浅谈ME型柴油机燃油喷油和排气阀控制原理

浅谈ME型柴油机燃油喷油和排气阀控制原理 陈建云 (中海国际船舶管理有限公司广州分公司) 0 引言 随着船舶技术的不断更新发展，智能柴油机的使用越来越普及，轮机员必须及早学习与掌握智能柴油机的新技术和新的管理理念，适应新常态。本文以MAN B&W ME某机型为例，简述智能柴油机燃油喷油和排气阀的控制功能，让老旧船任职的轮机员对新机型船舶技术有个认识。 1. 控制技术的改进 MAN B&W ME型主机为智能柴油机，俗称“电喷机”，取消了传统柴油机高压油泵和排气阀的机械驱动部分及为之服务的凸轮轴系等部件，使用 225bar的伺服液压滑油直接驱动燃油升压器液压活塞和排气阀驱动执行器活塞，通过活塞向上驱动来完成相应燃油喷油和排气阀开启。它们的驱动定时由电脑触发的电磁阀控制。 2. 控制定时 智能柴油机安装了ME Tacho 系统，取代传统机的凸轮轴来采集和确认燃油喷油定时、排气阀开关定时、缸头启动阀定时，气缸油注油定时，实现智能化控制柴油机的各种定时。 如图1所示，曲轴自由端，安装有2个完全冗余的曲柄角采集系统A和B，即Tacho system Angle encoder A and B，Angle encoder A采集 ——————————————————————————————————————————————— No.1缸曲柄上死点，即飞轮刻度0度位置，另外飞轮处安装有供参考的探头MSA，采集同方向转动No.1缸曲柄上死点后90度的位置，两个信号同时送至Tacho Signal Amplifier A(TSA-A)。Angle encoder B采集同方向转动No.1缸曲柄上死点后45度的位置，此信号送至Tacho Signal Amplifier B(TSA-B);TSA-A 和TSA-B放大处理后的信号送至2个ECU单元和各缸CCU单元。这样就采集到了两套完整的No.1缸曲柄角度信号，ECU(A和B)和CCU处理后就能给出各缸所需要的准确的部件控制定时。(备注:ECU/CCU都为多功能控制器，硬件相 同，加载了不同的软件，控制功能与作用不用。) 3. 动力伺服油 如图2所示，主机系统滑油经过6μm的滤器过滤，主机启动前经过2台电动柱塞液压油泵加压或运行期间经过3台机带柱塞液压油泵加压，把 3.0bar低压系统滑油升压至225bar以上，再经过溢流阀、安全阀等元件稳压处理后，变成225bar稳压的动力伺服油，进入各缸液压控制单元，之后通过ECU(A和B)及各缸CCU单元控制各缸的电磁阀，使伺服油分别进入各缸排气阀的液压单元进行排气阀开关控制、进入各缸燃油升压器的液压单元进行燃油升压喷油，进入各缸Alpha注油器的液压单元，进行气缸油注油。 4. 燃油喷油和排气阀控制概念 如图3所示的液压单元，225bar动力伺服油进入伺服油分配块，——————————————————————————————————————————————— 经过FIVA阀控制，按照柴油机的燃油喷油和排气阀开关定时，一路流入燃油升压器底部，驱动液压活塞，液压活塞再顶升燃油柱塞，进行行程有效控制的燃油升压喷油;另一路流入排 气阀执行器驱动活塞底部，顶升排气阀驱动活塞， 通过液压油推动排气阀顶部液压活塞，准确控制排 气阀开关动作。还有一路进入气缸油注油器，作为气缸油注油的动力伺服油。 燃油升压器安装有位移反馈传感器，反馈液压活塞上升的位移量，该信号送到CCU单元，CCU单元处理并发出信号，用来修正和确认液压活塞位置，即确保各缸喷油量是正确的。