试论船用共轨柴油机控制方法

强晓春

（中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214400）

传统的船用共轨柴油机的功能较为落后，其性能逐渐无法与时代发展相匹配，自动化和智能化技术的出现，为船用共轨柴油机的发展提供了可行的路径，基于此，现代船用共轨柴油机实现了自动化和智能化的转变。与此同时，传统的控制系统和控制方法已经无法适用于现代的船用共轨柴油机，因此，对船用共轨柴油机控制系统进行优化，强化控制效果，具有十分重要的意义。

1 船用共轨柴油机的发展及控制系统优化的必要性

传统的船用共轨柴油机主要为低速二冲程柴油机，例如，RTA、MC 系列的柴油机，其控制系统为机械凸轮系统，会实现以下方面的功能：一是启动空气定时；二是喷油定时；三是排气阀启动关闭定时，如果仅实现上述几方面功能，那么使用机械凸轮系统即可。该系统的控制能力十分优越，其稳定性也非常具有保障。

但伴随着时代的不断发展，船舶发展速度日益提升，传统的柴油机功能已经无法与船舶发展速度相匹配，对共轨柴油机功能实现提出了更高的要求，柴油机控制系统不仅要实现常规功能，还要实现监测功能、均匀分配各缸负荷功能、避免热负荷过高、故障预测预警及防范等功能。此外，还要对污染排放进行有效的控制，并提高排放的可控性、灵活性和改进可能性，以此确保柴油机排放与要求相契合。可以说，在船舶发展的大背景下，传统船用共轨柴油机的控制系统和

控制方法已经不再适用，需要对其进行优化和改造，促使其控制效果得到稳步提升，充分发挥出柴油机的性能，只有这样，才能在确保柴油机运行效果的基础上，节省资源，并降低污染排放量。

虽然船舶为了实现对主机转速的控制，促使系统可以实现自动化发展，采用一定的方法，如电子调速器的应用，但是事实结果表明，在船舶中应用电子调速器的效果极为有限，究其原因，主要是在传统凸轮控制的共轨柴油机中，调速器无法对喷油量进行直接的控制，而控制喷油量的方法为拉动高压油泵的齿条，从而实现对喷油量的间接控制，要想在这种控制系统中保证电气调速器的应用效果，就要对电子调控器的信号进行转化，只要将电气进行转换作用于执行机构，然后，由执行机构拉动齿条，才能对柴油机喷油量进行控制，但这种方式与传统的机械-液压站式调速器相比，不仅控制效果没有得到优化，且需要耗费大量的成本，由此可以看出，传统船用共轨柴油机的控制系统，已经无法与船舶和柴油机的发展相匹配，需要对其进行优化和创新，以充分发挥系统控制的作用。

2 WECS 控制系统与传统控制系统的对比

目前，瓦锡兰公司所采用的柴油机控制系统为WECS，该系统与柴油机控制系统相比，应用了大量的计算机和网络通信技术，大大提升了对柴油机的控制效果。

该系统与传统控制系统存在着明显的不同，该系统可以被直接安装于柴油机之中，需要面对较为恶劣的工作环境，对系统防水、防高温和抗腐蚀等性能提出了更高的要求。同时，该系统还对维护管理提出了要求，必须要确保维修和管理的便捷性，以此缩减停机的时间。基于此，该系统在设计过程中，需要在考虑系统控制功能实现的基础上，对系统的可靠性和可维护性进行保证。瓦锡兰公司为解决这一问题，与世界著名的电子控制系统生产企业伦索公司进行合作，并在WECS 系统的基础上，研发出了该系统的升级版本WECS-9500，实践结果表明，该系统的控制效果和稳定性与设计要求基本吻合。该系统由以下部分组成：一是电子部件COMEU；二是气缸电子部件CYL-EU。其中电子部件COM-EU 属于公用的电子部件，柴油机都会配备一套，其控制功能实现的侧重点为对整台柴油机进行控制，同时完成与外部系统的数据交换工作。而气缸电子部件为每个气缸配置一套，能够对气缸进行管理和控制。这种层次结构分明的控制系统，具有十分清晰的概念，便于系统的维护和调试，便于故障定位和经验积累。但依然存在一些不足，需要对其进一步的优化和完善。

