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船舶柴油機燃油系統控制技術經過20世紀80年代的位置控制式、90年代的時間控制式，近年來發展成為蓄壓器十時間控制式的智能柴油機。智能柴油機的共軌系統取消了凸輪和相應的傳達裝置，摒棄了傳統柱塞泵脈動供油原理，采用高壓共軌蓄壓和高速電磁閥控制伺服油,繼而控制燃油噴射正時、噴射速率、噴射壓力及排氣閥的正時。高壓共軌內燃油壓力穩定，消除了原來由壓力波動引起的異常噴射，且噴射壓力及正時可自由調節，可以實現含預噴、后噴射的多次噴射。W?rtsil? RT-flex柴油機取消了傳統的排氣閥驅動裝置(VEC device)、燃油泵(fuel pump)、凸輪軸及其驅動(camshaft and camshaft drive)、換向伺服馬達(reversing servomotor)、燃油連接桿(fuel linkage)、可變噴油定時裝置(VIT device)和啟動空氣分配器(start air distribution)等裝置。取而代之的裝置包括：①供給單元(supply unit), 取代原有的燃油泵，提供高壓燃油和伺服油；②共軌(common rail)裝置，用來建立燃油壓力；③燃油噴射單元；④排氣閥控制單元；⑤WECS-9500控制系統（現已發展到WECS-9520)。供油單元如圖2-1所示，由柴油機曲軸通過中間齒輪分別驅動燃油泵和伺服油泵。① 燃油端：柱塞式燃油泵輸送燃油到燃油共軌。為了保證共軌壓力(600~900bar)，油泵流量由WECS-9520設定壓力信號，通過電動執行器和連接桿調節尺條來旋轉油泵柱塞，改變油泵輸出流量。蓄壓器上有兩個出口（多于7缸的主機，共軌單元都是分成兩段），它通過兩根高壓油管連接到燃油共軌。② 伺服油端：伺服油泵由丹尼克斯(Dynex)或者博世(Bosch)制造，它們把壓力為80~190 bar的伺服油輸送到蓄壓塊。蓄壓塊上有兩個出口，它們通過兩根高壓油管連接到伺服油共軌。① 燃油共軌。燃油共軌管內是600～900bar的高壓燃油，主機運行時由供油單元上高壓柱塞油泵供給，燃油共軌管由伴熱管加熱保持溫度，燃油共軌管內壓力隨主機負荷變化。每個缸裝有相對應的噴射控制單元(injection control unit, ICU)，WECS控制ICU的噴射。主控模塊(main control module, MCM)從氣缸控制模塊(cylinder control module, CCM)接受主機轉速信號和現時共軌上的壓力信號，經運算處理后輸出控制燃油泵執行機構的驅動信號，使得燃油泵輸出的燃油壓力達到現時柴油機轉速所要求的壓力。當共軌上的燃油壓力高時，通過燃油壓力控制釋放閥，使其保持穩定；當安保系統檢測到危及主機的故障信號時，就使燃油應急停車閥動作，把燃油排放掉。如果燃油泵驅動器發生故障。則通過彈簧將其連接在適當位置或移動到最高位置，變成定量泵，其余沒有發生故障的燃油泵仍保持變量泵而受控。② 伺服油共軌。液壓控制油壓力控制如圖2-4所示。伺服油共軌管內是經6μm過濾器過濾的壓力為80~190bar的伺服油，由供油單元上伺服油泵供給。伺服油共軌管內壓力隨主機負荷變化。每個缸都有相應的排氣閥控制單元(valve control unit, VCU)。WECS通過VCU控制排氣閥動作。主控模塊(MCM)采集控制油軌的伺服油壓力信號，與給定值進行比較，若有偏差，通過控制器局域網絡(CAN)總線使各氣缸控制模塊(CCM)去控制伺服泵輸出量，從而控制伺服油軌的壓力。每個 CCM都輸出一個指令信號給伺服泵內部的壓力控制器。伺服油和控制油都是把潤滑油再經過一次過濾后的滑油。③ 停車閥、超壓調節閥和安全閥。應急停車是通過停車電磁閥動作（信號由主機安保系統發出，而不是WECS)，即活塞上部的主滑油被泄放，導致燃油共軌管壓力下降，主機停車。超壓調節閥開啟壓力大概為1050bar，安全閥啟閥壓力為1250bar，燃油泄放到溢流柜。① 噴射單元。