燃油流通截面对应于输油泵来的进油口开度最大，可以向高压泵柱塞腔提供最大流量的燃油。控制器通过脉冲信号控制油量计量单元内的线圈，通过铁心杆克服弹簧11的弹力，使带有控制缝隙的柱塞10的上下位置发生变化，从而改变高压泵进油截面积来增大或减小油量；对于常闭模式，油量计量单元在控制线圈没有通电时，进油截面积处于完全关闭位置。瓦锡兰W-X35和40机上高压泵所带油量计量单元为常开模式。

4 高压共轨燃油系统轨压控制分析

4.1 柴油机对共轨压力的要求

凸轮驱动非高压共轨燃油喷射系统的共同特点，是喷油器的喷油规律是柴油机转速、凸轮形状、柱塞直径、出油阀直径、高压油管长度和内径及喷油嘴等一系列参数的函数，其喷油压力不可能实现自由地控制。所以柴油机在低速时，由于转速低，喷油泵的喷油压力低，使喷油器在整个喷油期间压力低、速度慢、喷油转角大、雾化不良，导致柴油机在低速时燃烧不好，排放多、烟度大；蓄压式，也就是机械共轨，其喷油器的喷油虽然也与燃油泵结构和转速无关，但其喷油泵喷油需要的独立驱动装置一般还是凸轮，结果与以凸轮驱动喷油泵差不多，即使是高压蓄压，受机械材料工艺水平及控制的限制，其轨压也只能是比喷油器启开压力稍高一些，不能太高，且压力难于改变，整体柴油机性能变化不大；其他所有非共轨的电控燃油喷射系统，由于基本脱离不了凸轮驱动和压力没有独立控制，也无法达到自由控制喷油压力的目标。所以，只有电控高压共轨燃油喷射系统除实现了自由调节喷油量、自由调节喷油率形状和自由调节喷油时间外，还可实现自由调节喷油压力。

柴油机对共轨压力的要求可归纳为：能够达到一定高的压力，要求压力不改变时稳定，要求压力改变时反应迅速，变化期间压力波动小、波动时间短，压力随柴油机工况的变化可任意变化、控制可靠等。

从柴油机排放的要求和电控高压共轨燃油系统的发展来看，共轨压力仍处于逐渐上升的趋势，目前应用于产品的高压泵轨压有的已超过250 MPa。共轨压力的提高，对整个燃油系高压部分零部件的材料及热处理、加工设备工艺及精度、装配工艺及质量、试验方法手段和测试仪器装置、压力的控制等方面带来更高的要求和考验。除需要应用先进的控制逻辑和算法外，还需要各传感器、控制器和执行器及零部件具有高的精度、灵敏度和可靠性。

4.2 轨压控制逻辑简介

对进油节流控制的高压泵而言，其轨压控制按实际需要和实测反馈的共轨压力通过一定的逻辑关系计算后，控制器输出信号控制高压泵的油量计量单元进行。

燃油的高压喷射一方面可以改善柴油机的燃烧，提高柴油机的指示热效率，降低排放。但另一方面，建立高的燃油喷射压力，也要消耗柴油机的输出功率，因此柴油机最佳喷油压力的设立，要兼顾柴油机的动力性、经济性和排放特性，根据其不同工况点的特性进行优化确定。最佳喷油压力应是柴油机转速和负荷的二元函数，按不同的排放要求所需控制的精度不同，还需进行燃油温度、进气压力、进气温度和冷却水温度等补偿，各产品机型柴油机不同工况下的目标喷油压力是通过柴油机在试验台架上进行性能试验、型式试验和与其配套产品的可靠性、耐久试验中，通过大量的匹配标定试验确定的。

喷油压力由控制器控制。控制器要进行两级计算：第一级是由各种传感器信号确定目标喷射压力；第二级是为实现目标喷射压力计算控制阀的脉冲宽度或脉冲电流大小，目标喷射压力由基本的目标喷油压力来确定，基本的目标喷油压力由柴油机转速和负荷确定，再进行燃油温度、冷却水温、进气压力、进气温度等的补偿。根据目标喷射压力和共轨压力传感器所测得的共轨内实际喷油压力的差值，应用PID或模糊PID的校正再加上基本的控制阀脉冲宽度或脉冲电流大小，得到最后的控制阀脉冲宽度或脉冲电流大小，最后经过控制控制阀脉冲宽度或脉冲电流大小，油量计量单元按此开度控制进入高压泵的燃油量，起到控制轨压的目的。

除正常工况外，柴油机在起动、怠速等各不同特殊工况有不同的特殊控制逻辑，以满足柴油机使用要求。

在此需要特别强调的是， RT-flex机和W-X机应用的伺服油轨压力的控制方法与燃油轨高压压力控制方法完全不同。伺服油与高压燃油相比压力不需要经常变化，压力相对较低，所用控制方法为在伺服油泵内设一压力控制比例阀，由控制器设定目标压力值，伺服油泵通过比例阀作用内部自动调整到油轨的供油量，达到目标压力值。伺服油轨上所装压力传感器为监测伺服油轨压力用，与伺服油轨压力控制无关。

4.3 瓦锡兰W-X35机目标喷油压力

根据瓦锡兰W-X35调试规范，其目标喷油压力（目标轨压）为柴油机负荷百分数的函数，即为柴油机转速和负荷的函数。对W－X35和W－X40机，目前的排放要求为满足IMO TierⅡ标准，轨压没有进行其它影响因素的补偿。

5 结论

纵观柴油机燃油系统的发展历史．由机械式发展到电控式，现在公认为唯一能够满足现代柴油机对燃油系统理想要求的是电控共轨式燃油系统产品。通过此次瓦锡兰低速柴油机用进油控制电控高压共轨高压泵的研究，对电控共轨式燃油系统中重要零部件高压燃油泵结构和燃油系控制原理有了深刻的了解，同时对今后研究电控共轨燃油系零部件的国产化、售后服务维修具有较大现实意义。随着IMO Tier III将在2016年之后对新建的船舶生效，未来船舶柴油机智能化程度将会越来越高，电控共轨式燃油柴油机将完全取代传统机械的船用柴油机，瓦锡兰电控共轨燃油系统将会广泛应用于船舶大型低速柴油机。

[1]徐家龙主编．柴油机电控喷油技术．[M].北京：人民交通出版社（第二版）.

[2]J.F．DagelR．N．Brady著.柴油机燃油系统结构与维修．[M].北京：电子工业出版社，2004.

[3]BOSCH.柴油蓄压式共轨燃油喷射系统．

[4].加尔派罗维奇著．郭耀泉季谟合译．船用柴油机燃油喷射系统[M].北京：国防工业出版社.1964.

[5]李斌主编．船舶柴油机[M].大连海事大学出版社，2008.

[6]王尚勇杨青编著．柴油机电子控制技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[7]瓦锡兰培训相关PPT资料.

[8]黄靖雄赖瑞海编著．电控柴油机结构与原理[M].北京：人民交通出版社，2008.

[9]顾柏良等译．BOSCH汽车工程手册[M].北京理工大学出版社，2004.

[10]邓东密邓萍编著．柴油机喷油系统[M].北京：机械工业出版社，2009.

[11]裴海灵．高压共轨喷油控制策略及共轨管优化设计研究．博士学位论文.中南大学.2009.5.

[12]韩万江编著.软件工程案例教程[M].北京：机械工业出版社，2007.

[13]主编何宏.电磁兼容设计与测试技术[M].北京航空航天大学出版社，2008.