排气阀上部也安装有排气阀阀杆位移反馈传感器，用来确认排气阀是处于开或关的状态。 5. FIVA阀的控制及动作原理 5.1 FIVA阀结构 如图5所示，FIVA阀主要由引导阀、引导阀控制线圈(线圈由精密的电路板控制)、下端控制大活塞、上端两个控制小活塞、主阀阀芯、反馈传感器和阀体等组成。FIVA阀有三个功能，控制燃油定时喷油、随着主机负荷变化调节所需的喷油量和排气阀定时开关。 (图5:P为伺服油主油路，F1通燃油升压器驱动油缸，VA通排气阀驱动油缸，L1下控制室节流泄放，L2上控制室节流泄放，T1燃油升压器驱动油缸泄放，T2排气阀执行器油缸泄放，A伺服油经引导阀进入下控制室，T下控制室液压油经引导阀泄放。) 5.2 引导阀 如图4所示，引导阀是二位三通比例节流型换向电磁阀。ECU(A和B)单元控制各缸CCU单元，CCU单 ——————————————————————————————————————————————— 元给予引导阀电磁线圈4—20mA的电流控制信号，CCU把4—20mA分为3段控制信号(4-8mA\8-12mA\12-20mA)，每段信号担当着不同的控制功能。 引导阀芯上、下端的压力差:下端为弹簧预紧力，上端为电磁线圈随着控制电流(4—20mA)的大小，产生与之相对应的电磁力，相者相比形成压力差。该压力差推动引导阀芯在内孔上、下滑动而并使其处于某个相对稳定在某个位置，使引导阀芯上的各圆周密封环面与P、A、T、B通道所组成的通道口的开度和方向发生变化(B通道无作用)，使各圆周密封面让P与A或A与T节流相通，准确控制进、出主阀下控制室的液流量和流向，即主阀下控制室的液压油压力大小得到准确控制。 5.3 主阀 主阀阀芯上、下端的压力差:上端始终承受着2个控制小活塞的推力，控制小活塞的顶端保持与伺服油主油路P相通，下端承受下控制室液压油压力，下控制室液压油压力发生变化，使得控制小活塞推力与控制大活塞推力相比产生压力差。 该压力差推动主阀芯上、下滑动并相对稳定在某个位置，在该位置上，主阀芯的各个圆周密封环面使得F1与T1、VA与T2相通或P与F1节流相通、VA与T2相通或P与VA节流相通、F1与T1相通，控制进入或流出燃油升压器驱动油缸和排气阀执行器油缸的液压油流量和流向。 这样流经引导阀的伺服油的流量和流向受到电流4~20mA的准确控制，受控的伺服油再去控制FIVA阀主阀芯上下滑动和它所处的上——————————————————————————————————————————————— 下位置。主阀芯上下所处的位置又控制FIVA阀内孔各通道液流量的大小和流向，使得进入燃油升压器和排气阀执行器伺服油的流量和方向得到控制，最终控制了燃油根据主机负荷大小而进行相对定量的喷油量和排气阀开关动作。 CCU发送的4-20mA控制电流信号通过FIVA阀控制，让主机处于3种状态:非喷油、排气阀关阀状态;喷油、排气阀关闭状态;非喷油、排气阀打开状态。 5.4 FIVA阀控制喷油和排气阀开关过程 如图4所示，在非喷油且排气阀关闭状态时，CCU的输出电流信号为8—12mA，预紧弹簧力大于电磁线圈产生的磁力，引导阀芯上移，引导阀芯密封环带面让A与T相通并形成节流口，释放主阀下控制室液流，使主阀下控制室的油压稍小于上控制室，主阀芯的两端控制室形成平衡力，主阀阀芯处于中间位置，此时，如图5所示，F1与T1相通、AV与T2相通，让燃油升压器驱动油缸和排气阀执行器油缸的伺服油回流至主油泵的吸口，并保持一定的背压，确保燃油升压器下行及排气阀关闭过程的平稳运行，之后让主机处于非喷油且排气阀关闭状态。 