探究柴油ME系列电控柴油机及改善措施

更新时间:2024-04-10 点赞:29179 浏览:133496 作者:用户投稿原创标记本站原创

摘要:阐述了MAN B&W ME系列柴油机的特点、工作原理及电控技术。通过与传统的MC系列柴油机在性能和结构上的比较,介绍了电控共轨柴油机的优点,指出了其先进的燃油喷射系统在NOx排放能完全满足MARPOL73/78国际防污染公约的要求,进一步改善了船舶柴油机的经济性、可靠性,是船用柴油机的发展方向。同时对其改进做了进一步的探讨与展望。
关键词:ME;电控喷射;船用柴油机;
The ME series of Electronic-control Diesel Engine and the Investigation of Improvement Measures
LIN Shoudong1CHEN Huangqian2WANG Haiyan2
Abstract: This paper describes the characteristics of the MAN B & W ME series of diesel engine, working principle and electronic control technology. By comparison with conventional MC series diesel engine performance and structure, the advantages of electronically controlled common rail diesel engine, pointed out that its advanced fuel injection system can fully meet of MARPOL73/78 international anti-pollution Convention requirements in NOx emissions further improved economy, reliability of marine diesel engine, marine diesel engine development direction. Discussion and Prospect of further improvements.
Keywords: ME; electronically controlled injection; marine diesel engines;
1引言
进入21世纪以来,世界的气候环境急剧恶化,降低柴油机排放、噪音和排烟的呼声日益高涨,排放法规日益严格,同时石油也不断攀升。为了提高燃油的经济性和降低排放,以及提高柴油机的可靠性和操作灵活性,实现适时调节,对柴油机提出了更高的要求。自20世纪70年代以来,伴随着微电子技术和集成电路的出现与发展,使得电子控制技术的性能日益的完善,可靠性方面稳步地上升,且成本也比以前大大降低。源于:论文封面www.618jyw.com
这些独特的优点使得柴油机电子控制系统能够迅速跻身于柴油机控制领域,并逐步取代传统的机械式控制系统和模拟电路控制系统。并成为未来发展的一种趋势。ME系列智能化柴油机的研发虽然起步稍晚,但进展很快。本文对MAN B&W ME系列机型电控系统做了简要介绍,并对其工作原理做简要分析。
2 ME型电控柴油机的基本概念
电控柴油机也称为智能柴油机,它是将电子设备及控制软件应用于船舶柴油机并使其成为自身重要部分的新型柴油机。根据柴油机燃烧理论,主要是应用电控技术,通过控制燃油喷射正时、喷射速率、喷油量、喷油压力以及进、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,从而达到其在满足最新排放要求的前提下,提高其经济性、可靠性、操纵灵活性并达到延长使用寿命的目的。
电控柴油机与传统柴油机相比较具有以下的优点
(1)电控柴油机能够同时满足对燃油系统的排放性要求和经济性要求。在传统的机械式喷射系统的燃烧过程中,增加了燃气中产生的NOx量。从这个角度来看如果为了降低NOx的排量,我们可以采用减小喷油提前角的方法,但是由于柴油机结构的限制,这样则使得整个燃烧过程较长,后燃严重,从而导致柴油机的经济性降低。而电控系统在适当减小喷油提前角来降低燃烧温度的同时,也通过增大喷油速率来使整个燃烧过程缩短,这就解决了这一矛盾。一般来说,船用大型电控柴油机有两种操作模式:一种是燃油经济性模式,它一般用于一般航区航行,可以满足遵守国际海事组织(IMO)提出的NOx排放标准;另一种是低NOx模式,这种模式适用于在特殊航区航行,柴油机的排放将会符合特殊航区的NOx排放标准。此外,良好的燃烧条件还可减少颗粒物排放。
(2)燃油燃烧的经济性好。电控喷射系统中的喷油压力能够根据外界条件进行调节,可通过对不同工况调整喷油时间、喷油持续时间及喷射压力确定所需的最佳喷射效果,优化柴油机综合性能。供油定时和供油规律完全由高速响应的电磁阀控制,所以电控燃油系统能够通过精确地控制喷油时间和喷油速率来控制燃烧过程,从而达到控制排气中的NOx量和提高经济性的目的,同时能够控制喷油速率变化,来保证柴油机优良的动力性能。
(3)柴油机的机械负荷和热负荷低,内部的机械作用力、扭矩及振动等小。这主要得益于电控系统是采用的电磁阀控制喷油,这种结构的好处就是可以精确地控制喷油,在高压油路中的燃油压力相对稳定,波动较小,无气泡现象产生,单缸每循环喷油量基本无波动变化,气缸内的燃烧压力,废气的温度等各种热力学参数均能保持均衡。
(4)具有监控的功能,可以集中监控船舶的各种参数。采用电子喷射的大型船舶低速柴油机的控制系统与目前的机舱控制和监测系统相适应,通过报警系统和各类传感器和计算机处理系统,使柴油机始终处于最优化状态。当可能发生故障时,系统会提前报警,并给出相应的维修计划,列出此维修所需要的工具、备件以及人力清单。
(5)部分负荷时运行性好,最低稳定转速低。共轨柴油机在低负荷运转吋,不但能保持相当高的喷射压力,而且能同时精确控制喷油量。(6)电控柴油机比传统大型柴油机单位功率的重量和体积重量都大大减小,这是由于电控柴油机省去了传统柴油机的燃油凸轮轴、传动装置、链条箱等,使柴油机的运动部件减少,结构大大简化,从而增加了柴油机的可靠性,同时也降低了制造成本,加大大修间隔,降低维修成本,并可延长寿命。此外由于柴油机在各个负荷下燃油均能很好雾化,缸内结炭明显减少可以延长检修周期,从而降低了船舶备件费用。
3 ME型电控柴油机电控系统简介