在总结研发经验之后，瓦锡兰公司随即研发出了柴油机控制系统WECS-9520，该系统与9500 系统相比，结构组成发生了变化，单一类型的电子模块成为了其主要组成部分，柴油机的每一个气缸都配备一个FCM-20 电子模块，该模块安装的位置是E95.x 控制箱中，简而言之，就是电子模块和控制箱是一体的。

FCM-20 模块具有控制和检测功能，在继承了9500 控制系统功能的基础上，对其控制功能进行了优化和完善。具体表现在以下方面：第一，实现对燃油轨、伺服油轨的压力调节和检测功能；第二，对液压油泵进行控制；第三，数据储存和处理功能。例如，与IMO 存在联系的参数、与柴油机控制有关的参数设定。第四，内部自检功能，例如，电源情况、软件和硬件的检测。第五，控制变量计算和处理。例如：喷油定时、气阀开启关闭定时的调节。第六，系统数据通信；第七故障显示。

除了上述功能实现以外，9520 控制系统的还能实现并优化9500 控制系统中，气缸电子部件的全部功能。具体表现为以下方面：第一，将有关数据、参数和指令作为依据，对柴油机进行充分的控制；第二，保证电磁阀定时控制与曲柄角保持相同的状态，每个电子模块都会利用系统总线，对曲柄角的角度信号进行采集，并以此为依据，计算柴油机各气缸的速度及其他数据。

此外，WECS-9520 系统的功能还体现在软件下载方面，在气缸电子控制模块出现故障时，系统会自动更换预先下载好的备用电子模块，以此节省故障检测和修复时间，电子模块更换完成后，系统会为模块提供运行数据。

总而言之，瓦锡兰公司研发的船用共享柴油机控制系统WECS-9520 与传统控制系统相比，其控制性能极为优越，不仅简化了数据通信的线路，并对传统电子模块进行了优化设计，大大提升了系统维护的便捷性，减少了停机维修故障的时间。

3 喷油单元的控制原理

喷油单元是船用共轨柴油机的重要组成部分之一，其结构十分复杂，每个气缸都会存有3 个喷油头，并且每个喷油头由对应的气阀进行控制，而每个气阀则由电磁阀进行控制，究其原因，主要是9520 系统中的控制模块，会利用电信号对电磁阀进行控制，继而实现对喷油单元喷油量的有效控制。一般情况下，FCM-20 柔性控制模块，可以对三个油头的喷油量进行控制，并且还可以利用活塞检测的方式，对冲程喷油量进行检测计算，如果负荷较低，也可以适当减少工作油头的数量。

由柔性控制模块控制的电磁阀，也可以被称之为油轨阀，动作速度快是其最大的特点，在通电后，线圈的中的电流会立即增大，由于电磁阀存在一定的热负荷，线圈通电的时间不宜超过4 毫秒，因此，控制系统发出的信号最好为小于4毫秒的脉冲信号。并且，控制平台还要对线圈的通电时间进行限制，究其原因，主要是双控电磁阀尚不具备自主复位功能，导通和关闭阀是电磁阀线圈的主要功能，在系统更新的情况下，其通断位置是不确定的，为确保安全，在停机的情况下，控制模块会向全部的电磁阀发出关闭信号的命令。

传统的船用共轨柴油机控制系统存在一个固有的弊端，具体表现为：一个气缸在喷油过程中，很容易导致燃油轨的油压出现波动，在压力波传动的过程中，则会对其他气缸的喷油压力和喷油量产生影响，并且这种影响具有相互性的特点，如果压力过大，甚至会造成严重的后果。因此，将油量活塞装置应用于船用共轨柴油机之中，则可以有效地解决这一问题。一方面，油量活塞装置可以将喷油进行存储，喷油时只能调动少部分的油，有利于确保油压始终保持在平衡的状态；另一方面，油量活塞装置可以为控制系统提供喷油量的数据和信号，系统可以根据反馈信号，做出相应的调整。

4 结语

综上所述，与传统的柴油机控制系统相比，电控柴油机控制系统具有显著的优势，电控柴油机系统也是船用共轨柴油机未来发展的必然趋势，其优越的性能，会被船舶行业所重视，电控系统也会逐渐取代传统的柴油机成为主流机型。柴油机的发展关键点在于硬件和软件方面的优化程度，目前，WECS 控制系统是主要的柴油控制系统，实践结果表明，该系统的控制效果十分显著，应用价值非常高。