噴射控制單元如圖 2-5所示，其主要組件有共軌閥(rail valves)、噴射控制閥(injection control valve)、油量活塞(fuel quantity piston)及油量傳感器(fuel quantity signal)。如圖2-6所示，共軌閥是高速響應的2位3通閥，噴射控制閥是2位4通閥。每一個缸上的 FCM-20模塊通過處理曲軸角度信號和從控制系統接收到的燃油指令來獨立計算出自己的噴油定時。當共軌閥接收到“噴油”信號時，圖2-6中共軌閥活塞下移，控制油通過共軌閥輸送至噴射控制閥上部，在控制油的壓力作用下，控制閥活塞壓縮彈簧下移，于是油量控制活塞中P位置的燃油就可通過噴射控制閥輸送至相應的噴油器。當噴油過程開始時，燃油數量傳感器朝里運動，給FCM-20一個模擬量的反饋信號，并且將這個信號和電子調速器得到的油門指令相比較，當指定數量的燃油被噴射完成時，FCM-20將會令共軌閥放到“返回”位置。當噴油控制閥停止給油頭供油時，由于P內上升的燃油壓力，燃油數量傳感器活塞又回到了它最初的位置。每次燃油噴射，必要的噴射沖程和油量數據都有測量，然后在下次噴射時進行修正噴射。只有當3只電磁閥均回到零位時，才能給出下一循環的油量，以防電磁閥卡死造成誤噴。每個缸都有4個共軌閥，其中3個是ICU上的預控閥，1個是VCU上的預控閥，共軌閥用來作為燃油噴射和氣閥驅動的先驅閥。根據WECS-9520 給出的噴射、復位或者開啟/關閉信號，共軌閥內相應的線圈在很短的時間內（一般約1ms，最長4.5ms)被激化，同時產生一高電流脈沖（約50~60A)，這就使得閥芯朝被激化的方向移動（約0.3mm位移量）。高的電流脈沖和短的閥芯位移量使閥的開關轉換達到了一個非常短的反應時間，從而能精確控制噴油和排氣閥。共軌閥是雙穩態的，即選定動作到一個位置，這個位置會一直持續到相反的命令從WECS-9520發出。在安裝完或者更換這個雙穩態電磁閥之后，其閥的位置（開還是關）是不知道的。為了確保主機停車時，閥一直處于安全位置——“沒有噴油”和“排氣悶關閉”位置，WECS-9520會間隔一段時間（約10s）送出一個脈沖復位信號給共軌閥。② 噴射控制。燃油噴射控制如圖2-7所示。主機通過曲軸旋轉和中間齒輪，由柱塞泵把燃油增壓到1000bar, 接著燃油被輸送到共軌(common rail)管路中，再通過容積噴射控制單元(volumetric injection control unit)對燃油噴射進行控制，該單元由約200bar的伺服油驅動，而伺服油的觸發信號來自 WECS-9500的氣缸控制單元，氣缸控制單元通過曲軸角度傳感器測得的曲軸位置和負荷進行判斷、計算，同時考慮傳動機械的延時，然后選擇最佳時機進行燃油的噴射（最佳噴油正時、噴油量、使用噴油器數量等）。輪機員還可以通過主機的反饋信息，利用 WECS的輔助單元對燃油品質設定(fuel quality setting, FQS)和可變噴油定時(variable injection timing, VIT)進行重新設定。同時，WECS-9500也可以按照預定的曲線對不同負荷下的燃油噴射量、噴油時機進行自動控制。RT-flex的氣缸噴油器有3個，低負荷運行時， WECS-9500控制系統可以關閉其中的1個或2個，減少噴油量。噴射相同量的燃油，一個油頭所需要的時間要比兩個油頭的時間長，更長的噴油時間會增大燃油噴射面積，并且該燃油的噴射壓力是可控的，因此改善了霧化效果達到了理想的燃燒條件。此外，為了降低缸套的熱負荷，低負荷時，油頭會交換使用，一般被激活的油頭會每20min循環更換一次。不同氣缸的油頭互換會間隔10s開始一次，以避免因所有缸同時換油頭，新工作油頭溫度低而導致排放不好。電控噴射的特點：①噴油量精確控制，噴油速率可變，噴油壓力可任意選擇；②在共軌系統和供油管中，燃油壓力穩定；③各噴油閥獨立控制。排氣閥控制如圖2-9所示。排氣閥由伺服油壓打開，并且由空氣彈簧壓力關閉，這個與傳統的蘇爾壽主機是一樣的。一個分離裝置將動作共軌閥的伺服油和動作排氣閥閥桿的液壓油分離開來。