3.1 ME型柴油机电控系统的组成

ME型柴油机的电控系统主要由信号输入装置、电子控制单元、执行器等组成,它的工作过程如图1所示:
柴油机控制系统(ECS)是ME型电控柴油机的主要组成部分,它主要是控制和监测柴油机的工作状况,它拥有以下几个完整的组成单元。如图2所示。
EICU (Engine Interface Control Unit):柴油机的连接控制单元,其主要作用是与外部的系统连接。如图3所示为熔安公司的首台5S60ME-C8机型的主机与外部系统接口图。
由于柴油机与船侧的其他系统的联系都是通过EICU模块来完成的,调速手柄发送4~0mA的信号给EICU,然后通过柴油机内部的控制系统实现调速功能;与遥控系统的联系是通过RS422的通讯线来执行的;柴油机控制系统内部的报警和停车需求都是通过EICU送至船上报警系统和安全系统,因此,EICU是主机和外界设备的分界面。同时为了确保主机运行的安全,安全系统的停车命令,除了经EICU传给主机外,还有一组停车命令直接发给了ECU块和ECU模块,直接命令各气缸的控制单元和主机的控制单元执行停车命令确保安全系统发出的停车命令得以可靠的执行。
ECU(Engine Control Unit)柴油机控制单元,主要用来控制柴油机的速度、运转模式、启动及反转次序。其基本构成原理图如图4所示。
ACU (Auxiliary Control Unit):辅助控制单元,控制液压动力供应和辅助增压泵,它的主要作用就是控制如辅助鼓风机伺服油泵HPS电动泵等一些主机的辅助设备。
CCU(Cylinder Control Unit):柴油机的气缸控制单元,控制燃油喷射过程、气阀执行器和启动空气阀的开启。
MOP ( Main Operating Panel):主操作板,放置在集控室内,船员通过主操作板发送相关指令来对整个控制系统进行控制。
LOP ( Local Operating Panel):机旁操作板,其主要作用是船员在机旁应急操作用。在柴油机控制系统中,控制模块的相互联系主要是依靠通讯线路来连接,通过通讯线路的连接,模块之间可以实现数据的共享。为了防止模块混淆造成的数据混乱,每个模块都有自己独特的ID编号。在图2中我们可以发现模块间的通讯线路有两条,这两条通讯的线路是相互独立的,主要是为了防止在工作过程中,当一条线路失效时,另一路仍然可以工作,这样就使得系统的可靠性大大提高。这种思想就是现代设计中很重要的冗余设计概念。