单缸喷油之前，该缸CCU给引导阀线圈发送大于12mA的电流信号，引导阀线圈产生的磁力增大，使引导阀阀芯成比例地向下移动，P口与A口节流相通，主阀下控制室流进伺服油。随着输入电流增加，节流口开大，进入主阀下控制室液流增大，腔 室内压力增大，推动主阀阀芯向上移动。 ——————————————————————————————————————————————— 进入下控制室伺服油的多少，成比例地移动主阀阀芯。主阀阀芯的位移量正比于输入电流的大小。随着主阀阀芯的移动，P口与F1相通，主油路P逐步接通燃油升压器驱动油缸。伺服油进入燃油升压器驱动油缸，驱动燃油升压器活塞动作，燃油柱塞上升开始泵油，燃油压力上升，喷油器喷油。同时，T2与VA相通，接通排气阀驱动油缸回油通道，确保排气阀处于关闭状态。 主阀阀芯往上移动的位移量，即主阀阀芯P与F1通道口的大小决定进驱动油缸伺服油流量的大小。该流量决定燃油升压器活塞行程的长短，即喷油量的多少。因此，CCU的输出电流大小(12—20mA)，最终控制喷油量的多少。 喷油结束，CCU的输出电流回到8—12mA，引导阀芯换向并工作在上边，A与T相通，引导阀芯节流口释放下控制室的伺服油，室内压力下降，上控制室2个小活塞往下的推力大于下控制室活塞往上的推力，使主阀阀芯下移并回到中位，F1与T1相通，燃油升压器驱动油缸内的液压油得到释放，其驱动活塞下移，等待下次喷油过程。VA与T2相通，仍然确保排气阀处于关闭状态。安装在FIVA阀上端的位移反馈传感器，准确反馈主阀阀芯所处的位置，如其偏离中位，数据反馈到CCU，由CCU增、减输出电流信号，适量改变引导阀芯位移及引导阀芯节流口的开度和方向，自动修正主阀阀芯的位置，确保主阀芯在中位。 单缸排气阀需要打开时，该缸CCU的输出电流进一步减小到4mA，电磁线圈产生的磁力减小。引导阀阀芯在预紧弹簧力的作用下向上移——————————————————————————————————————————————— 动，A与T相通，节流口开大，主阀下控制室完全接通低压系统，并快速卸压，主阀阀芯快速向下移动并处于最 低位置，P与VA完全接通，大量伺服油进入排气阀执行器油缸。如图7所示，排气阀执行器活塞快速上升，排气阀驱动液压油迅速进入排气阀顶部，驱动排气阀液压活塞向下移动，迫使排气阀快速打开。排气阀打开后，该缸CCU输出的电流信号回升到8mA，A与T节流口的开度变小，主阀阀芯向上适量移动，使P与VA相通的节流口减小，形成节流，维持少量的伺服油进入排气阀驱动油缸，克服空气弹簧的弹力，维持排气阀开启状态。当需要关阀时，该缸CCU输出电流又回到8—12mA，主阀阀芯回到中位，VA与T2相通，F1与T1相通，维持排气关闭和非喷油器状态。 5.5 反馈传感器 共3个反馈传感器，反馈FIVA阀主阀芯所处位置、燃油升压器燃油柱塞所处位置、排气阀所处位置，准确反馈给各缸CCU，让CCU进行逻辑判断，之后向引导阀线圈发出修正电流信号，让燃油柱塞、主阀芯，排气阀处于控制要求的正确位置。 6. 结束语 ME型智能柴油机采用了大量的电子设备、软件技术和液压油技术，并成为其重要的组成部分，如果轮机员不懂电气技术，将难以胜任，特别当系统发生故障时，如果看不懂电路图，就很难判断出是电控系统问还是其它机械故障，所以轮机人员加强电气知识学习，参与电气管理，转变故障分析思路是非常迫切的。 ———————————————————————————————————————————————