排氣閥桿的運動通過兩個位置傳感器將其位置反饋給 WECS-9520。排氣閥開啟角度(VEO)是由每一塊FCM-20模塊根據測量到的曲軸角度、理論開啟角度和“可變排氣閥開啟角度”計算出來的。當排氣共軌閥移動至開啟位置時，伺服油驅動排氣控制閥并供應高壓伺服油到分隔區的下部空間，從而使隔離區的活塞壓縮排氣閥促動器中的滑油，最終通過高壓油推動排氣閥閥桿。排氣閥控制單元工作原理如圖2-10所示，各系統電控如圖2-11 所示。W?rtsil? RT-flex 控制系統包括：主機內部控制系統WECS-9520；遙控系統（集控室、駕駛臺）、電子調速器、主機安全系統、報警監測系統、曲軸角度傳感器等。WECS-9520是主機控制的核心，處理所有的動作，直接調節并控制主機運行：共軌監測和壓力調節；噴油閥、排氣閥和啟動閥的控制和監測；通過控制局域網路上的高層通訊協定(CANopen)或者 Modicon 串行通信協議(MOD bus)接口與外部系統連接；主機參數調整，IMO設置和監控。WECS-9520沒有中央處理器，但是每個氣缸都擁有自己的FCM-20模塊用來處理和該氣缸有關的功能和共軌功能。這些FCM-20模塊被直接安裝在主機上并且通過內部系統CAN總線進行通信。使用者與WECS-9520的通信被集成在控制系統的操作面板和flexView操作界面上。WECS-9520 既不是主機遙控系統也不是安全系統。②主機遙控。遙控系統是用戶操縱主機的界面，如圖 2-13 所示。通過CAN bus或者MOD bus連接可以從控制面板將下列指令傳送到WECS-9520：啟動，剎車；吹車；停車；慢轉；正車；慢轉失敗復位；倒車。遙控控制通過內部設定（比例縮放、負荷程序等）來處理車鐘指令，并將處理后的速度指令信號傳送給調速器系統。③電子調速器系統。電子調速器具有以下功能：調速器系統給 WECS-9520提供油門指令并且調節主機轉速；指令是根據主機相關負荷和遙控系統給定的速度指令計算出來的。根據實際的轉速和掃氣壓力，調速器系統中的燃油限制器會進行燃油指令限制，以避免主機在遠離螺旋獎曲線的狀態下運行（溫度和轉矩限制）。④安全系統。安全系統會在主機超速或者其他一些主機以及其他輔助設備工作不正常的情況下發出 slowdown 或者 shutdown 信號。RT-flex主機的安保功能和傳統的 RTA 主機是相似的，只是有一些不同并且新增加了一些功能：WECS -9520和安保系統之間應用了冗余的總線進行通信；安保系統（不是 WECS-9520)直接通過硬線觸發應急停止電磁閥來泄放燃油共軌里的燃油。安保系統還會通過 CAN 模塊總線提供給WECS-9520一些開關量輸出通道：相反的主滑油停車信號來啟動控制油泵并防止其干轉；停車信號來觸發 WECS-9520 內部停車動作。WECS-9520的故障減速請求也同樣會通過報警監控系統傳送到安全系統。⑤監測報警系統。監測報警系統接受的報警信息分為兩大類：一是一些通常的故障報警信號，這些信號是通過硬線傳到監測報警系統的，如泄露報警（共軌單元、供油單元、噴油總成）、燃油壓力調節執行機構故障、燃油泵出口溫度偏差報警、伺服油流量監測（僅適用于Dynex泵）、WECS- 9520供電監測。二是其他的WECS-9520故障信號是通過冗余的總線(CAN)連接傳送的。由于沒有直接的機械曲軸角度傳感器為噴油和排氣閥提供控制信息，所以通過電氣的角度編碼器來測量實際的曲軸角度是很有必要的。曲軸角度傳感器安裝在曲軸的自由端，如圖2-14所示。角度傳感器通過一個特殊的連接器連到曲軸上，它們檢測曲軸實際位置并轉化為數字信號(0°~360°)，角度傳感器信號能夠精確到0.1度。角度傳感器信號是主機運行時不可或缺的信號，至少其中一個必須正常工作。如果某個故障，WECS- 9520可以檢測故障并且主機將以另一正常角度傳感器信號保持運行。當兩個信號同時故障時，主機將會立即停車。
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