3.2 ME型电控柴油机燃油喷射系统

电控喷射是指在一个闭环系统中,使喷射压力的产生过程与喷射过程相互独立的一种供油方式。在高压油泵,压力传感器及电子控制单元(ECU)组成的闭环系统中,高压油泵的作用是输送高压燃油,传统柴油机中,柴油机的供油压力随主机转速变源于:免费论文查重站www.618jyw.com
化很大,而高压油泵通过精确控制管内的油压,可以使得高压油管的压力不受发动机转速的影响,这一点也是比传统柴油机更加优越的地方。电子控制单元(ECU)的主要作用是通过控制管中的压力及电磁阀的开关来控制喷油器的喷油量。
ME型柴油机燃油喷射系统如图5所示,装有一个叫做电控燃油喷射定量阀的ELFI阀(a Proportional Electronic Fuel Injection control valve)的燃油压力增压器的机械结构,比传统的带有滚柱、导轮、可变喷油定时机构(VIT)和楔形槽的燃油泵简单得多。ELFI阀从ECS接收信号使阀开启,伺服油进入燃油压力增压器的底部,从而推动燃油压力增压器中的柱塞运动,使柱塞上行(即图中向右运行)压缩已预压到1MPa的燃油使之产生60~100MPa的高压,再进入喷油器喷入气缸。由于ELFI阀由电脑控制,非常灵活,它通过定量阀控制通往燃油压力增压器的伺服油压,使其在不同负荷时开启的时刻及时间不同,使得燃油喷油泵的凸轮长度、凸轮角度和倾斜度,甚至每行程燃油喷射的次数都是可变的,从而控制喷射的燃油量,使之在各种负荷工况下都有最合适的喷油量和喷油时间。而燃油压力增压器柱塞副在使用了10000h后依然毫无瑕疵。
与传统的机械式喷油系统相比较,电控燃油喷射系统无论是在压力的产生机构还是喷油量的控制机构上都有了很大的改进,因此电控式燃油喷射系统要复杂得多。这种结构上的改进决定了电控燃油喷射系统相对于传统机械式喷油系统有了很多的优点,它的优势在于:
(1)可实现高压喷射。
(2)能够保证准确的喷油定时。
(3)可以实现喷油率的最优化控制。
(4)可以自由设定参数。。

4、ME系列柴油机改进措施的探讨

虽然电控柴油机和传统的柴油机相比具有很多优点,但同时因为其研制时间比较短,技术条件还未成熟等,所以在很多地方还存在一些不足之处,这也是未来在发展电控柴油机时需要解决的问题。
(1)对电控系统伺服油清洁程度要求较高。为了更加方便地管理燃油系统,我们可以把电控系统的伺服油设计成一个独立的系统,同时增加一套滑油的冷却设备及净化设备等。
(2)整个换气过程还未达到最优化的程度,现在的电控柴油机仅仅是将排气阀做了优化控制,而对于进气、扫气与传统柴油机相似,未进行优化。
(3)电控柴油机中有大量的电磁阀且激磁频繁,在这种高温、振动的环境中长期工作会使电子元器件损坏的概率增大,容易导致主机在运行中出现意外的事故。(4)电控柴油机控制系统中采用了大量的电脑技术来对船舶进行监控诊断,为了提高其控制性能,要求我们不断提高控制软件的功能,采用更加先进的控制模式,建立完备的诊断与报警系统。同时也对船舶管理人员提出了更高的要求。
5 结束语
在柴油机的发展历程中,经历了高压油泵的应用,废气涡轮增压器和电控技术三次飞跃,其中以电控技术的发展影响最大。随着柴油机应用电子技术的不断发展,电控燃油喷射系统将会广泛应用于船舶大型低速机,其排放能满足日益严格的排放法规要求,并能进一步改善柴油机的经济性和可靠性。ME系列柴油机以其卓越的性能会广泛的应用在船舶上并成为未来主机的发展趋势。
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